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。     

正交异性钢桥面板典型疲劳细节变形与裂纹尖端应力分析

为了解车轮荷载作用对正交异性钢桥面板典型疲劳细节的影响,以长门特大桥为背景,采用有限元法建立正交异性钢桥面板节段模型及易开裂部位的子模型,分析在不同横向荷载分布下3处典型疲劳细节受力及面内外变形,得到各细节最不利加载位置。对最不利位置进行加载,分析疲劳裂纹尖端应力强度因子变化规律,研究不同疲劳细节裂纹类型及扩展能力。结果表明:单轮荷载作用下,横隔板弧形缺口位置会发生面内外变形,顶板-U肋焊根处以面外变形为主,横隔板间的顶板-U肋焊缝焊根位置面外变形最大。在裂纹较短时,随着长度的增加,弧形缺口裂纹从张开型裂纹逐渐转向张开型、滑开型混合裂纹,且横隔板处的顶板-U肋焊根裂纹为复合型裂纹,横隔板间的顶板-U肋焊根裂纹为张开型裂纹。横隔板弧形缺口裂纹和顶板-U肋焊缝焊根裂纹的尖端应力强度因子的最大值,分别出现在裂纹长度为20 mm和40 mm附近,该处裂纹较容易继续扩展。     

初始缺陷角度对钢桥面纵肋顶板焊缝应力强度因子影响分析

初始缺陷在钢桥面板工厂焊接加工时难以避免,是影响钢桥面疲劳性能的重要内在因素。为研究初始缺陷角度对纵肋顶板焊缝疲劳开裂的影响,建立了包含典型初始缺陷工况条件下的有限元模型,分析得到了裂纹前缘应力强度因子。计算结果表明：竖向初始缺陷状态下的裂纹扩展能力最强;初始缺陷从竖向偏转至45°过程中,偏转角越大,张开型应力强度因子越小,滑开型和撕开型应力强度因子越大。断裂参数数值计算方法与分析结果可为相关钢桥面构造抗疲劳分析提供参考。     

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。     

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。     

路基不均匀沉降对沥青路面Top-Down开裂影响分析

为研究路基不均匀沉降对沥青路面Top-Down开裂的影响规律,通过有限元软件建立路基不均匀沉降作用下半刚性基层沥青路面结构三维仿真模型,结合工程实际简化路基不均匀沉降效果并标定有限元模型的参数值,分析沉降对Top-Down开裂的影响和裂纹位置对Top-Down裂纹扩展变化的影响.结果表明,沉降对Top-Down裂纹扩展...     

冰劈效应对沥青路面表面裂缝的影响性分析

为研究冻融交替季节冰劈效应对沥青混凝土路面表面裂缝扩展的作用,基于断裂力学方法,采用ABAQUS有限元分析软件建立了路面结构模型,分别研究了路表裂缝在冰劈效应、温缩效应及二者结合作用下的应力强度因子随缝隙内积水深度、裂缝宽度以及裂缝长度等影响因素的变化规律及其相互之间的Pearson相关系数.研究结果表明:冰劈效应下,...     

沥青路面Top-Down裂缝产生的原因分析

为深入了解Top-Down裂缝病害成因机理,以某高速公路发生的裂缝病害为例,通过路面结构力学分析认为交通荷载作用不是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因,通过路面温度场实测、沥青老化试验、不同老化程度沥青混合料的低温弯曲应变和弯曲劲度模量分析,认为温度疲劳作用是造成沥青路面自上而下开裂的主要原因,沥青路面表面的拉应力则加剧了这种开裂。     

温度荷载下沥青路面裂缝扩展的数值模拟研究

基于线弹性断裂力学的有限元法,分析了沥青路面开裂以后的温度应力及裂缝在温度作用下的扩展规律,对裂缝尖端的应力强度因子及其与路面温度分布和路面材料特性参数之间的关系进行了数值分析。分析结果表明,在沥青路面的抗裂设计中,合理设计沥青面层的厚度和优选温缩性小的路面材料是提高沥青路面抗裂性能的两个重要方面。     

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。     

柔性基层沥青路面在动荷载作用下Top-Down开裂模拟研究

针对柔性基层沥青路面主要病害形式Top-Down开裂开展病害机理研究,为病害预防提供技术支持,有助于提高道路服务水平,延长路面使用寿命。首先,对国内外目前柔性基层沥青路面Top-Down开裂研究成果进行了对比研究,分析了不同研究成果中对于Top-Down开裂形式、裂缝形成与发展机理提出的一致以及尚未达成共识的结论,确定以动态荷载下路面结构厚度、车辆荷载作为主要分析对象。然后,利用有限元计算软件进行实体建模,参考国内已建成道路选定代表路面结构,确定各项路面参数,基于子午线轮胎按照三向应力建模;分析动荷载作用下的应力最不利位置以及应力分布;选取车辆荷载作为主要变量,对动荷载作用下柔性基层沥青路面Top-Down裂缝起裂和发展的影响因素进行研究。基于断裂力学,以轴载和路面结构层厚度为主要变量,对微裂缝出现后影响裂缝发展的不同因素进行了对比。结果显示:当路面处于完整、连续的工作状态时,在动荷载作用下,剪应力τ是TopDown裂缝形成的主要原因;当路表出现微裂缝后,轴载对于裂缝发展的影响要远大于路面处于完整、连续状态时轴载的影响,应力强度因子K_Ⅰ和K_Ⅱ的峰值显著提高,建议在柔性基层路面设计、验算时加入剪应力验算指标。     

沥青路面Top-Down开裂成因的有限元分析

源于路表面的轮迹带附近的纵向开裂(Top-Down开裂)是重交通沥青路面的主要损坏类型之一,也是国际沥青路面工程界对道路损坏研究的新热点。为此在实测轮胎接地压力的基础上,建立了路面结构的三维有限元模型,计算出4条实际道路的最大拉、剪应力值及其位置,绘制了它们的等值线图。对最大拉、剪应力位置与开裂现象,最大应力值与应力强度进行了比较和分析。分析结果表明,轮载下强大的剪应力是造成Top-Down开裂的主要原因。     

基于交变载荷下沥青路面使用寿命研究

运用断裂力学的相关理论,结合有限元方法,建立含表面裂缝的沥青路面结构三维有限元模型,计算了表面裂缝尖端的应力强度因子,通过分析裂缝的疲劳扩展来预测沥青路面的使用寿命。研究结果表明:表面裂纹形成初期,水平荷载对路面表面裂缝扩展影响较大。裂纹扩展阶段,张开型破坏占裂纹扩展的主导作用;增加面层厚度能有效抑制沥青路层裂缝的扩展;面层厚度增加,基层厚度增加,基层模量增大,面层模量降低,沥青路面疲劳寿命增速越大,疲劳寿命越长,但基层模量增加过大,易导致路面干缩开裂。     

适用于高海拔山区公路超疏水抗凝冰材料的制备及性能研究

为了解决我国西部高海拔山区公路在冬季的暗冰危害问题,克服既有融雪化冰技术的不足,制备了一种超疏水抗凝冰材料,实现雨水在路表呈球形而迅速排走,从而减小凝冰厚度及其与路面的附着力。通过对比试验,进行了抗凝冰材料的配方设计,并结合公路行驶性能的要求,完成了配方优化;最后系统地测试了超疏水抗凝冰材料的抗凝冰作用机制、使用寿命及抗滑性能。结果表明,超疏水通过自身的超疏水作用和密水功能实现抗凝冰的目的,与沥青路面有良好的黏结性能、抗老化性能及耐磨性,保障了其使用寿命;抗凝冰材料会导致非凝冰状态下路面的抗滑性略有下降,但能明显提高凝冰状态下路面的抗滑性,保障了高海拔山区的道路交通安全性。     

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。     

不同沥青路面结构反射裂缝产生与扩展影响因素分析

以路面温度场和路面结构受力特性作为反射裂缝产生与扩展的主要因素,分析了广西地区典型结构下温度场分布、沥青层厚度、结构组合、重载等因素对基层开裂的产生及向上扩展的影响。结果表明,较薄的沥青面层在温度场分布、应力场分布上都会对基层产生不利影响,在重交通条件下会加速基层开裂;在半刚性基层沥青路面结构中,基层开裂后,在重交通条件下沥青层越薄,裂缝处的应力强度因子越大,越容易开裂;在复合式路面结构中,应力强度因子随复合式路面结构加铺层厚度的增加而减小,沥青层每增加1cm,应力强度因子平均衰减12%。     

西南地区沥青路面温度应力的有限元分析

温度作用引起的沥青路面开裂是沥青路面使用中的主要病害之一.通过对西南地区高温季节和低温季节的温度场、温度梯度以及路面受力情况进行分析,得出西南地区冬季寒冷季节气温变化对路面的影响仅限于路表,基层及以下土层处于稳定的受压状态;夏季炎热季节气温变化对路面温度影响的幅度较大,温度应力变化幅度也较大的结论.     

应力吸收层对最不利位置上应力强度因子的影响

通过使用ANSYS有限元软件,对偏栽作用下设置应力吸收层的复合式路面最不利位置的应力进行了分析,结果显示设置应力吸收层能明显减小应力强度因子;并通过计算张开型裂缝(Ⅰ型)和剪切型裂缝(Ⅱ型)应力强度因子KⅠ与KⅡ,讨论应力吸收层对裂缝开裂方向的影响.     

降温过程对沥青路面Top-Down开裂的影响

以半刚性基层沥青路面结构作为研究对象,采用Ansys有限元程序建立沥青面层预含不同深度的初始裂缝的二维有限元模型,研究不同降温过程对沥青面层的力学影响.结果表明:存在微裂纹的沥青路面,在急剧的降温过程中可能导致面层产生Top-Down裂缝.降温过程中,拉应力随着深度的增加逐渐减小;初始裂缝深度越长,降温过程中张开型断裂...     

钢桥面板纵肋对接焊缝疲劳裂纹扩展特性及加固方法研究

针对钢桥面板纵肋对接焊缝中典型的疲劳开裂情况,为研究萌生于该处的疲劳裂纹在后期扩展过程中所表现的特征,以及根据其扩展机理采用在纵肋底板栓接钢板的加固效果的评估,利用Ansys软件建立了纵肋对接焊缝处的疲劳裂纹有限元模型,采用相互作用积分与有限元相结合的方法得到的裂纹前缘应力强度因子来对研究对象进行分析。结果表明:纵肋对接焊缝处疲劳裂纹的扩展过程中Ⅰ型应力强度因子KⅠ与等效应力强度因子Keff之间数值差距很小,Ⅰ型(张开型)开裂模式在扩展过程中占主导地位;Ⅰ型应力强度因子KⅠ随着裂纹扩展尺寸的增加一直处于增大的趋势,由于应力强度因子是裂纹扩展速率的主要参量,疲劳裂纹扩展速率随着裂纹扩展的进行而逐渐增大;通过对纵肋底板栓接钢板加固措施的理论分析,该加固方法能够大幅改善纵肋对接焊缝疲劳裂纹前缘的应力强度因子,使疲劳裂纹的扩展得到有效控制。