分离式混凝土路面加铺层反射裂缝疲劳扩展三维有限元分析

摘要

水泥混凝土路面作为刚性路面的典型代表之一，其优异的耐久性和稳定性得到了众多研究学者的广泛认可，已被广泛的应用于各种道路工程设计中。在刚性路面的修复技术上，分离式混凝土加铺技术以其良好的加铺效果和较高的施工效率，逐渐受到专家学者们的青睐。然而，由于实际工程设计中长期缺乏完备的理论依据，反射裂缝疲劳扩展的力学机理又尚未得到充分的认识，这使得目前对分离式加铺层的设计仍停留在半理论半经验的探索阶段。因此，完整的观察反射裂缝在分离式混凝土加铺层中的扩展过程，充分认识反射裂缝的疲劳扩展机理及裂纹形态变化，全面的分析各层厚度对加铺层疲劳寿命的影响，对加铺材料性能的评估、加铺厚度的合理取值、加铺方法的改进优化等方面都有着非常重要的意义。
　　针对以上提出的研究目标，本文首先回顾了大量的国内外相关文献，针对现有理论研究的不足提出了本文的研究思路和方法，确定了以线弹性断裂力学为核心的理论分析基础，并借助ABAQUS中的扩展有限元模块实现了疲劳裂纹的连续扩展，建立了带贯穿裂纹的分离式混凝土路面三维有限元模型，并对其进行了移动荷载下的疲劳计算和分析。模型提交之前，本文对上述模型进行了进一步优化，从网格规则性和网格敏感性的角度对模型的网格划分提出了具体的要求，保证了计算结果的可靠有效。另外，针对材料的疲劳参数，本文从具体的疲劳实验出发，通过对疲劳参数的标定与修正，得到了本文模型所适合的疲劳参数取值，最终将值代入模型进行计算。
　　最后的结果表明：三维模型中的反射裂缝在不同的扩展阶段、不同的几何部位、不同的参数影响下有着不同的裂纹形态，但仍以Ⅰ型疲劳开裂为主；其次，荷载作用对分离式路面后期疲劳破坏的贡献是较小的，这在疲劳寿命增量的变化中得以体现；另外，各层厚度的变化对加铺层疲劳寿命的影响较大，其中，加铺层厚度的变化对其影响最大；最后，本文基于计算的结果提出了一定适用范围内的加铺层最小厚度取值，为实际工程和后续研究提供理论参考和依据。

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1 绪 论

1.1 引言

1.2 分离式加铺层路面研究概况

1.2.1 基本结构形式

1.2.2 研究背景及现状

1.2.3 存在的问题

1.3 本文的主要研究内容和技术路线

1.3.1 主要研究内容

1.3.2 技术路线

1.3.3 论文组织

2 有限元模型的建立

2.1 核心理论

2.1.1 线弹性断裂力学

2.1.2 虚拟裂纹闭合法

2.1.3 Paris疲劳扩展律

2.1.4 网格敏感性

2.1.5 扩展有限单元法

2.1.6 Direct Cyclic算法

2.1.7 ABAQUS的计算流程

2.2 模型的建立

2.2.1 模型基本假定

2.2.2 结构基本尺寸和材料参数

2.2.3 移动荷载的施加

2.2.4 网格划分

2.2.5 边界条件

2.3 总结

3 材料疲劳参数的标定

3.1 网格敏感性分析

3.2 疲劳参数的标定

3.2.1 水泥混凝土疲劳参数标定

3.2.2 沥青混凝土疲劳参数标定

3.3 疲劳参数的修正

3.3.1 三维路面模型KIC的计算

3.3.2 水泥混凝土疲劳参数修正

3.3.3 沥青混凝土疲劳参数修正

3.3.4 针对B和d0的讨论

4 结果分析

4.1 疲劳裂纹扩展机理分析

4.2 结构疲劳寿命分析

5 总结与展望

5.1 全文总结

5.2 本文创新点

5.3 今后研究展望

5.3.1 本文的不足

5.3.2 研究展望

致谢

参考文献