沥青路面失效开裂的数值模拟研究

为了深入了解沥青路面受荷载作用时的裂缝扩展规律,基于失效开裂材料二次开发以及扩展有限元方法,建立沥青路面的数值计算模型。通过试验与计算结果对比,分析沥青复合梁在荷载作用下的失效开裂特性,对比研究失效开裂材料二次开发模型与扩展有限元模型的计算结果。结果表明:基于失效开裂材料二次开发建立的计算模型可以很好地模拟沥青路面的裂缝扩展规律,计算结果与试验结果吻合良好;预设裂缝对路面受力性能的影响极大,在进行实际施工时应尽量减少路面材料裂缝,并提高路面的抗疲劳性能,以保证其良好的受力性能;平板支撑方式下沥青复合小梁裂缝扩展行为与实际路面状况极为接近;相比扩展有限元方法,基于失效开裂材料二次开发建立的计算模型适用性更好。     

沥青混合料小梁断裂试验与分析

本文利用切口小梁的疲劳断裂试验模拟了沥青路面裂纹的扩展行为,研究了裂缝位置对断裂情况的影响。并通过有限元分析软件ANSYS对不同应力水平和不同裂缝长度下的小梁应力强度因子进行了分析,并利用数值分析结果对小梁疲劳断裂试验现象进行了解释。     

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。     

基于现场实测数据的高速公路裂缝形态特征及开裂模式研究

为了分析半刚性基层沥青路面横向裂缝开裂模式,依托江苏多条省管高速公路,采用钻芯取样和逐层铣刨分层观测方法,调查了横向裂缝的分层形态特征和贯穿程度,统计了面层和基层裂缝宽度细部特征,明确了横向裂缝主要开裂模式,研究了横向裂缝沿路面深度的分布特征,分析了横向裂缝开裂成因。结果表明:半刚性基层裂缝上部和下部平均宽度分别为0. 96 mm和1. 16 mm,呈现下面较宽、上面较窄的细部特征,而沥青面层裂缝上部和下部平均宽度分别为1. 20 mm和0. 99 mm,呈现上面较宽、下面较窄的细部特征;半刚性基层裂缝基本处于完全贯穿状态,沥青面层裂缝处于顶部部分开裂或完全贯穿状态;横向裂缝开裂模式可分为4种,即上下发展-中间无裂缝型、上下发展-中间裂缝局部贯穿型、完全贯穿型、自上而下型,其中上下发展型开裂模式占比约80%,而自上而下型仅占6%。基层开裂位置对应面层位置均出现开裂,但面层裂缝扩展方向为顶部到底部,而非传统认为的底部到顶部,即当半刚性基层开裂后,直接反射到路表,路表裂纹再往下扩展直至开裂,这主要是因为半刚性基层刚度较大导致面层底部基本不受拉应力作用,甚至处于受压状态,且荷载剪应力从路表传递到面层底部已经衰减很大。因此横向裂缝发展初期应及时养护维修,以防裂缝向下扩展。     

基于XFEM的沥青加铺层材料的裂缝扩展

为了研究旧水泥混凝土路面加铺沥青混凝土面层材料在一定的荷载下的断裂和裂缝发展,采用ABAQUS的扩展有限元法（XFEM）对加铺的沥青混凝土材料进行了数值模拟分析,并结合数值模拟模型进行了相同情况下的裂缝扩展室内试验。结果表明XFEM的数值模拟分析所得数据与室内的试验所得数据具有良好的相关性。最后对实际路面结构进行了模拟分析。为研究沥青混凝土材料加铺的裂缝发展与荷载作用提供了可供参考的方法和数据。     

夹层层位对沥青混凝土路面加铺层的抗开裂性能影响

为探索夹层位置在加筋沥青混凝土加铺层中的抗开裂工作机理,首先分析沥青混凝土加铺层常见开裂形式及其产生机理,然后建立有限元模型,将夹层位置分为5种情况,同时考虑旧路有、无裂缝,研究了夹层位置对夹层上下沥青混凝土加铺层结构荷载内力及温度内力影响的规律.结果表明:在交通荷载作用下,随着格栅位置的上移,格栅之上加铺层的竖向剪应力存在一最小值,在此处对防治TDC开裂最佳,从抗反射裂缝及BUC开裂的角度来看,格栅夹层越靠近加铺层层底越有利;在温度荷载作用下,格栅设于加铺层层底,加铺层层底拉应力、拉应变及竖向剪应力最小,格栅设置与否并不影响格栅之上加铺层的拉应力、拉应变,从抗温度作用下的弯拉反射裂缝及BUC开裂的角度来看,建议将格栅设于加铺层层底.     

基于扩展离散元法的钢筋混凝土梁裂缝分析方法

针对传统数值模拟方法难以准确模拟钢筋混凝土(RC)梁开裂的问题,提出一种改进的扩展离散元法(EDEM)。该方法引入拉伸-剪切破坏准则,建立六边形块体模型,块体接触处存在潜在裂缝,根据EDEM计算流程,将满足破坏准则的潜在裂缝转化真实裂缝,实现裂缝的模拟。采用该方法建立二维RC梁模型,开展RC梁四点弯曲试验,结合理论计算,对其开裂模式、跨中位移及固有频率变化规律进行对比。结果表明:随着荷载增大,RC梁底部产生裂缝,当裂缝穿过梁宽度方向3/4时,向加载点方向延伸;基于RC梁跨中位移变化和固有频率连续下降的特征,可确定裂缝扩展和纵向受拉钢筋屈服导致的结构刚度降低过程;EDEM数值模拟结果与理论、试验结果基本吻合,该方法可有效模拟RC梁开裂和扩展过程。     

基于三点弯曲试验的高黏沥青砂应力吸收层的裂缝扩展过程研究

为了研究带3种贯通裂缝的水泥混凝土加铺高黏沥青砂应力吸收层和没有应力吸收层两种结构的反射裂缝的扩展路径与断裂机理,对带3种裂缝的两种结构试件分别进行三点弯曲室内试验。并以扩展有限元方法(XFEM)为基本方法,建立有限元模型对有应力吸收层的加铺层的裂缝扩展过程进行模拟。把扩展有限元模拟结果与室内试验结果进行比较并分析了反射裂缝的力学响应、扩展机理和断裂过程。结果表明:数值计算与试验的结果在断裂形态上相近,两者数据的相关性较高。高黏沥青砂应力吸收层能降低加铺层底部的应力集中,减缓加铺层下部裂缝扩展的速率,达到防治反射裂缝的目的。     

机场复合道面反射裂缝的力学分析

基于弹性断裂力学理论和平面应变假设,应用ABAQUS有限元软件建立了不同深度反射裂缝在不同位置荷载作用下的复合道面有限元模型,分析了不同沥青面层裂缝深度以及不同荷载作用位置对复合道面应力和裂缝尖端应力强度因子的影响,并对A型荷载、B型荷载和C型荷载3种荷载位置在不同裂缝深度的计算结果进行了对比分析。研究结果表明:最大应力随裂缝深度的增加而增加,说明裂缝深度对沥青面层的最大应力有较大的影响;荷载作用位置不同时,沥青面层裂缝中最大应力值相差较大,说明荷载作用位置对沥青面层的最大应力有较大的影响;随着裂缝深度的增大,应力强度因子KI不断增大,说明裂缝的扩展主要受KI的控制;荷载位置不同时,应力强度因子KI值变化较大,说明荷载位置对KI影响显著,且A型荷载影响最大,B型荷载影响次之,C型荷载影响最小。     

半刚性基层沥青路面温缩反射裂缝疲劳扩展分析

为研究半刚性基层沥青路面温缩反射裂缝的疲劳扩展过程,基于断裂能释放率改进的Paris公式,应用扩展有限元方法建立半刚性基层沥青路面反射裂缝的疲劳扩展模型,得到沥青面层内反射裂缝扩展长度与温缩应力循环作用次数之间的关系,并对影响面层反射疲劳裂缝寿命的因素进行了分析。结果表明,极限断裂能释放率较高的沥青混合料具有较长的疲劳寿命,可延缓反射裂缝向面层顶部扩展;沥青面层疲劳寿命随面层厚度增大、基层弹性模量减小而延长;降低基层弹性模量时,裂缝扩展每单位厚度的疲劳寿命会延长,抵抗温缩反射裂缝疲劳扩展的上面层深度也会增加。     

厚沥青路面Top-Down裂缝分析及对路面设计的启示

Top-Down裂缝是厚沥青层路面的主要损坏方式。该文首先对Top-Down裂缝的产生机理进行了分析,然后使用断裂力学和有限元模型,对有裂缝路面的裂缝扩展机理和裂缝的增长阶段进行了研究。结果表明,裂缝扩展的机理主要是拉应力作用,路面结构和荷载谱(大小和位置)也很重要;而荷载位置和温度在沥青混凝土中诱发的劲度梯度,连同沥青和基层的劲度,对裂缝扩展也有重大影响。     

荷载作用下沥青路面表面开裂的扩展

为了研究荷载作用下沥青路面表面开裂的机理,采用不规则颗粒及颗粒接触界面生成的二维算法子程序,在指定的级配类型范围内随机生成沥青路面仿真体,分别赋予级配碎石颗粒和沥青粘结体相应的材料参数,对刹车荷载作用下沥青路面开裂的细观响应进行了分析。数值模拟结果表明:表面裂纹是随机的产生、裂纹路径的扩展是非连续和跳跃式的,局部裂纹相互干涉最后形成贯通的裂缝微扩展带导致了路面的开裂损坏。模拟结果证明了开裂的非连续性。     

基于耗散能评价沥青混合料的疲劳性能

疲劳开裂是由交通荷载重复作用而导致破坏累积的过程,是沥青路面结构破坏的一种主要形式.弯曲疲劳发生的典型模式是:水平拉应变造成沥青混凝土层底部的微裂缝,然后经由重复荷载作用致使微裂缝向上发展,最终导致路面破坏.常用的沥青路面疲劳特性的研究方法有现象学法、断裂力学法和耗散能法.为用不同的耗散能统计指标评价混合料的抗疲劳性能,在不同的加载条件和作用环境下进行两点梁弯曲试验,同时研究了混合料的一些特性,包括劲度模量、耗散能、疲劳寿命和愈合效果.     

竖向预应力对箱梁腹板力学行为影响研究

为了探究配置竖向预应力筋的箱梁腹板开裂荷载的影响及开裂前后力学行为的变化,文章选择较小剪跨比λ=1.15的双悬臂计算模型,模型顶部充分施加纵向预应力,悬臂端分级施加集中荷载,直至腹板出现腹剪裂缝并展开,采用ANSYS建立实体模型,以不张拉竖向预应力、张拉120k N竖向预应力为例,进行结构仿真计算,分析竖向预应力张拉与否对腹板开裂及裂缝开展形态,开裂荷载、开裂前后结构应力、刚度的影响,并对腹板开裂前后竖向预应力筋应力重分配进行了数值分析,得出配置竖向预应力可以显著提高腹板抗裂性,影响裂缝发生及开展形态、提高腹板开裂后结构刚度。文章研究结论对箱梁腹板竖向预应力理论研究及设计具有指导意义。     

透水沥青面层裂缝扩展的动水压力影响分析

水和行车荷载共同作用下,沥青路面结构内部将产生动水压力。为了解随荷载作用变化的动水压力对透水沥青路面结构内部初始裂缝扩展的影响,基于ABAQUS有限元方法和线弹性断裂力学原理,引入裂纹尖端奇异单元,考虑不同的初始裂缝长度,对水和行车荷载共同作用下透水沥青路面结构内部裂缝尖端附近应力场和位移场进行分析,计算相应的张拉型和剪切型应力强度因子。结果表明:水的存在改变了透水沥青路面结构内部的应力场,对荷载作用下沥青面层裂缝的张拉型和剪切型扩展有一定的影响,但由于透水沥青路面结构具有良好的排水性能,可以有效地缓解动水压力对沥青面层已有裂缝的劈裂作用。     

车辆荷载作用下损伤开裂简支空心板的断裂力学特征

准确掌握不同损伤条件下桥梁结构的动态特性及其变化规律是动态检测法快速检测与准确评价桥梁安全性的前提,而目前对车辆荷载作用下不同损伤开裂混凝土梁桥断裂力学特征的研究成果还很不充分。基于断裂力学理论,以钢筋混凝土简支空心板为研究对象,采用有限元数值模拟方法,对车辆荷载作用下损伤开裂混凝土简支空心板的断裂力学特征进行了研究。基于裂缝穿过空心板底部受力筋的层数确定开裂深度,通过对车辆荷载作用下8 m标准跨径混凝土空心板中部不同开裂深度的计算分析,得到了不同工况下空心板横截面上裂缝附近的J积分值均呈现由两侧向中间先增加后减小的规律,即裂缝附近J积分值的大小与空心板横截面的净高有关,净高越小,J积分值越大,净高越大,J积分值越小,且同一加载方式下,裂缝附近J积分值的大小与空心板横截面的净高有关;在相同加载方式下,裂缝附近的J积分值和裂缝开度随着裂缝深度的增加而呈几何加速度增加,各裂缝尖端的Von Mises应力则近似呈现线性增大;在相同裂缝深度时,加载荷载越大,裂缝附近的J积分值也越大,且J积分值在反映载荷变化时具有较高的敏感性。     

环氧沥青混凝土钢桥面铺装层增柔改性技术研究

环氧沥青混凝土钢桥面铺装在固化后比较脆硬,与钢桥面板的变形协调性较差,同时在温度急剧降低时,环氧沥青混合料因其模量很高一般会产生较大的温度内应力,受到车辆交通荷载作用时容易引起桥面铺装层开裂破坏.为此,笔者提出以柔量作为环氧沥青混凝土柔性的评价指标,通过橡胶颗粒来改善环氧沥青混凝土的柔韧性.在材料试验机(MTS810)上进行控制应力低温小梁弯曲试验,研究结果表明,试验所用环氧沥青其橡胶颗粒的最佳掺量为2.1％,此时小梁的柔韧性得到显著改善,其破坏形式由改性前的瞬间脆断变为裂缝逐渐扩展,这对于改善桥面铺装层长期性能具有一定的参考价值.     

混凝土开裂过程扩展有限元数值模拟

介绍用扩展有限元法结合虚拟裂缝模型对混凝土结构进行开裂过程数值模拟的实现方法。对单向拉伸混凝土板和三点弯曲混凝土梁进行开裂过程模拟,重点考察初始裂纹长度、混凝土断裂能对混凝土板和梁开裂特性的影响。计算结果显示,以上参数对混凝土板和梁的开裂特性都有明显影响。     

CRC-AC复合式路面沥青层反射裂缝影响因素分析

应用有限元软件ABAQUS建立有限元模型,采用断裂力学理论及奇异等参元法,对连续配筋混凝土和沥青混凝土(CRC-AC)复合式路面中沥青层反射裂缝问题进行了数值分析。探讨了I型和II型的应力强度因子(K1、K2)在沥青层裂缝扩展过程中的变化规律及路面结构参数对K2的影响。研究结果表明:K2是荷载作用下导致沥青层反射裂缝产生和发展的主要原因,其随着荷位的增大而变小;沥青层厚度的增加、横向裂缝间距的加宽、配筋率的适当增加和底基层强度的提高可以降低K2,延缓CRC-AC复合式路面沥青层反射裂缝的开裂扩展。