钢板与环氧沥青混凝土的界面缺陷开裂研究及应用

摘要

粘结层是钢桥面铺装的重要组成部分，它将铺装层与钢桥面板粘结成一个整体，增强铺装层与钢桥面板的复合作用。由于在钢桥面铺装中钢桥面板与沥青混凝土铺装层界面两侧材料的力学性能差异，加之钢桥面铺装施工过程中不可避免地会在钢桥面板与沥青混凝土铺装层界面处出现杂质、孔洞与气泡等缺陷，在外力作用时，界面处缺陷将产生应力集中，导致裂纹的萌生、扩展，使得界面成为整个铺装结构中的薄弱环节。本文依托国家自然基金项目《基于细观尺度的钢桥面铺装界面行为特性与抗裂机理研究》(51278518)研究内容的相关部分，以钢桥面板与环氧沥青混凝土之间的界面缺陷裂纹为研究对象，采用试验与数值分析相结合的方法，探讨了钢桥面板与环氧沥青混凝土界面裂纹区域的应力应变特征以及应力强度因子的变化规律。
　　首先，设计进行了含有界面裂纹的钢板与环氧沥青混凝土界面裂纹试件的不同压剪应力比的压剪试验，研究了在不同加载条件下试件的破坏情况;采用数字图像相关方法分析了界面裂纹附近区域的应变场特征。
　　其次，建立了沥青混凝土-粘结层（含界面裂纹）-钢板的有限元力学分析模型，采用基于内聚力模型(CZM)的有限元方法，分析了压剪试验条件下，界面裂纹尖端区域的应力应变特征，并与试验得到的裂纹区域应变场进行对比分析，计算得到了不同条件下的应力强度因子。
　　最后，通过对钢箱梁环氧沥青混凝土铺装层的应力影响范围分析，建立了含有界面裂纹的钢桥面板与环氧沥青混凝土铺装层的有限元简化模型，考虑轮胎与桥面之间的水平作用力，分析在不同水平力系数条件下，界面裂纹尖端的应力场特征，计算了不同水平力系数、铺装层模量、铺装层厚度以及超载率条件下的应力强度因子，对最不利条件下的界面裂纹的扩展情况进行了探讨。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钢桥面铺装病害与粘结层关系

1．2．2 界面裂纹尖端附近区域的应力场研究

1．2．3 界面裂纹应力强度因子的研究

1．2．4 界面裂纹扩展研究

1．3 研究的主要内容

1．4 研究技术路线

第二章 断裂力学基本理论

2．1 裂纹的类型

2．2 裂纹尖端区域的应力特征

2．2．1 张开型(Ⅰ型)裂纹尖端区域的应力特征

2．2．2 滑开型(Ⅱ型)裂纹尖端区域的应力特征

2．2．3 撕开型(Ⅲ型)裂纹尖端区域的应力特征

2．3 应力强度因子及其断裂准则

2．3．1 应力强度因子

2．3．2 断裂韧度及断裂准则

2．4 本章小结

第三章 钢板与环氧沥青混凝土界面缺陷开裂试验研究

3．1 钢板与环氧沥青混凝土界面裂缝开裂试验

3．1．1 试验方案的选取

3．1．2 试验材料及试件的制备

3．1．3 钢板与环氧沥青混凝土粘结界面裂缝开裂试验流程

3．2 数字图像相关方法

3．2．1 图像的预处理

3．2．2 数字图像相关方法计算原理

3．2．3 相关系数

3．2．4 搜索算法

3．3 钢板与环氧沥青混凝土缺陷宏观裂缝试验结果分析

3．4 钢板与环氧沥青混凝土界面裂纹区域的图像计算分析

3．5 本章小结

第四章 钢板与环氧沥青混凝土界面缺陷开裂试验有限元分析

4．1 双线性内聚力模型(CZM)理论简介

4．1．1 双线性内聚力模型

4．1．2 指数模型

4．2 试验有限元模型的建立

4．2．1 模型尺寸以及边界条件

4．2．2 有限单元模型

4．3 钢板与环氧沥青混凝土界面缺陷有限元模拟结果分析

4．3．1 不同加载角度下裂尖附近的应力分布

4．3．2 不同加载角度下应力强度因子的计算结果分析

4．4 有限元应变场与图像分析结果的对比分析

4．5 本章小结

第五章 最不利荷载下钢桥面板与环氧沥青混凝土铺装层界面裂纹分析

5．1 钢桥面板与沥青混凝土铺装层间的应力特征分析

5．1．1 钢桥面铺装截段分析模型及参数

5．1．2 基本假定和荷载及边界条件

5．1．3 最不利荷位下钢桥面铺装层应力分析

5．2 水平力作用下钢桥面板与铺装层界面裂纹局部效应分析

5．2．1 水平力对铺装结构的影响

5．2．2 有限元模型的建立

5．2．3 计算结果分析

5．3 不同因素对应力强度因子的影响分析

5．4 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 本文的主要结论

6．2 进一步研究的设想

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文