沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

摘要

疲劳开裂是沥青路面结构的主要破坏形式之一，而损伤演化是伴随疲劳过程发生的。采用疲劳损伤理论来分析沥青路面的疲劳开裂问题是目前的研究热点之一，但由于沥青混合料具有明显的粘弹性性质，采用传统的疲劳损伤理论无法反映温度和频率对疲劳损伤演化的影响，分析沥青路面的疲劳损伤问题所得结论将具有一定的局限性。 本文首先分析了路面行车荷载周期作用下沥青路面的粘弹性应力响应规律，近似的定性分析和结构计算都表明，可以将沥青路面周期荷载作用下应力的周期变化简化成半正弦波形式，并具有与行车荷载变化相同的频率。这种简化处理为本文后续的沥青混合料粘弹性模型的建立和沥青路面粘弹性疲劳损伤分析奠定了基础。 在上述分析的基础上，从沥青混合料的粘弹性性质出发，利用能量耗散的观点，经理论推导得到了沥青混合料的粘弹性疲劳损伤模型，该模型能够综合反映温度、荷载大小和加载频率对疲劳损伤演化的影响。分析表明，可以利用该模型来分析沥青路面裂纹形成阶段的疲劳寿命问题。在模型建立的过程中，还提出了一种比较直观的新的疲劳损伤累积规律的判断方法，并从理论上探讨了“损伤等效状态”是否存在的问题，分析了室内试验证明不了“损伤等效状态”存在的原因。 针对本文建立的粘弹性疲劳损伤模型，进行了沥青混合料的室内试验，包括应力松弛试验和疲劳损伤试验，由前者得到沥青混合料的粘弹性材料参数，通过后者得到沥青混合了粘弹性疲劳损伤模型参数。分析了目前常用的沥青混合料室内疲劳试验方法在粘弹性疲劳损伤参数确定方面的适用性问题。 针对粘弹性疲劳损伤计算时间太长以致无法得到实际应用的问题，本文在分析目前疲劳损伤计算分析存在问题的基础上，提出了一种粘弹性疲劳损伤的简化计算方法，该方法可以大量减少计算时间，是原本无法完成的粘弹性疲劳损伤分析问题变为可能。 最后，本文利用所建立的粘弹性疲劳损伤模型和粘弹性疲劳损伤计算方法分析预测了沥青路面疲劳裂纹形成阶段的寿命，结果表明，本文所提出的模型和计算方法是可行的。

目录

文摘

英文文摘

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第一章概述

1.1国内外研究概况

1.1.1损伤力学研究概况

1.1.2沥青路面疲劳损伤研究概况

1.1.3疲劳损伤计算分析概况

1.2研究的意义

1.3研究内容

第二章粘弹性疲劳损伤理论

2.1粘弹性材料本构理论

2.1.1粘弹性材料的积分型本构方程

2.1.2粘弹性本构模型理论

2.1.4粘弹性材料的时间—温度、温度—频率等效原理

2.2疲劳损伤模型理论

2.2.1热力学基本方程

2.2.2损伤变量

2.2.3有效应力和应变等效假设

2.2.4受损材料的本构方程

2.2.5疲劳损伤模型

第三章沥青混合料粘弹性疲劳损伤模型研究

3.1沥青路面实际应力状况分析

3.2粘弹性疲劳损伤模型的建立

3.2.1基于静态蠕变柔量的粘弹性疲劳损伤模型的建立

3.2.2基于复蠕变柔量的粘弹性疲劳损伤模型的建立

3.3疲劳损伤累积规律的判断方法

3.3.1损伤等效状态描述

3.3.2损伤增量判断法

3.3.3与传统判断方法的比较

3.3.4“等效损伤状态”探讨

3.4粘弹性疲劳损伤模型分析

3.4.1模型分析

3.4.2模型在沥青路面疲劳损伤分析中的适用性分析

3.4.3模型损伤参数确定方法

3.6本章小结

第四章沥青混合料疲劳损伤试验研究

4.1疲劳损伤试验研究概况

4.2试验方法的确定

4.2.1疲劳试验方法

4.2.2控制应力疲劳试验方法的粘弹性适用性分析

4.2.3试验方法

4.2.4试验材料及试件制备

4.3粘弹性模型参数试验

4.3.1应力松弛试验

4.3.2疲劳损伤试验

4.4本章小结

第五章沥青路面粘弹性疲劳损伤分析

5.1沥青路面疲劳损伤分析方法概况

5.2周期荷载下沥青路面粘弹性应力响应分析

5.3沥青路面粘弹性疲劳损伤分析简化方法

5.3.1存在的问题

5.3.2疲劳损伤计算新方法

5.3.3新疲劳损伤计算方法优势

5.3.4粘弹性疲劳损伤分析简化方法

5.4考虑材料粘弹性的沥青路面荷载应力分析

5.4.1路面结构1应力分析

5.4.2路面结构2应力分析

5.5沥青路面粘弹性疲劳损伤寿命预测

5.5.1轴载调查

5.5.2温度场分析

5.5.3应力计算周期确定

5.5.4裂纹形成疲劳寿命预估

5.6本章小结

第六章结论及展望

6.1本文主要结论

6.2本文创新点

6.3有待进一步研究的问题

参考文献

致谢

攻读博士学位期间参加的科研项目及发表的主要论文