车辆冲击荷载作用下水泥混凝土路面疲劳裂缝扩展研究

摘要

水泥混凝土路面因强度高、稳定性好、耐高温、耐磨耗、造价低等优点，在中国各等级公路尤其是城市道路建设中得到了广泛的应用。水泥混凝土路面因摊铺过程中养护不及时，建成投入使用后在车辆荷载的作用下，将可能导致路面结构裂缝萌生扩展甚至破坏。研究表明:超速是引起交通事故的主要原因，因此需对存在安全隐患的路段设置减速带，限制车辆行驶速度。车辆以一定速度通过减速带将不可避免的产生跳车现象，对车辆通过减速带后一侧的水泥混凝土路面产生冲击作用。若车辆冲击作用区域附近水泥混凝土路面含有结构裂缝，往复车辆冲击荷载作用下路面裂缝极易产生疲劳扩展，加速水泥混凝土路面结构的破坏。本文利用Abaqus有限元软件建立车辆冲击荷载作用下含裂缝的水泥混凝土路面结构三维数值模型，分析了车辆冲击荷载下水泥混凝土路面结构的响应，并提出了含裂缝的水泥混凝土路面减速带设置的合理位置建议表达式，同时验证了路面边缘设有雨水口时该建议公式的适用性和正确性，为含裂缝缺陷的水泥混凝土路面减速带位置的选择提供了新思路。冲击荷载作用形式的准确描述是研究疲劳裂缝扩展的基础，应用冲量定理将车辆冲击荷载作用等效为峰值荷载，并简化荷载随时间的变化曲线，进而通过拟静力的方式模拟了带裂缝水泥混凝土路面在车辆冲击荷载作用下路面疲劳裂缝的扩展过程。主要工作如下:
　　1、推导了扩展有限单元法不连续单元位移场的计算格式，该方法通过添加不连续项，利用单元节点位移与形函数的乘积表征单元位移场的不连续特性。在役水泥混凝土路面主要承受弯拉应力，采用Abaqus有限元软件中的XFEM模块建立了忽略结构层间相互作用的简化水泥混凝土路面模型，分析路面两端受张拉应力作用时路面裂缝裂尖应力强度因子，其结果与解析解吻合较好。
　　2、根据《城市道路工程设计规范》(CJJ37-2012)，建立了水泥混凝土路面板最不利位置含裂缝的数值模型，分析不同初始长度/深度的裂缝受不同位置车辆冲击荷载作用时路面裂缝的应力响应。研究结果表明:车辆冲击荷载作用位置与裂缝间距小于0.2m时，裂缝前沿区域产生明显的应力集中现象;车辆冲击荷载作用位置与裂缝间距大于0.5m时，车辆冲击荷载对路面裂缝的影响很小，可忽略。据此给出了减速带位置与车速之间的建议表达式:L*=L+v×0.1313，进而分析了沿道路边缘设置的雨水口对路面结构的影响，结果表明雨水口对建议表达式的影响可忽略不计。
　　3、研究建立了车辆冲击荷载作用下水泥混凝土路面疲劳裂缝扩展模型。应用冲量定理将车辆冲击荷载作用等效为峰值荷载，并简化荷载随时间的变化曲线，使之更便于应用Abaqus程序的疲劳分析模块。研究结果表明:top-down裂缝产生疲劳扩展时首先沿着路面表面扩展，再沿路面深度方向扩展;沿路面深度贯穿的裂缝在最不利位置的荷载作用下，裂缝绕着荷载作用区域扩展，导致路面成块状破坏。车辆冲击荷载作用位置与裂缝的距离大于0.5m时，车辆冲击荷载对路面裂缝的疲劳扩展影响可忽略不计，进而验证了本文提出的减速带位置设置建议表达式的正确性。

目录

声明

摘要

1．1 研究背景及选题意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 水泥混凝土路面计算理论

1．2．2 水泥混凝土路面冲击作用研究现状

1．2．3 水泥混凝土路面断裂研究现状

1．2．4 扩展有限单元法在道路研究中的应用

1．3 本文主要内容

1．4 主要创新点

2．1 引言

2．2 控制方程

2．3 单元位移场

2．3．1 贯穿单元位移场

2．3．2 裂尖单元位移场

2．3．3 混合单元位移场

2．4 刚度方程

2．5 积分点选取

2．6 动态问题

2．7 相互作用积分

2．8 算例分析

2．9 本章小结

3．1 引言

3．2 有限元计算模型

3．2．1 模型概况

3．2．2 计算参数

3．2．3 车辆荷载简化

3．2．4 减速带选择

3．2．5 边界条件

3．2．6 冲击荷载的模拟

3．3 沿路面深度方向贯穿裂缝冲击荷载响应分析

3．3．1 冲击位置对裂纹的影响

3．3．2 裂缝长度对路面的影响

3．3．3 雨水口对裂缝扩展的影响

3．4 冲击作用下top-down裂缝响应

3．4．1 top-down裂缝模型

3．4．2 冲击作用位置对top-down裂缝的影响

3．4．3 裂缝深度对冲击作用的影响

3．5 冲击作用下bottom-up裂缝响应

3．5．2 车辆冲击作用位置对bottom-up裂缝的影响

3．5．3 裂缝深度对冲击作用的影响

3．5．4 奇异单元法检验

3．6 本章小结

第四章 冲击作用下水泥混凝土路面裂缝疲劳扩展分析

4．1 引言

4．2 疲劳断裂理论

4．2．1 S-N曲线

4．2．2 PM准则

4．2．3 Paris公式

4．3 Abaqus疲劳分析

4．4 冲击荷载作用下的疲劳扩展

4．4．1 疲劳模型

4．4．2 冲击荷载等效

4．5 沿深度方向贯穿裂缝

4．6 沿路宽方向贯穿裂缝

4．6．1 bottom-up裂缝

4．6．2 top-down裂缝

4．7 本章小结

5．1 主要结论

5．2 研究展望

参考文献

致谢