路面材料疲劳损伤分析及疲劳寿命预估

针对路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化及疲劳寿命,运用损伤力学相关理论建立梁式结构的疲劳损伤演化模型,并结合小梁疲劳试验,分析路面材料小梁试件在重复加载下的疲劳损伤演化规律及疲劳寿命。结果表明,对于沥青混合料、水泥稳定碎石、二灰土3种材料而言,当疲劳损伤演化模型指数p分别取4.0、7.2、6.3时,理论分析得到的小梁跨中挠度和疲劳寿命与试验结果比较接近;对于3种材料的小梁试件,随着荷载循环次数的增加,小梁底缘中点的损伤度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,体现出非线性变化的规律;随着荷载循环次数的增加,小梁跨中挠度逐渐增加,且增加的幅度逐渐增大,与损伤度的变化规律一致。     

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。     

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。     

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.     

高寒高海拔地区沥青路面季节性损伤对比分析

根据交通量调查结果,设计了复合结构、半刚性结构、柔性结构和倒装结构4种沥青路面,利用数值分析计算得到不同条件下4种结构的季节性损伤率和预期寿命,并根据试验路铺筑调查,对高寒高海拔路面结构设计提出建议。计算结果显示,分别以疲劳开裂和永久变形为损伤控制模式计算得到的路面季节性损伤率和预期寿命均有较大差别;以永久变形为控制模式时,春融会造成路面预期寿命的大幅降低;不考虑春融时,柔性结构的最终预期寿命最长为20. 3 a,而考虑春融时半刚性结构的最终预期寿命最长为18. 2 a。     

沥青混凝土路面多孔混凝土基层的疲劳性能

多孔混凝土作为沥青混凝土路面的基层时,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,建立了多孔混凝土作为沥青混凝土路面基层时,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。     

荷载作用下路面混凝土的抗折性能研究

文中研究了25%,50%,75%应力水平荷载疲劳作用不同次数下路面混凝土抗折强度的变化规律,同时对其作用下路面混凝土的疲劳寿命进行了研究。结果表明,25%应力水平荷载疲劳作用对路面混凝土的抗折强度基本没有影响。50%,75%应力水平荷载疲劳作用随着应力水平的提高和疲劳作用次数的增多其对路面混凝土抗折强度的影响也越大。荷载应力水平越高路面混凝土的疲劳寿命越短。     

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。     

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。     

材料粘弹性对沥青混凝土钢桥面铺装结构疲劳寿命预估的影响

为研究材料粘弹性对钢桥面浇注式沥青混凝土铺装结构疲劳寿命预估结果的影响,建立粘弹性有限元模型,分析不同荷载作用次数下铺装结构表面拉应变的变化规律,并基于应变控制的铺装面层混凝土疲劳方程预估铺装的使用寿命。结果表明:由于受材料粘弹性特性影响,随着荷载作用次数增加,钢桥面铺装表面拉应变也随之增大,铺装疲劳寿命降低;荷载作用20 000次前变化更为明显,其后则趋于平缓。     

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。     

水泥冷再生材料疲劳性能研究

通过冷再生道路基层材料的疲劳性能试验,采用双参数Weibull分布来分析冷再生混合料疲劳寿命的概率分布状况,结合规范中相关公式,推求冷再生材料的容许拉应力与疲劳寿命的关系方程.结果表明:4种材料中纯冷再生材料的疲劳性能最差,其对应力比的敏感性较差,在高应力状态下冷再生材料有潜在的抗疲劳优势;基于材料容许拉应力-荷载作用次数的疲劳方程简单适用,计算结果与疲劳试验结果一致.     

钢渣粉煤灰基层的疲劳性能研究

钢渣粉煤灰作为沥青混凝土路面的基层时,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。该文通过MTS进行室内小梁弯拉疲劳试验,建立了不同应力水平的疲劳方程;并与半刚性基层材料的疲劳性能进行了比较,得到了一些有价值的结论。     

空隙率对沥青混凝土性能影响的模型研究

采用北卡罗来纳州常用的两种沥青混合料,通过轴向压力复数模量试验、间接拉伸疲劳试验和三轴重复荷载永久变形试验,将空隙率作为影响参数,确立了沥青混凝土的空隙率与动态模量、疲劳寿命以及永久变形之间的函数关系力学模型。     

多孔混凝土基层疲劳特性及其轴载换算公式研究

多孔混凝土作为水泥混凝土路面或沥青路面基层时,和面层一起受到车辆荷载和温度应力的反复作用,路面应力分析和结构设计中需考虑其疲劳性能。文章在室内多孔混凝土室内小梁弯拉疲劳试验的基础上,通过分析疲劳寿命试验数据的概率分布,得出其疲劳寿命服从双参数威布尔分布,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。根据得出的疲劳方程提出了多孔混凝土作为水泥混凝土路面基层进行路面结构设计的轴载换算公式。     

英国柔性路面设计方法简介

英国现行柔性路面结构设计方法,是1987年颁布实施的新建道路结构设计规范的一部分.该设计方法以永久变形(车辙深度)与疲劳开裂作为柔性路面结构厚度的设计准则,其极限条件是对新建柔性路面要求在设计年限内不能出现大于10mm的车辙深度;也不能出现因车辆荷载作用而产生疲劳裂缝.这种方法     

半刚性基层材料弯拉强度试验影响因素研究

本文通过分析和研究济青高速公路旧路面铣刨完的半刚性基层材料的室内弯拉强度试验,从加载速度、成型方式以及强度变异对应应力比三个影响因素方面进行探讨,可以得出在同样的试验条件下,试验中加载速度愈慢,弯拉强度愈小;成型试件的方式对半刚性基层材料的弯拉强度影响也非常大,振动成型方式获得的试件能够形成相对密实的结构,力学性能相对较好,获得平均弯拉强度较大,比静压成型方式更为合理;由于在同一疲劳荷载作用下,导致用弯拉强度的平均值来确定旧路面达到平衡湿度的半刚性基层材料疲劳试验的加载次数结果有很大出入,计算出的疲劳方程也因此不准确,判断半刚性基层的使用寿命和残余寿命的可靠性差。     

重载对以弹性模型表征的沥青路面使用性能的影响

利用ABAQUS有限元分析软件,采用弹性本构模型表征沥青混合料的材料性质,结合JTG D50-2017《公路沥青路面设计规范》,分析重载对沥青路面使用性能的影响。结果表明,路表弯沉随着轴重的增长呈线性增长,重载会大大降低结构承载能力;重载作用使路面结构产生相同永久变形量所需荷载作用次数急剧降低;随着轴重的增加,中面层中的剪应力线性增长,加速沥青路面的剪切破坏;沥青面层和无机结合料层的疲劳寿命随轴重的增加呈幂函数形式减小;土基顶面产生相同压应变所需轴载作用次数随轴重的增加急剧减小。     

沥青混合料劈裂疲劳过程刚度衰减及路面模拟分析

为研究沥青混合料在使用过程中材料属性的变化规律,选择典型路面结构为载体探讨沥青混合料刚度衰减规律及衰减后路面力学状态。以AC-13C、AC-20C、AC-25C沥青混合料为研究对象,设计劈裂强度试验、劈裂疲劳试验得到其疲劳寿命。通过定义沥青混合料不同损伤程度D(0%、20%、40%、50%、60%、80%)及寿命比S,得出各疲劳损伤程度下沥青混合料疲劳作用次数。通过类比沥青混合料抗压回弹模量测试方法,提出了测定疲劳损伤后的劈裂回弹模量测试方法,导出劈裂刚度模量E的表达式;建立随疲劳损伤过程沥青混合料刚度衰减规律。通过ABAQUS有限元法模拟路面结构层和受力状况,将不同损伤程度刚度模量赋值于路面层状模型中,导出上面层竖向位移和下面层层底拉应力参数。结果表明:随着使用过程疲劳损伤不断累积,沥青混合料能刚度模量不断衰减;并且随刚度衰减,面层层底拉应力增加上面层抵抗变形能力下降而变形增加。     

水泥灌浆半柔性路面混合料抗车辙性能研究

在大空隙(20%～30%)母体沥青混合料中灌入水泥砂浆,形成一种水泥-沥青复合半柔性路面材料。对其抗车辙性能和疲劳特性进行室内试验研究,结果表明,此路面材料具有良好的高温稳定性,在试验温度为70℃、轮胎接地压强为1.0 MPa非常规车辙试验条件下,其动稳定度均在6 000以上,与常规沥青混合料相比较,其更能适应高温和重载作用下的路面抗变形需要;温度对半柔性路面材料的抗裂性能有明显影响,断裂强度随着温度降低而增大。