沥青混合料半圆弯曲疲劳开裂的XFEM方法研究

基于断裂能释放率改进的Paris公式,应用新近发展的扩展有限元方法建立了疲劳裂缝动态扩展模型。该模型将裂缝疲劳扩展分为三个阶段,每个阶段都有相应的参数控制,可实现对疲劳裂缝起裂、稳定扩展、失稳扩展等过程的准确描述。采用该模型和XFEM技术对一种沥青混合料半圆弯曲疲劳裂缝扩展试验进行了模拟分析。结果表明,在循环荷载作用下,半圆弯曲试件中裂缝尖端能够自由地穿过有限元单元内部动态地扩展,裂缝扩展长度随循环荷载作用次数的关系与试验结果高度吻合,初步验证了该模型应用于沥青混合料疲劳裂纹扩展分析的合理性。     

环氧沥青混合料疲劳衰变特性试验

为获取钢桥面铺装环氧沥青混合料的疲劳衰变特性,首先基于正交异性桥面板-铺装层组成的复合结构模型,计算出标准胎压、超载50％以及超载100％胎压作用下铺装层的最大拉应变,作为疲劳试验应变水平的选取标准;然后,采用小梁四点弯曲疲劳试验对3组不同温度和不同应变条件下的环氧沥青混合料疲劳性能进行测试;最后,利用威布尔公式对不同温度与应变条件下的环氧沥青混合料疲劳寿命与疲劳裂纹扩展时的作用次数进行预测.结果表明:环氧沥青混合料初始模量大小仅与温度相关,与应变水平无关;在10℃和20℃时,1.38 MPa以下胎压以及30℃时0.7 MPa胎压作用500万次均不发生疲劳破坏;30℃时,1.1 MPa和1.38 MPa胎压分别作用66 833次和35 480次出现疲劳损坏现象;相同应变作用下,试验温度越低,小梁疲劳破坏越快;环氧沥青混合料疲劳曲线可明显分为试验设备稳定、疲劳裂缝启裂、疲劳裂缝扩展3个阶段.研究结果可为环氧沥青混合料铺装疲劳寿命预估以及预防性养护提供理论依据.     

沥青混合料直接拉伸试验与断裂细观模拟研究

设计并开展了不同加载速率和不同温度下的沥青砂单轴拉伸试验,针对沥青砂软化行为提出了损伤本构模型,模型参数通过试验确定,利用随机骨料投放技术建立了沥青混合料直接拉伸试件的异质细观结构有限元模型,并利用模型模拟了直接拉伸载荷作用下试件的损伤断裂行为,最后考察了裂纹形成的形态以及骨料分布对混合料直接拉伸损伤破坏行为的影响。研究表明:模型能描述沥青混合料单轴拉伸损伤破坏过程与内部损伤分布;粗骨料分布基本不影响沥青混合料的断裂路径,但影响裂纹尖端附近区域的损伤分布。     

再生胶/SBS复合改性沥青再生混凝土抗裂性能研究

为提高再生沥青混合料的抗裂特性,提出采用抗裂性能优良的新型SBS/橡胶复合改性沥青进行RAP料的再生。基于低温弯曲小梁蠕变、约束温度应力及四点弯曲疲劳试验对复合改性沥青、SBS改性沥青的再生混合料进行低温抗裂及疲劳开裂性能研究。结果表明：橡胶的加入可提高再生沥青混凝土的低温及中温抗裂性能,这可能与混合料开裂初期形成的微裂纹扩展至聚合物网络被吸收断裂能量,抑制微裂纹进一步发展有关。进一步分析断裂温度可知,复合改性沥青再生沥青混合料较普通SBS改性沥青的再生混合料可延伸路面的服役温度范围6℃左右,有利于再生沥青混合料在西北寒冷地区的推广应用。     

环氧沥青混凝土钢桥面铺装疲劳寿命研究

基于钢桥面铺装的裂缝特点及断裂力学理论,引入裂纹尖端位移CTOD参数研究了钢桥面铺装环氧沥青混凝土裂纹扩展阶段的疲劳演化规律。考虑材料的不均匀性,试验采用切口三点弯曲梁试验方法,在MTS试验系统上进行了3组钢桥面铺装复合梁的疲劳试验,定义了三点弯曲梁方法中环氧沥青混凝土的裂纹起裂点和疲劳破坏点。研究结果表明:环氧沥青混合料的疲劳寿命与断裂韧度有很好的相关性。通过拟合试验结果而建立的以CTOD为参数的预测模型可以方便地预测钢桥面铺装环氧沥青混凝土裂纹扩展阶段的疲劳寿命。     

热老化后的纤维沥青混合料性能试验

通过使用强制通风烘箱使纤维沥青混合料试件高温热老化来模拟纤维沥青混合料在施工中受到的热老化,进一步通过间接拉伸试验、冻融循环试验和疲劳试验测试热老化后试件的间接拉伸强度、冻融间接拉伸强度比、动态劲度模量和疲劳寿命。试验结果表明：热老化后,纤维沥青混合料间接拉伸强度稍增大,水稳定性变差,动态劲度模量增大,疲劳寿命降低。     

重冰冻区低温-荷载耦合作用下玄武岩纤维沥青路面的抗裂性能

针对内蒙古重冰冻区沥青路面所处的严寒工作环境及路面病害,提出基于抗裂性能的路面结构控制指标。利用Ansys有限元软件建立新建玄武岩纤维沥青路面结构的计算模型和出现裂缝后的路面计算模型,通过室内试验确定玄武岩纤维沥青路面力学参数、热物性参数与其他参数,分别对其低温-荷载耦合作用下的抗裂性能指标进行计算分析,并对玄武岩纤维沥青混合料疲劳寿命进行测试,验证有限元模拟结果的正确性。研究表明:低温-荷载耦合作用下,易裂点位处新建玄武岩纤维沥青路面各项抗裂指标均有所提升;不同荷载位置对含裂缝玄武岩纤维沥青路面不同裂缝扩展时期的影响具有差异化;含裂缝玄武岩纤维沥青路面在低温-正载K_Ⅰ、低温-偏载K_Ⅰ和低温-偏载K_Ⅱ作用下易裂系数指标K_R都较小;在不同温度和应力水平下,玄武岩纤维沥青混合料疲劳寿命始终显著高于普通沥青混合料。     

正交异性钢桥面U肋横梁相交处疲劳寿命的估算

为估算正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命,以某新建铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件为研究对象,建立两个阶段有限元模型进行了计算分析。通过应用ANSYS有限元软件建立铁路桥节段正交异性钢桥面足尺试件整体模拟,对比分析了正交异性钢桥面U肋横梁相交处的应力和位移计算值与足尺试件相应部位的试验值,发现正交异性钢桥面有限元计算值与足尺试件试验值吻合的很好。在此基础上,采用子模型技术建立了正交异性钢桥面U肋与横梁相交处带椭圆形裂纹的二阶段模型,将退化奇异单元布置在椭圆形裂纹前沿,通过位移外推得到了不同裂纹深度下裂纹尖端的应力强度因子,得到不同裂纹深度与应力强度因子的关系曲线,分析了应力强度因子随裂纹扩展深度的变化规律。基于初始裂纹尺寸合理判定,将应力强度因子数值与裂纹尺寸的函数关系式代入疲劳裂纹扩展模型Paris公式,逐步数值积分得到正交异性钢桥面U肋与横梁相交处的疲劳寿命。计算结果与试验结果进行了比较,发现初始裂纹尺寸为0.1 mm时,计算结果与试验结果最为接近。不同初始裂纹尺寸的裂纹扩展曲线表明位于U肋与横梁相交位置裂纹的疲劳寿命主要消耗在开裂初期,后期裂纹扩展寿命对疲劳寿命贡献不大,这可以解释试验中观察到疲劳裂纹萌生、发展的现象。     

沥青混凝土小梁断裂路径数值模拟研究

半刚性基层沥青混凝土路面是我国最为常见的路面结构形式,但沥青混凝土路面容易在使用过程中发生断裂,而沥青材料的疲劳断裂行为是半刚性基层沥青混凝土路面开裂的主要原因。通过使用扩展有限元方法对沥青混凝土三点预置缺口梁的疲劳裂纹扩展进行了数值模拟,并将数值模拟结果与试验进行了对比,发现两者在断裂形态上非常相似,并且裂纹在最初几次载荷加载时扩展尺寸较大。     

沥青混合料四点弯曲疲劳试验方法及夹具改进

综合介绍了沥青混合料四点弯曲小梁试件疲劳试验方法.在开展了近千次沥青混合料四点弯曲疲劳试验的基础上,分析评价了夹具的设计、疲劳试件的制备、疲劳试验的控制等环节中可能存在的影响沥青混合料四点弯曲疲劳试验结果的因素.并提出了保证和提高四点弯曲疲劳试验结果精确性的操作方法与相关建议.