水平荷载作用下沥青路面表面开裂机理分析

基于线弹性力学和有限元方法，建立路面结构三维模型。计算垂直荷载、水平荷载及其组合作用下沥青路面力学响应，分析沥青路面表面开裂的机理。结果表明，沥青路面表面裂纹是水平荷载与垂直荷载组合作用导致的剪切或拉伸破坏，水平荷载是破坏的主要因素。     

地震作用下欠固结土桩基响应数值分析

为了研究地震作用下桩-土相互作用响应情况,采用FLAC3D数值计算软件,建立欠固结土-桩体模型,分析地震作用下,不同时间段桩侧摩阻力、桩体轴力和土体应力变形情况.结果表明:由于地震波的往复运动,引起土体水平和竖直方向的位移也发生往复变化,易导致不同位置土体发生不均匀沉降和水平剪切运动,设计时需考虑地震作用效应所导致地基与基础的不均匀沉降和水平剪切作用.但桩侧摩阻力和中性点受到地震的影响较小,因此,对这两方面进行设计时,可减少地震因素的考虑.     

地震下斜坡桩场地及桩基动力响应的数值分析

结合离心机振动台试验与开源有限元软件OpenSees研究了斜坡场地上桥梁桩基动力响应问题。首先基于多屈服面模型和桩土动力弹簧模型,对离心机振动台模型试验结果进行了验证分析。计算与实测结果的对比表明:数值模型可较好反映实测规律;桩身最大残余水平位移随El-Centro波地震动加速度幅值的增大呈非线性增加;桩身最终弯矩最大值出现在基岩与土层的交界面处;斜坡场地坡肩较坡顶在地震作用下更容易发生剪切变形,且软硬岩土层倾斜交界面将削弱其抗震耗能的能力。在此基础上,分析斜坡坡角、砂土重度和桩身直径3个主要因素对桩身和斜坡坡肩处土体动力响应规律变化的影响。结果表明:减小斜坡坡角或增大桩身直径均可降低地震荷载对桩基的影响,而砂土重度影响较小;3个因素对斜坡坡肩各深度处土体的动力响应均会产生影响,但其影响程度各有不同;较大的斜坡坡角会显著增加斜坡坡肩各深度处土体的剪切变形;增大桩身直径会大幅度减少斜坡坡肩处中层和深层土体的剪切变形,但对浅层土体影响较小。这些结论可为今后的工程设计提供参考。     

改进的无单元Galerkin方法在沥青路面动态响应中的应用

基于改进的无单元Galerkin方法,建立了三维沥青路面弹性动力学计算模型。对路面结构在匀速移动荷载作用下的动力响应进行了分析,得到了沥青路面各层的竖向位移、应力和最大剪应力的时程曲线,并将改进的无单元Galerkin方法计算结果和有限元数值模拟结果进行了对比;同时研究了不同车速下路面应力和位移响应的变化规律。结果表明:改进的无单元Galerkin方法在路面动力响应分析中是有效的;沥青面层表面的位移、压应力及剪应力最大;基层底部的拉应力最大;较高的车速可以减小沥青路面结构内部的动力响应。     

计入水平力剪切变形和轴力影响的柱单元及其在支座基桩共同作用分析中的应用

基于王用中、Wilson E.L.和赵明华等分别提出的柱单元弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵,推导了3种同时计入水平力剪切变形和轴力P-Δ效应的柱单元刚度矩阵方程,可模拟框架柱、剪力墙等小剪切变形轴力构件和支座等大剪切变形轴力构件的动静力工作,为计入剪切变形和轴力P-Δ效应的压弯剪构件静动力有限元分析提供了理论支撑。推导了另外两种形式的仅考虑轴力P-Δ效应的柱单元刚度矩阵方程。通过退化分析验证了本文理论推导正确。最后应用计入水平力剪切变形和轴力P-Δ效应的柱单元模拟支座偏心工作,并建立了支座基桩有限元模型,应用自编的Matlab有限元分析程序进行了案例分析。结果表明,计入水平力剪切变形和轴力效应的柱单元可较好地实时模拟支座大剪切变形下的偏心工作特性,竖向力因支座大水平剪切位移产生的偏心弯矩极为显著,对基桩受力特性影响较大,将进一步扩大轴力P-Δ效应,进而削弱基桩和支座的整体的水平刚度,有效增大了基桩内力和其等效计算长度,减小了支座基桩的整体水平抗推刚度,不容忽略;建议进行基桩设计计算以及水平力在墩台间分配计算时采用支座基桩共同作用有限元模型。     

离散元法的沥青路面车-路动力学响应分析

为了分析车辆荷载作用下沥青路面结构的细观状态力学响应，建立了二自由度1/4车辆模型与多层路基路面耦合离散元模型，通过各结构层单轴压缩应力-应变试验与相同工况试验数据比较，经迭代运算得到路面离散元模型各结构层细观参数，应用试验得到的沥青路面细观参数建立多层路基路面模型，在离散元模型的上表面设定一定不平度，在一定速度作用下，1/4车辆模型在路基路面离散元模型上表面匀速移动，从而求解车辆动荷载作用下沥青路面各结构位移、应力等细观受力状态。进而改变1/4车辆模型的车体悬架刚度、悬架阻尼系数、轮胎刚度，轮胎阻尼系数，从而获得在改变车辆参数作用下沥青路面内部的应力变化规律。研究结果表明：基于离散元理论不但可以求得沥青路面在车-路相互作用下各层的应力与变形，而且还可以求得沥青路面各结构层颗粒流的变化趋势，在车辆移动荷载作用下，随着路基路面深度增加，各结构层颗粒流竖直方向动态位移与应力响应依次减少，其中上基层颗粒流动位移比上面层颗粒流动位移减少25%，下面层颗粒流竖向应力约为上面层颗粒流竖向应力的50%，水平方向上颗粒流既有压应力又有拉应力，变化比较复杂，上面层颗粒流水平方向主要承受压应力，其余结构层主要承受拉应力；增加轮胎与悬架刚度系数对模型颗粒流水平方向拉应力影响较大，增加轮胎与悬架阻尼系数对垂直方向颗粒流压应力与水平方向拉应力影响较小。     

纵坡道路沥青路面结构及材料设计

纵坡道路沥青路面与平坡道路沥青路面的结构响应的主要差异在于沥青路面的变形差异,这种变形差异通过沥青混合料的塑弹比进一步反映在沥青路面的塑性变形上。文中在总结纵坡道路沥青路面与平坡道路沥青路面结构响应差异特征的基础上,基于与标准计算工况条件下沥青路面塑性变形相等的原则,提出纵坡道路沥青路面结构及材料的设计原则,并推荐不同荷载工况条件下大纵坡道路沥青路面混合料的设计要求。     

沥青路面渗流场-应力场耦合作用分析

采用有限元法和ABAQUS软件,分析了沥青路面在渗流场-应力场耦合作用下的力学响应.同时,还计算了载荷作用下结构层的竖向位移、最大主应力及剪应力,并分析了它们的大小随时间变化的规律.     

预应力锚索桩板墙减震锚头弹簧刚度系数研究

以某高原铁路高烈度地震区路堑段为背景,采用有限元方法建立锚头设置弹簧组件的减震锚拉桩板墙分析模型,研究锚索体系刚度对桩板墙地震响应特征的影响规律,探讨锚头弹簧刚度的优化参数范围。结果表明:设置减震锚头的桩板墙锚索受力较普通锚拉式桩板墙结构有明显改善,地震作用下锚索拉力峰值、震荡幅值及残余拉力随锚索体系刚度降低近似呈线性减小规律,但锚索对桩身的约束作用减弱,桩顶动位移峰值及残余位移呈反“S”形增大。为了协调和统一地震作用下降低锚索拉力和桩顶位移的抗震需求,应根据桩顶水平位移的极限对锚头的弹簧刚度进行优化。     

温度-移动荷载耦合作用下沥青路面结构力学响应研究

建立沥青路面结构有限元模型,计算沥青路面结构在一天内温度连续变化条件下温度场分布,在此基础上进行温度与移动荷载耦合,分析沥青路面结构在温度-移动荷载耦合作用下的力学响应。结果表明,沥青面层温度场在一天内的变化呈现先减小、后迅速增大、再减小并趋于缓和的趋势,基层以下路面结构层温度几乎不发生变化;在温度-移动荷载耦合作用下,路表最大竖向位移比不考虑温度作用时最大竖向位移增大8.60%,沥青层层底拉应变比不考虑温度作用时层底拉应变增大176.26%;车辆速度和轴重影响沥青路面的力学响应,随着荷载移动速度的增大,路表竖向位移减小、竖向压应力增大,随着轮胎接地压强的增加,路表横向压应力、竖向压应力和纵向压应力都增大。     

高模量沥青混凝土路面抗车辙性能分析

从力学角度研究沥青混凝土模量的提高对于车辙产生的影响,提出了抵抗车辙危害新方法。从车辙产生的机理出发,分析高模量沥青混凝土材料的基本力学性能及路面结构中面层模量对车辙产生的影响;利用试验方法分析了高模量沥青混凝土材料的动稳定度和动态模量值,利用数值计算方法分析路面结构力学性能并分析高模量下路面结构的力学响应。通过试验研究发现,高模量沥青混凝土材料的动稳定度和动态模量值都有显著提高,有利于抵抗车辙产生;数值计算结果表明,路面承受最大剪应力的范围在路面结构的中面层,采用高模量沥青混凝土材料,提高路面结构中面层的弹性模量,可以有效地改善路面结构的受力状态,降低剪切应变的数值,抑制和减少沥青路面车辙的产生。     

移动荷载作用下沥青混凝土桥面铺装层动力响应分析

为了准确地分析铺装层的受力状态,将车辆荷载简化为移动均布荷载,采用有限元法分析了铺装层在移动荷载作用下的动力响应。分析结果表明,在移动荷载作用下,以较低的速度行驶对铺装各层应力影响较大,各应力分量与移动荷载速度基本呈线性关系;刹车情况下离表面较近区域不再经历正反两次剪应力作用,只是离表面较深处存在很小正反剪应力作用;最大水平剪应力发生在铺装表面,且随深度的增加迅速减小;水平荷载对水平剪应力影响很大,随着水平力系数δ增大,在同一铺装层深度处的最大水平剪应力增加比较明显;在相同δ的条件下,随着深度的增加水平剪应力越小。通过上述分析,提出桥面铺装层控制性设计指标,从而为桥面铺装设计提供理论依据。     

重载下刚性基层沥青路面的力学响应分析

应用APBI程序,建立计算模型,采用弹性层状体系理论,对重载下刚性基层(CRCP)沥青路面的力学响应进行了分析,探讨了重载作用下刚性基层沥青路面的应力分布及其影响因素。研究结果表明:路表位于车轮外侧有数点受到垂直于行车方向的拉应力,路表最大剪应力的位置出现在轮胎边缘附近,在拉应力和剪应力的共同作用下行车带轮迹边缘附近容易出现平行于行车带自上而下的裂缝;刚性基层路面拉应力主要由刚性基层承受,随着结构层所受荷载的增加,层底拉应力显著增大;高温下车辆制动时产生的水平力对剪应力的影响很大,当紧急制动时路面最大剪应力比不考虑水平力时增大接近150%,易产生剪切破坏。     

混凝土桥面沥青铺装结构的剪切分析

车辙和推移是混凝土桥面沥青铺装结构的主要破坏形式之一,一方面是由于行车荷载作用下沥青层内产生较大的剪应力而引起沥青铺装层的塑性流动而逐渐形成车辙;另一方面是沥青混凝土面层和桥面层间粘结力不足而引起的推移、拥抱等剪切破坏。试图通过三维有限元的计算方法,考虑荷载的非均匀分布,系统分析层间接触条件不同时,不同铺装层结构组合时的剪应力响应。分析显示,非均布荷载和层间接触条件对铺装层结构的剪应力有很大影响,合理的材料设计和结构组合对沥青混凝土桥面铺装具有重要意义。     

沥青层厚度对沥青路面车辙的影响研究

基于弹性层状体系理论,利用ABAQUS有限元软件对沥青路面结构进行数值模拟,分析沥青层厚度对沥青路面永久变形的影响。分析表明：沥青层厚度对压密型车辙的影响非常显著,车辙深度随着沥青层厚度的增加而增大,但是随着沥青层厚度的增加,增长趋势逐渐减少,由最初的10%的增长量减少到4%;沥青层内最大剪应力出现的深度不随沥青层厚度的变化而变化,均出现在路表下4-6cm处,因此沥青层厚度对剪切流动变形的影响不是很大。     

基于黏弹模型的交叉口路面力学响应分析

为研究交叉口路面在重载和水平荷载作用下的力学响应,考虑沥青混合料在高温时的黏弹特性,建立基于广义Maxwell的黏弹力学模型,探究温度、水平荷载、竖直荷载对路面最大剪应力的影响。文中基于SMA-13、AC-16、AC-20沥青混合料动态模量的试验数据,对黏弹有限元模型的参数进行标定,建立5项Prony级数的力学模型,对交叉口路面力学响应进行了分析。结果表明,最大剪应力峰值出现在路面的上中面层;在水平制动力影响下,路面最大剪应力的最不利荷载点位于荷载圆沿道路纵向的最前方,建议可在城市道路设计时增加最大剪应力控制点;路面的上、中面层对温度的变化更敏感。     

沥青路面动力响应检测传感器的设计及应用

针对路面结构复杂的施工环境和力学特点,研究开发了一套用于检测实际交通荷载下路面结构动力响应的传感器,并进行了沥青路面结构动力响应的野外现场试验研究。研究结果表明,该传感器不仅能够承受施工时的高温和强剪切破坏作用,在没有特殊保护措施情况下,传感器成活率达82%,而且该传感器灵敏度高,抗噪声能力强;能够检测半刚性基层沥青路面面层底部、上基层和下基层底部的动应变。     

横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解

主要推导三向移动荷载作用下考虑复杂层间接触状态的横观各向同性黏弹性沥青路面动力响应解析解。首先，从直角坐标系下横观各向同性黏弹性多层体系动力学问题的基本方程出发，借助相对坐标变换和Fourier变换，推导单层沿深度方向的波数域状态向量传递矩阵；其次，基于波传递方法，构造层顶下行波和层底上行波向量，以消除传递矩阵中的正指数项，保证数值计算的稳定性；而后，基于Goodman模型表征的层间接触条件，建立相邻层上、下行波向量的递归关系，并结合荷载和边界条件，对多层体系各层上、下行波向量进行求解；最后，通过Fourier逆变换和相对坐标逆变换，得到沥青路面任意坐标和时刻下的动力响应解析解，并编制数值计算程序。通过ABAQUS有限元模拟，验证了解析解的准确性，且证明了解析解的计算效率远优于有限元模拟；综合分析荷载、材料、层间接触对沥青路面动力响应的影响，可以发现：水平向荷载与路表剪应力关联性强，是导致路面Top-down开裂的重要因素；层间接触条件和横观各向同性均对面层底部水平向应变影响显著，且这2个因素之间存在耦合效应，建议在路面疲劳寿命分析中予以充分考虑。研究得到的解析解可为真实沥青路面力学行为研究提供高效准确的分析工具。     

硬质沥青及混合料的高温性能评价

沥青路面车辙是当前高速公路路面的最主要早期损坏形式。该文通过沥青动态剪切流变试验、重复蠕变试验、粘度试验及混合料的车辙试验,对硬质沥青、改性沥青和70#沥青的高温性能做出全面比较分析;依托高速公路硬质沥青试验路工程的建设,对试验路抗车辙性能进行了调查。结果表明硬质沥青的高温性能较为优越,其长期效果仍有待进一步检验。     

振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性研究综述

沥青作为一种典型的黏弹材料,其黏弹性与路用性能密切相关,20世纪研究者们就开始关注并研究沥青的黏弹性。全面表征复杂条件下沥青的黏弹性,对于准确评价沥青路用性能具有重要的意义。实际应用中,沥青路面不可避免承受小幅及大幅振荡剪切荷载,沥青线性黏弹性与非线性黏弹性的研究同等重要,仅研究沥青线性黏弹性会导致沥青路用性能评价不准确。目前,基于稳态蠕变试验的沥青非线性黏弹性研究已基本成熟,但车辆对路面的实际作用模式为振荡剪切荷载,针对振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的研究尤为重要。大幅振荡剪切试验是材料非线性黏弹性测试的主要方法,已成功应用于胶体、悬浮液等领域,而关于大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的研究则刚刚起步。为促进沥青非线性黏弹性的研究,综述了国内外大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性的测试方法、分析方法及本构模型,指出了现有大幅振荡剪切荷载下沥青非线性黏弹性研究存在的问题,提出了未来沥青非线性黏弹性研究的建议。研究可为沥青非线性黏弹参数的确定、路用性能的评价及预测提供理论依据,同时为其他黏弹材料的非线性黏弹性研究提供一定参考。