有限元-无网格伽辽金耦合方法模拟沥青路面裂纹扩展

基于断裂力学理论,利用无单元伽辽金-有限元耦合方法分析了沥青路面的开裂问题,研究了水平荷载、结构参数等因素的影响。结果显示,水平荷载对沥青路面Top-Down裂纹(TDC)的扩展不利,它使得裂纹尖端的应力强度因子增大,裂纹扩展路径缩短,疲劳寿命减小;交通荷载作用下,沥青面层越薄,越容易产生开裂;Ⅰ、Ⅱ型应力强度因子随着沥青面层模量、基层模量的增加而近似线性增加,裂纹的起裂角随着面层模量的增加而减小,随着基层模量的增加而增大;随着土基弹性模量的增加,Ⅰ型应力强度因子线性减小,裂纹扩展角增大。     

沥青路面表面裂纹扩展路径的数值模拟

应用线弹性断裂力学理论结合考虑交通与温度荷载的有限元方法研究沥青路面表面裂纹扩展路径。采用1/4等参奇异性单元模拟裂纹尖端的应力奇异性,运用窗口移动技术模拟裂纹扩展路径,并开发了沥青路面裂纹扩展模拟程序。计算了三种不同长度的路面表面裂纹分别在5种荷载工况作用下的应力强度因子及裂纹起裂角,并模拟了表面裂纹向下扩展的情况。模拟表明,该方法能较好地模拟裂纹扩展路径,有助于更好地了解沥青路面的开裂行为。     

不同荷载组合作用下Top—Down裂缝扩展行为研究

Top—Down裂缝是沥青路面一种新型早期病害形式,成因复杂,影响深远。本文利用断裂力学有限元数值分析法,应用FRANC2D软件重点分析在交通荷载、温度荷载或两者共同作用下沥青路面的TDC扩展机理。研究表明交通荷载主要造成Ⅰ—Ⅱ复合型裂纹扩展,温度应力主要引起Ⅰ型裂纹扩展。在交通荷载和低温应力的共同作用下,Ⅰ型应力强度因子较大,而Ⅱ型应力强度因子较小。两种应力强度因子以及裂纹起裂角都随着裂纹初始长度的增加而增加。     

正交异性钢桥面板的贯穿型疲劳裂纹扩展特性分析

为了研究钢桥面顶板与U肋焊缝处贯穿型裂纹的应力强度因子和扩展行为,结合线弹性断裂力学理论与ABAQUS-FRANC 3D交互技术,建立了钢桥面顶板焊缝处贯穿型裂纹的数值分析模型,开展了不同初始长度贯穿裂纹应力强度因子的分析和单一长贯穿型裂纹扩展模拟的研究。对比分析了顶板与U肋焊缝细节处不同长度贯穿型裂纹的裂尖应力强度因子,揭示了初始裂纹尺寸与基础裂纹的应力强度因子之间的变化规律,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ对单一长贯穿型裂纹扩展的影响。数值分析结果表明：在规定荷载作用下,基础裂纹尺寸与初始应力强度因子成正比;随着贯穿型裂纹的桥纵向开裂,扩展趋势稳定;对比只考虑I型开裂贯穿型裂纹,引入K_Ⅱ、K_Ⅲ贯穿型裂纹扩展速率明显减缓：贯穿裂纹初始长度相同的情况下,仅考虑K_I的裂纹平均扩展速率为4.097 mm·c^-5,考虑K_Ⅱ、K_Ⅲ的裂纹平均扩展速率为1.565 mm·c^-5,扩展速率抑制效果明显。     

混凝土CCNBD型圆盘试件混合型断裂参数数值模拟研究

提出了一种将交互积分法与扩展有限元法相结合的统一方法,用来评估混凝土中心裂隙圆盘(CCNBD)型试件的混合应力强度因子(SIF)和T应力。为了预测裂纹起始角和断裂阻力以及更好的应用广义最大切向应力(GMTS)标准,对CCNBD型试件的不同预制裂缝角度的无量纲应力强度因子和无量纲T应力因子进行了计算,结果表明所提出的方法与FEOD法非常相一致。     

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。     

水泥路面碎石化层顶部抗裂夹层疲劳性能分析

旧水泥路面碎石化后会显著降低旧路面结构的整体强度,导致沥青加铺层底易产生疲劳开裂破坏,故常在碎石化层顶部增设富油沥青AC-10抗疲劳夹层。文中通过疲劳试验和数值计算,分析不同荷载方式下碎石化层顶抗疲劳夹层的抗裂性能及抗裂力学机理。结果表明,抗疲劳夹层对偏荷载作用下的抗裂效果最明显,但对弯沉影响较小;疲劳试验与数值模拟结果处于同一数级,疲劳寿命预估方程可行;抗疲劳夹层通过改变裂纹边界、形状等延长裂纹扩展路径,降低裂纹尖端奇异性,从而显著提高沥青加铺结构的疲劳寿命。     

基于断裂力学的CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展研究

在线性渐进叠加假定的基础上,对碳纤维增强复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土桥梁的疲劳裂纹扩展速率进行理论分析,在裂纹扩展模型表达式的基础上,通过分析三点弯曲梁应力强度因子与等效裂缝长度之间的关系,求得裂纹扩展速率,进而对CFRP加固桥梁的疲劳寿命进行预估算研究;同时进行了CFRP加固桥梁疲劳裂纹扩展试验研究,通过单、双层CFRP加固试验梁沿布长方向的应变累积分析,阐述了荷载作用下加固梁裂纹扩展速率和扩展行为。结果表明:加固梁在疲劳荷载作用下,CFRP充分发挥了其抗疲劳特性;从理论计算结果与试验值对比情况看,CFRP加固钢筋混凝土桥梁疲劳寿命估算理论计算方法误差较小,满足实际需求。     

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.     

冰劈效应对沥青路面表面裂纹的影响研究

为得到路表凝冰对沥青路面表面裂纹的影响,采用断裂力学及温度场理论计算了温度场作用下、冰劈和温度场同时作用下沥青路面Top-Down裂缝尖端应力场分布。结果表明:Top-Down裂尖应力强度因子随温度变化显著,裂尖张开型应力强度因子约为滑开型应力强度因子的4.4倍,裂纹在温度作用下以张开型开裂为主,Top-Down开裂主要是温度梯度的作用,温度梯度越大,开裂趋势越明显;考虑冰劈效应后,张开型应力强度因子最大值为154.7 k Pa*m1/2,滑开型应力强度因子最大值为85.1 k Pa*m1/2,应力场强度分别较温度单独作用下提高了36.5%和230%,路表凝冰对Top-Down裂纹扩展贡献相当。     

软土地基上含反射裂缝沥青道路的动力响应分析

假定车辆荷载为正弦均匀分布,软土和复合地基变形行为服从DRUCKER-PRAGER弹塑性屈服准则,基于动力学、线弹性断裂力学和弹塑性力学理论,采用平面应变有限单元法,对含反射裂缝的沥青路面结构进行了分析。为了计算应力强度因子,在裂缝尖端设置了奇异单元。分析过程中,以路表、基层底、软土地基顶最大竖向位移和I型应力强度因子作为表征参量,探讨了车辆单周期动荷载作用下,道路结构的阻尼比、复合地基的回弹模量、粘聚力、内摩擦角和厚度的改变对道路结构工作性状的影响。     

水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝扩展性能研究

该文介绍了水泥混凝土路面加铺沥青面层结构抗裂缝扩展性能的研究。为了解不同措施延缓水泥混凝土路面加铺沥青层结构反射裂缝的效果,建立了考虑接缝传荷能力的水泥混凝土路面加铺沥青面层结构三维有限元分析模型,以Paris裂缝扩展寿命描述反射裂缝扩展。研究发现各种措施扩展寿命大小差异与接缝弯沉差有关。防裂贴与应力吸收层组合结构的扩展寿命最大,土工布与防裂贴扩展寿命接近。不同防反措施扩展寿命随接缝弯沉差的衰减速率大小为:防裂贴加应力吸收层,应力吸收层,玻纤格栅,土工布,直接加铺。     

特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层防裂机理分析

反射裂缝是旧水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层的主要病害之一,目前尚无理想的解决方法,针对这一问题,提出了采用特粗粒径沥青碎石AM-40作为裂缝缓解层的方法,利用特粗粒径沥青碎石的多空隙结构阻断裂缝尖端的扩展路径,消散及吸收由交通荷载及环境温度变化所产生的应力及应变,减小接缝处加铺层的应力集中现象。采用三维有限元法对设置普通沥青混凝土与特粗粒径沥青碎石2种类型裂缝缓解层的加铺结构进行力学对比分析可知,后者的荷载应力、温度应力及耦合应力均小于前者的应力值。通过加铺层试验路观测与理论计算分析表明,特粗粒径沥青碎石裂缝缓解层可有效地防止或减缓水泥混凝土路面上沥青混凝土加铺层的反射裂缝。     

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。     

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。     

旧沥青路面裂缝对白色罩面层受力的影响分析

采用有限元方法,分析了旧沥青路面裂缝对白色罩面层受力的影响,得到了板底荷载和温度最大耦合应力随加铺层厚度和模量等参数变化的规律。结果表明:旧沥青路面横向裂缝位于加铺水泥混凝土板板中时,板底荷载应力、温度应力及二者耦合应力均为最大,且随加铺水泥混凝土板模量增加而增大,随水泥加铺层厚度的增加而减少。     

水泥混凝土桥面沥青铺装及防水层荷载弯曲应力分析

针对水泥混凝土桥梁铺装层易发生横向裂缝病害问题,应用梁体结构的线弹性理论与叠加原理,经过分析推证得到了车辆荷载弯矩在水泥混凝土桥梁桥面铺装层及防水层内所产生的弯曲应力计算公式,并编制了相关的计算程序;对设与不设防水层的沥青混凝土铺装层结构进行了数值计算,分析了沥青混凝土铺装层和防水层的模量、厚度等参数变化对铺装层结构弯曲应力的影响,探讨了沥青混凝土和防水层铺装结构内荷载弯曲应力的变化规律。     

节段胶拼箱梁静载试验研究

针对某铁路桥为非标准轨距、非标准活载的节段胶拼预应力混凝土箱梁的结构特点,开展了静载试验以验证节段梁在试验荷载作用下的力学性能,检验梁体的性能指标。试验结果表明：梁体在最大控制荷载作用下,未发现受力裂缝;实测箱梁在静活载作用下最大挠跨比为1/3613;梁底实测最大压应力减小值小于理论计算值,说明节段胶拼不会成为结构的薄弱部位,结构抗裂性、梁体刚度和箱梁底部应力与设计期望值相符,且结构设计具有一定的安全度。本试验方法通过现场荷载试验数据验证理论模型,具有结果准确、效率高的特点,为类似节段预制胶拼箱梁设计和施工提供实践经验。     

钢板-混凝土组合加固矩形梁的抗弯性能试验

为了研究不同设计参数与加固构造对钢板-混凝土组合加固梁抗弯性能的影响,对4根钢板-混凝土组合加固矩形钢筋混凝土梁进行了试验研究及数值与理论分析。试件测量内容主要有荷载、挠度、应变、滑移、裂缝的发生以及发展状况等;然后采用有限元软件ANSYS对试验梁加固后的抗弯性能进行了数值模拟,并依据试验梁达到极限抗弯承载能力时的塑性破坏特征,建立了承载力理论简化计算公式。试验结果表明:钢板-混凝土组合加固可显著提高原梁的极限承载力;植筋间距对加固梁的承载力、新老混凝土界面纵向相对滑移具有显著影响,植筋间距越大则承载力越小,且界面出现纵向相对滑移的荷载值越小;剪跨比对试验梁的破坏形态、极限承载力、界面纵向相对滑移、结构延性均具有显著影响。数值与理论分析结果表明:数值模型能较好模拟试验梁发生弯曲破坏时的受力性能,而对界面滑移与剥离破坏的模拟尚存在不足;理论计算值与试验值在塑性弯曲破坏时吻合较好,脆性剥离破坏时相差较大。     

沥青混合料的疲劳效应研究

对沥青混凝土梁式试件进行不同温度、不同应力水平条件下的拉伸疲劳试验,结果表明累计耗散能与疲劳寿命在双对数坐标中表现出较好的线性关系,温度和应力水平等试验条件对该关系的影响较小可以忽略。因此,指出可以采用累计耗散能理论来分析沥青混凝土的疲劳性能。运用该理论,通过对大量不同试验条件下的疲劳试验结果的分析,建立了沥青混凝土的疲劳方程。