沥青路面线性疲劳损伤特性及应力状态演变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性及应力状态演变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及二次开发平台,建立考虑路面材料线性疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤以及路面结构内部水平正应力的空间分布与演化规律。结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,随着荷载作用次数增加,基层层底与底基层层底损伤度均增加,但增加幅度逐渐减小;双轮中心线下靠近层底区域,考虑损伤的路面结构相比无损路面结构,水平拉应力均有所减小,且随荷载作用次数增加,水平拉应力逐渐减小,但减小的幅度逐渐趋缓。研究结果可用于路面维修养护中路面破坏区域及程度的判断,以及路面设计研究中设计指标的确定。     

半柔性路面材料的疲劳寿命研究

针对半柔性路面材料开展不同试验条件下的三点弯曲疲劳试验,研究其在循环荷载作用下的变形规律,进行损伤演化过程分析,并基于永久变形相对变化率的平稳值建立疲劳方程。结果表明:半柔性路面材料的变形分为可恢复变形和永久变形,其中可恢复变形的恢复速率随着荷载作用次数的增加而降低,永久变形随着荷载作用次数的增加而增加。半柔性路面材料的损伤会随着永久变形相对变化率的快速增大而越快地演化至失效阈值。疲劳寿命随着永久变形相对变化率平稳值的增大呈幂函数趋势下降。不同养护时间的疲劳寿命预测值与实际值的相对误差平均值为6%～29%,表明所建立的疲劳方程能很好地预测半柔性路面材料的疲劳寿命。     

动荷载作用下钢结构涂装的累积损伤机理与量化模型

为研究动荷载作用下公路钢桥涂装层与基体间的协同变形和破坏机制,开发了钢结构涂装层试件的动荷载试验系统,研究了疲劳荷载作用下涂层的破坏模式、附着力、弹性厚度、应变等随循环加载次数的发展规律。结合涂层破坏模式和发展规律,构建了涂层疲劳累积损伤度的计算模型,提出了基于损伤度的涂层破坏分级方法,并结合试验结果进行了验证。结果表明:疲劳荷载将引起涂层的附着力下降、弹性厚度降低和应变松弛,进而导致涂层出现附着破坏、内聚破坏及其组合。涂层附着损伤度是涂层损伤的主要因素,且随加载次数持续增大,当加载次数较大时内聚损伤贡献突出。试验涂装体系在22万次应力循环后附着损伤度最大为0.34,内聚损伤度最大为0.27,总损伤度达0.61,属于严重损伤。提出的损伤度模型及破坏分级方法与试验规律吻合良好,可应用于公路钢桥涂装层受动荷载作用下的寿命预测。     

交通荷载作用下脱空刚性路面的疲劳损伤机理

开发了疲劳损伤本构关系的ABAQUS用户子程序UMAT,分析了全耦合方法下基准路面结构模型疲劳损伤场的分布与发展规律,研究了交通荷载与面板弹性模量、面板厚度、脱空尺寸等路面结构参数对水泥混凝土路面结构裂纹形成疲劳寿命的影响。结果表明,随荷载作用次数的增加,路面结构的疲劳损伤不断增加,但其增幅越来越小,路面结构的荷载应力也逐渐减小;随着交通荷载的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性减小趋势;随着面板厚度的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈线性增加趋势;随着脱空尺寸的增加,路面结构的对数疲劳寿命呈幂函数曲线相关关系。     

沥青混合料疲劳损伤非线性演化统一模型试验研究

通过相同条件下一组大样本沥青混合料应变控制小梁弯曲疲劳试验,将弯曲疲劳循环次数和对应循环次数的模量无量纲化后,拟合得到了一组疲劳损伤和对应循环次数比的关系曲线,发现各曲线之间非常相似,尽管各试件的疲劳寿命相差较大。对曲线族进一步分析,归纳得到了此沥青混合料疲劳损伤的非线性演化的统一模型。     

沥青混合料的低频疲劳损伤效应分析

加载频率对沥青混合料的疲劳寿命影响较大,疲劳过程中的损伤随着疲劳次数的增加而逐渐增加;耗散能、塑性应变也随着疲劳次数的增加而逐渐增加;所以损伤、耗散能与塑性应变三者之间必然存在某种联系.文中根据低加载频率的疲劳试验来模拟材料的温度疲劳,运用耗散能相关理论分析沥青混合料的温度疲劳损伤,并进行损伤力学分析,说明了粘弹性材料疲劳的本质是荷载循环过程中耗散能的增加.     

钢筋混凝土空心板梁疲劳损伤试验研究

为获取钢筋混凝土空心板梁的疲劳损伤发展规律,通过对1片试验梁的静载试验测得试验梁的极限承载力,以此作为疲劳试验加载幅值取值依据,对5片试验梁进行等幅疲劳加载试验.试验表明,试验梁呈现出明显的疲劳损伤三阶段(即快速发展、稳定和破坏)规律.接近疲劳破坏时除1至2条主裂缝继续扩展外,其余裂缝停止增长并逐渐闭合,最终在主裂缝处疲劳断裂.试验梁的挠度发展、钢筋与混凝土的应变发展增量在疲劳循环初期增长比较显著;随着疲劳荷载循环次数的增加,增长速率趋缓而进入相对稳定发展阶段;临近破坏时又发生较大幅度的增长.     

沥青混合料拉压疲劳损伤试验

为研究沥青路面结构实际处于拉压应力作用下的疲劳损伤特性,针对沥青混合料AC-13开展了连续式交变正弦波形加载的小梁拉压疲劳试验。依据损伤力学基本理论,采用唯象学方法分析了沥青混合料的拉压疲劳损伤特性。介绍了拉压疲劳试验方法及影响因素,根据疲劳试验结果得到了拉压疲劳方程;基于弹性模量定义的损伤变量,建立了拉压疲劳损伤模型,拟合疲劳试验结果确定了损伤参数,获得了考虑应力水平的拉压疲劳损伤演化方程。研究结果表明:疲劳损伤参数α、β随应力水平增大而增大,且近似呈线性关系;拉压疲劳损伤演化大致呈3阶段变化规律,即损伤萌生、损伤稳定增长和损伤失稳破坏阶段;应力水平越大的损伤演化曲线越靠下,随寿命比变化疲劳损伤演化速度越缓和。     

超载情况下HPFL加固钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究

通过2根对比梁和9根加固梁的静力对比和疲劳试验,研究了超载情况下高性能水泥复合砂浆钢筋网薄层（High Performance Ferroeement Laminate,简称HPFL）加固钢筋混凝土梁的疲劳性能。对超载情况下试件的破坏形式、疲劳寿命、挠度和材料应变进行了分析：结果表明,超载情况下试件的破坏模式均始于梁底纵筋的疲劳断裂,疲劳寿命只有32．7万～66．8万次,而未超载情况下加固试件的疲劳寿命均大于200万次。加固梁的疲劳寿命均明显高于对比梁,疲劳寿命随加固钢筋网用量的增加而增大。在经过相同次数的循环之后,加固试件的挠度和混凝土及钢筋的应变都低于未加固梁。由于加固梁端部植入了剪切销钉,未发生梁端部加固层与混凝土之间的界面剥离。     

沥青混合料预缺口试件直接拉伸疲劳损伤分析

为了研究沥青混合料疲劳损伤断裂特性,应用断裂力学积分守恒定律,提出一种关于沥青混合料对称边缺口试件拉伸疲劳损伤的封闭解法,并根据有限元计算与有关试验结果的对比,确定了合适的试件缺口处应力集中系数和沥青混合料疲劳损伤特性参数,同时证明了在拉伸疲劳试验情况下所提出的沥青混合料非线性疲劳损伤模型的有效性.根据非线性有限元计算,分析了沥青混合料含缺口试件拉伸疲劳损伤开裂、裂纹扩展过程,讨论了不同阶段试件内部损伤度、拉应力的分布规律,以及它们和试件位移、疲劳寿命随预制裂纹起裂、扩展的变化规律.研究结果表明:基于疲劳损伤有限元和Paris公式的沥青混合料含缺口拉伸试件的疲劳损伤分析结果与直接拉伸疲劳试验结果基本一致,但基于Paris公式的计算结果无法反映试件在起裂和扩展初期阶段裂纹扩展速率的变化情况.     

新型钢桥面铺装材料在疲劳与冲击交替加载作用下的损伤分析

对液体橡胶混凝土圆柱体试件进行疲劳与冲击交替加载试验,测量每次加载前后弹性模量的变化,用弹性模量的衰减定义损伤,分析这种新型桥面铺装材料在疲劳与冲击交替加栽作用下损伤的演化情况,比较完成特定次数疲劳循环后材料在相同冲击速度下的力学响应,并对单独疲劳加载情况下材料内部损伤的演化进行分析.     

含层间界面的沥青混合料复合小梁弯曲疲劳试验

为探讨层间界面条件对沥青路面疲劳寿命的影响,完善路面疲劳模型,采用小梁弯曲疲劳试验方法,测定不同粘层油用量、不同温度、不同加载等试验条件下复合小梁试件的疲劳寿命.研究结果表明:(1)由于层间界面的存在,导致沥青路面结构整体性减弱,疲劳寿命减小;(2)随着粘层油用量的增加,疲劳寿命呈现先增加后减小的变化规律,并且粘层油用...     

中面层沥青混合料改性前后疲劳性能对比研究

采用材料试验系统MTS810进行小梁应力疲劳试验,通过对中面层采用的级配AC-20、LAC-20和SAC-20沥青混合料改性前后的耐疲劳性能进行对比分析发现:除级配SAC混合料外,级配LAC和级配AC混合料改性后的抗疲劳性能均有提高,在相同应力比情况下,级配LAC混合料改性后其抗疲劳性能提高显著.在一定应力水平作用下,随着应力比的提高,载重量的增大,级配LAC混合料改性后的疲劳寿命增加的幅度逐渐减小,在较低应力比情况下,其抗疲劳性能明显增强.荷载应力水平不同,改性沥青混合料疲劳寿命提高的倍数不同,基本随着荷载应力水平的提高,疲劳寿命提高的倍数逐渐减小.     

定侧压混凝土双轴拉-压疲劳累积损伤试验研究

在对有限预应力混凝土桥梁结构进行损伤分析与剩余寿命估算时,为了解混凝土在双轴波动拉-压应力作用下的疲劳强度和损伤特性,通过室内小尺寸的变截面棱柱体试件的双轴疲劳试验,得到了定侧压下混凝土等幅和变幅重复荷载作用下的轴心拉-压疲劳方程和疲劳变形特性。由等幅疲劳变形模量定义了损伤变量,拟合试验结果得到了相应的损伤演化方程;依据损伤演变与损伤状态、加载条件间的相关性,建立了相应的疲劳损伤模型。研究表明:极限疲劳割线模量衰减率可作为混凝土发生拉-压疲劳破坏的标志;用规范化的疲劳变形模量定义损伤变量,建立的损伤累积模型,用于疲劳损伤分析和剩余寿命预测时具有较高的精度。     

沥青路面的双向疲劳损伤

疲劳损伤是沥青路面技术体系中的一个重要问题，各种设计方法中都建立了相应的疲劳设计模型。为研究全寿命周期内沥青路面的疲劳演化行为，基于RIOHTrack足尺环道开展了6 000万次加载试验，获得了19种不同结构形式的疲劳损伤状态，研究提出了沥青路面的双向疲劳损伤模式，即：在行车荷载作用下，沥青路面同时产生自上而下和自下而上的疲劳损伤。其中：自上而下的疲劳损伤是由压剪荷载造成的，根据路面结构形式的不同，一般表现为T-D横向疲劳裂缝与车辙变形的对偶式损伤；自下而上的疲劳损伤是由整体性材料结构层的层底弯拉荷载引起的，是一种传统的疲劳损伤模式。需要指出的是，单一某个结构层的弯拉疲劳破坏并不会导致整体结构的破坏，即某一结构层的疲劳寿命并不等于整体结构的疲劳寿命。针对自下而上的疲劳损伤模式，提出疲劳寿命逐层累积的分析方法，以完善沥青路面弯拉疲劳寿命的评估。     

多孔混凝土疲劳性能的研究

多孔混凝土作为路面的基层,和面层一起受到车辆荷载和温度的反复作用,结构设计中需考虑其疲劳性能。通过室内小梁弯拉疲劳试验,分析疲劳寿命试验数据的概率分布,得出多孔混凝土疲劳寿命服从双参数威布尔分布,以此建立了不同应力水平和等效应力水平下两种形式的疲劳方程;分析了疲劳寿命变异性的影响因素及减小变异性的相应措施,比较得出其疲劳性能优于半刚性基层材料。利用得出的疲劳方程,建立了以多孔混凝土作为水泥混凝土路面下面层荷载应力计算的疲劳应力系数,以及作为沥青路面基层时,进行层底弯拉应力验算的弯拉强度结构系数,可用于路面结构计算。     

江阴长江大桥钢箱梁疲劳应力特征分析

为准确评估钢桥结构的疲劳损伤状态和剩余疲劳寿命,以江阴长江大桥为背景,对该桥钢箱梁疲劳裂纹产生位置进行连续疲劳应变监测,获取应变时程数据,结合雨流计数法技术建立日疲劳应力谱;分析应力幅~循环次数分布规律;研究累积损伤度分布特征,建立损伤度分布模型,计算不同车道构造细节疲劳损伤度和剩余寿命。研究结果表明:钢箱梁顶板测点、U肋与横隔板焊接末端处、弧形缺口有效截面最小处均以压应力为主,U肋以拉应力为主;应力幅累积循环次数分布服从Weibull函数分布;疲劳累积损伤度分布服从Boltzman函数分布,顶板与U肋连接处U肋腹板沿横桥向慢车道疲劳损伤较快车道损伤大,下游车道较上游车道损伤大,其中下游慢车道U肋腹板细节疲劳损伤最大。     

服役斜拉索疲劳状态的全场域在线实时监测与智慧感知

为了能对斜拉桥拉索的服役性能进行更为准确和及时的评估,提出了一套服役期拉索疲劳状态评估的全场域实时监测与智慧感知技术方案。该方案首先给出了基于拉索横向动刚度分析理论的拉索全场域、全应力时程的实时感知方法,其次利用Miner线性疲劳累计损伤理论评估拉索全场域的疲劳损伤状态;最后,将其应用于一座斜拉桥的拉索的振动监测信息处理上,证明了所建议的技术和方案可实现服役拉索疲劳状态的全场域实时监测和智慧感知。具体结论如下:在拉索疲劳应力幅的组成中,由外荷载引起的索端位移产生的索力变化所产生的应力占比最大,当拉索发生较大幅度振动时,振动附加索力变化产生的应力也不可忽略;通过对拉索疲劳应力幅的统计分析发现,与长索相比,短索对外荷载更加敏感,通常会引起更大和更频繁的索力变化,故在斜拉桥拉索疲劳分析中,应对短索给予更多的关注;在拉索疲劳损伤分析时,弯曲应力和腐蚀的影响非常显著,若要使拉索疲劳寿命的预测更接近实际工程情况,需要考虑弯曲应力和腐蚀的影响;在应力幅较大的区域,对应循环次数较少,但拉索疲劳损伤度较大,在应力幅较小的区域,虽然循环次数较多,但拉索的疲劳损伤度较小,所以,在疲劳分析中,拉索应力幅比循环次数更值得关注。     

含层间界面的复合小梁疲劳性能影响因素的交互作用

为探讨在车辆荷载重复作用下,铺面材料疲劳性能的变化规律,采用含有层间界面的复合小梁进行四点弯曲疲劳试验。通过改变复合小梁的材料组合方式、黏层油类型及用量,以及应变水平等影响因素,测定复合小梁试件的疲劳寿命。结果表明:(1)对于双层均为密实型材料的复合小梁,各因素对其疲劳寿命的影响大小顺序为黏层油用量应变水平黏层油类型,对于上层为空隙型、下层为密实型的复合小梁,各因素影响顺序为应变水平黏层油用量黏层油类型;(2)随着上层沥青混合料空隙的增大,层间黏结性能下降,复合小梁疲劳寿命减小,而随着黏层油用量的增加,层间黏结性能先增后减,复合小梁的疲劳寿命也先增后减;(3)混合料级配类型及材料性质在影响复合小梁疲劳寿命的因素中居主导地位,SMA-13与SMAP-5的结构组合整体性最好,疲劳寿命最大;(4)确定了复合小梁疲劳寿命与黏层油用量之间的相互关系,并采取现象学法疲劳模型,建立疲劳寿命方程。     

合成纤维混凝土路面切割小梁弯曲疲劳试验

将室外自然条件下养护的合成纤维混凝土路面板切割成小梁试件进行弯曲疲劳试验。结果表明:在同应力比下纤维混凝土的疲劳寿命是普通混凝土的25~79倍,明显大于室内养护小梁试验的结果。说明掺入纤维可减少路面混凝土中的原生缺陷,对改善路面混凝土抗疲劳性能有很大帮助。