砼弯坡桥沥青铺装系与载重子午胎全耦合响应研究

摘要

传统上对桥面沥青铺装层的力学响应研究大多基于恒等于胎压的圆形或矩形均布荷载假定，这仅适于轻轴载、低胎压、平直桥、匀速行驶等情况。国外也有采用实体轮胎对足尺试件进行加速加载试验的，但成本极高。随着高架立交、匝道等小半径、大纵坡砼弯坡桥日益增多以及425等新型宽基单胎的逐渐使用，均布荷载响应研究已难以满足弯坡条件下沥青铺装层力学响应分析，尤其桥梁、荷载模型及轮胎胎型对铺装层响应是否有影响及其影响到底有多大都有待于深入研究。比较理想的方法是将一定负荷的实体轮胎模型直接与弯坡桥沥青铺装层模型耦合，但依靠传统分析手段难以实现，而ABAQUS商业有限元软件为二者的“全耦合”响应模拟提供了可靠平台。 本文首先对我国7个地区、涵盖8种结构共61座砼桥梁沥青铺装层病害进行调查，提出以显性病害和隐性病害为第一层次、14类次级病害为第二层次的全过程分类法，突出水分对病害早期发生、中期发展、后期爆发的全过程影响，并在病害频谱分析基础上认为表面开裂、层间剪切失效及非对称U型推移为弯坡桥铺装层主导病害。 实际上不论是开裂，还是剪切推移，大多是铺装层材料在高温、重载条件下产生较大塑性变形的结果，所以对沥青铺装层建立了Mohr-Coulomb弹塑性本构模型。另外，通过60℃浸水界面分析试验对铺装层不同浸水时间后强度衰减规律研究发现:随着浸水时间增加，铺装层材料Mohr-Coulomb模型的粘聚力c、内摩阻角ψ出现不同程度降低，从而提出了表征材料浸水一定时间后强度保有能力的粘聚力保有系数和内摩阻角保有系数，为在有限元中通过改变材料粘聚力、内摩阻角等力学参数来模拟实际浸水条件变化奠定了基础。而对于11R22.5及425/65R22.5子午胎橡胶主要采用了Yeoh和Neo-Hookean模型，能更好地表征其超弹性特征。 汽车列车荷载模型包括各轮轴组平面布置及单个轮组的荷载空间分布形态，对于全耦合响应的分析均至关重要，但通过大量调查发现传统的5轴汽车列车极其少见，而1S+2D/3D型6轴汽车列车更具有代表性，且基于汽车弯坡行驶特点建立的6轴弧型荷载与弯坡桥实际加载状况更加吻合。另外，与平直桥不同的是轮胎对弯坡桥铺装层将同时施加法向、纵向切向、径向切向荷载，且与曲梁半径、纵坡、横坡均有关。传统上均将附着力视为纵向切向荷载，那么，坡道上因法向荷载的减小其纵向切向荷载比平道要小，这就与运营中坡道铺装层反而比平道更容易出现剪切破坏的现实相矛盾。 实际上，经行驶动力学分析可知:轮胎只有在抱死滑移、驱动空转时其纵向切向荷载才等于附着力，传统切向荷载计算法将大大高估平道纵向切向荷载的同时，却低估了坡道纵向切向荷载;纵坡使坡底驱动轮产生1～1.05倍一次超重，曲梁离心作用及横坡使其产生1.05～1.38倍二次超重;0～10％纵坡将产生1～13.68倍纵向切向荷载，桥面横向不同荷位的径向切向荷载还要通过其分布系数进行修正，总之，弯坡上的三维荷载效应将受到曲梁半径、横坡、纵坡、汽车动力、行驶工况等因素的综合影响。不同的荷载形态对弯坡桥最不利荷位确定影响也较显著，直线型荷载下铺装层表面最大拉应力位于跨中外侧翼缘处，而弧型荷载则为跨中或支座上方行车道内侧;表面及防水层横向、纵向最大剪应力出现在跨中横隔梁处，荷位均向内移动，所有力学响应较直线型荷载增加5％～38％。，最终建立了用于桥梁最不利荷位计算、全耦合响应模拟、沥青铺装系设计的且由“车辆荷载、全耦合响应级实体轮胎荷载及铺装系设计3D简化荷载”组成的荷载体系。 本文采用有限元将传统窄胎双轮组、宽基单胎分别与局部梁段在最不利荷位进行3D全耦合，对静态接触响应及瞬态滚动响应进行数值模拟，首先得到了重载/高压下胎/面接触面积与荷载的幂函数模型，并拟合了接触面竖向应力纵向GaussAmp分布函数及纵向应力的正弦分布函数。其次，铺装系力学响应对横、纵坡敏感度是不同的，当纵坡从0增加到10％时，表面拉应力及纵向剪应力分别增加90％、120％，而横向剪应力减小47％;当横坡在1％～10％变化时，表面拉应力及层间纵向剪应力分别最多增加18％、28％，而横向剪应力减小12％，说明纵坡对力学响应影响较横坡更为显著。当然，不同行驶工况下的瞬态响应有别于静态响应，制动或驱动时表面拉应力比静态时增加了37％～71％，层间剪应力增加8.5％～15％，而侧压工况下接触应力将增加16.6％～50％。另外425胎更适于重载、高压，但对近表面拉应力及整个结构层厚度内剪应力影响均较传统窄胎显著，比11R22.5胎高出近40％，比均布荷载高出100％，且对弯坡或出现辙槽的桥面更为不利，尤其对于弯坡上一直处于侧偏工况的汽车，纵向与径向切向荷载的合成将使得切向剪应力在胎/面接触区前后端将出现与行车同向扭转，进一步验证在弯坡桥上出现的非对称U型推移开裂。 最后，结合弯坡桥主导病害机理及胎/面全耦合响应模拟，提出了以铺装系表面拉应力及防水层表面剪应力为双控制指标的沥青铺装层结构设计，在抗剪设计中还充分考虑到不同降雨条件对材料粘聚力c及内摩阻角ψ等弹塑性参数的影响，并提出了适于防水粘结层配合比设计的麦克.劳德-中心旋转试验设计法。同时，推荐了现场层间界面实时温度下防水粘结层现场检测强度值，并通过不同温度下实测强度修正系数实现不同检测温度下粘结强度及抗剪强度的比较。

目录

声明

摘要

图目录

表目录

第一章 绪论

1．1 研究背景、目的及意义

1．2 砼桥面沥青铺装层结构体系的研究

1．2．1 砼桥面沥青铺装系结构组合研究

1．2．2 沥青铺装系层间粘结体系及相关标准研究

1．2．3 砼桥面沥青铺装系结构力学模型

1．2．4 沥青铺装系材料本构模型发展

1．2．5 沥青铺装系结构设计方法

1．3 弯坡工况下砼桥面沥青铺装系荷载模型研究

1．4 轮胎与沥青铺装系耦合响应的数值模拟研究

1．4．1 轮胎结构力学及数值模拟的研究

1．4．2 轮胎与沥青路面相互作用研究

1．4．3 轮胎与桥面沥青铺装系相互作用

1．5 存在问题阐述

1．6 研究内容

1．7 技术路线

1．8 主要研究范围及论文框架

第二章 砼桥面沥青铺装系主导病害分类及机理分析

2．1 水泥混凝土桥面沥青铺装系病害调查

2．1．1 混凝土桥面沥青铺装系病害调查目的、原则、依据及方法

2．1．2 沥青铺装层病害典型实例

2．1．3 部分砼桥面沥青铺装系病害汇总

2．2 水泥混凝土桥面沥青铺装系病害分类

2．2．1 沥青铺装系病害分类方法的沿革及差异

2．2．2 沥青铺装系病害全过程分类

2．3 沥青铺装系主导病害成因分析

2．3．1 桥梁结构及线形的影响

2．3．2 混凝土桥面板的影响

2．3．3 桥面系施工的影响

2．3．4 沥青铺装系设计的影响

2．3．5 交通及自然环境的影响

2．4 弯坡桥面铺装系病害形态机理及关联力学指标

2．4．1 弯坡桥面沥青铺装系典型病害

2．4．2 成因分析

2．4．3 基于主导病害及其成因甄选关键力学控制指标

2．5 本章小结

第三章 砼弯坡桥沥青铺装系与载重子午胎结构模型研究

3．1 弯坡桥分类及其受力特性

3．2 水泥混凝土桥面沥青铺装系结构组合研究

3．2．1 水泥混凝土桥面沥青铺装系的独特性

3．2．2 混凝土直桥桥面沥青铺装系典型结构

3．2．3 砼弯坡桥沥青铺装系结构研究

3．2．4 确定砼桥沥青铺装系数值模拟典型结构组合

3．3 混凝土桥面沥青铺装系模型

3．3．1 砼桥面沥青铺装系结构数值模型

3．3．2 沥青铺装系层间界面特性

3．3．3 沥青铺装系层间失效机理

3．3．4 沥青铺装系层间界面数值模型

3．4 铺装系材料Mohr-Coulomb弹塑性本构模型

3．5 基于浸水强度保有系数对Mohr-Coulomb模型进行改进

3．5．1 目前沥青铺装系模型缺陷

3．5．2 铺装系浸水强度试验及影响因素分析

3．5．3 基于浸水强度保有系数改进M-C模型

3．6 载重子午胎结构及材料本构模型

3．6．1 载重子午胎规格及类型

3．6．2 载重子午胎发展

3．6．3 载重子午胎及轮胎橡胶本构模型

3．6．4 载重子午胎帘布层及带束层本构模型

3．6．5 本文研究选用轮胎模型

3．7 本章小结

第四章 砼弯坡桥沥青铺装系荷载体系研究

4．1 中国公路及城市桥梁荷载模型发展

4．2 弯坡桥上车辆荷载平面布置

4．2．1 基于车-轴-轮-胎组的车辆四级分类体系

4．2．2 交通组成调查及分析

4．2．3 车-轴-轮-胎组荷载及超载超限状况调查与分析

4．2．4 直线状态下混凝土桥面沥青铺装系车辆荷载模型

4．2．5 弯坡状态下混凝土桥沥青铺装系车辆荷载模型

4．3 弯坡上车辆荷载模型各轴载空间分布及简化荷载

4．3．1 平直桥上汽车不同轮轴组动力特性

4．3．2 纵坡状态下汽车列车荷载分析

4．3．3 横坡状态下汽车行驶动力学分析

4．4 弯坡复杂荷载条件下桥面铺装系材料特征分析

4．5 本章小结

第五章 砼弯坡桥沥青铺装系与载重子午胎全耦合响应数值模拟

5．1 胎／面耦合响应评价方法、等级确定及ABAQUS有限元理论应用

5．1．1 沥青铺装系力学响应及性能评价方法选择

5．1．2 ABAQUS有限元理论及其在胎／面耦合中的应用

5．1．3 定义轮胎结构部件及轮胎／铺装系接触关系

5．2 建立并校正载重子午胎3D有限元模型

5．2．1 载重子午胎实体、断面及材料模型

5．2．2 建立重载子午胎3D有限元模型

5．2．3 基于试验数据校验载重子午胎有限元模型

5．3 建立弯坡桥3D有限元模型及局部梁段模型

5．3．1 弯坡桥实体工程概况及材料设计参数

5．3．2 建立两跨弯桥3D有限元模型

5．3．3 建立弯坡桥局部梁段有限元模型及施加边界条件

5．4 弧型汽车荷载1S+2D／3D／A作用下弯坡桥沥青铺装系响应模拟

5．4．1 弯坡梁段最不利荷位选取

5．4．2 汽车列车荷载作用下沥青铺装系力学响应数值模拟及分析

5．4．3 弯桥表面及结构层内力学响应对桥梁线形及荷载形态敏感性分析

5．5 载重子午胎与沥青铺装系耦合接触面响应数值模拟

5．5．1 载重子午胎与沥青铺装系全耦合响应分析工况的数值化

5．5．2 胎／面全耦合接触面应力分布特征数值模拟

5．5．3 制动减速-自由滚动-驱动加速工况转换过程胎／面瞬态接触响应模拟

5．5．4 侧偏工况下胎／面全耦合瞬态接触响应模拟

5．5．5 侧压时胎面接触形状及大小

5．6 载重子午胎与沥青铺装系全耦合结构内响应数值分析

5．6．1 传统均布荷载与铺装系静态准耦合响应分析

5．6．2 不同实体轮胎与铺装系静态全耦合响应分析

5．6．3 不同行驶工况下胎／面瞬态全耦合响应分析

5．7 本章小结

第六章 砼弯坡桥沥青铺装系耐久性设计及施工控制

6．1 沥青铺装系结构设计

6．1．1 设计控制指标及准则

6．1．2 设计控制指标计算

6．2 基于CCRDT-McLeod法设计防水粘结层

6．2．1 基于McLeod法初拟集料与沥青撒(洒)布量

6．2．2 基于CCRDT法初拟沥青洒布量及碎石撒布量组合

6．3 沥青铺装系施工及常见工程问题处治

6．3．1 砼桥面表面准备

6．3．2 砼桥面下承层表面粘层油洒布

6．3．3 碎石封层类防水粘结层施工

6．3．4 防水粘结层施工常见问题处理

6．3．5 沥青铺装系弯道施工控制

6．4 砼桥面沥青铺装系施工质量控制要求

6．4．1 现场实时温度下强度标准化评价推荐要求

6．4．2 现场实时温度下强度修正系数推荐要求

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论及创新点

7．2 进一步研究建议

参考文献

附录

李志栋简介

致谢