沥青路面低温开裂数值模拟与参数分析

摘要

沥青路面的低温开裂一直是困扰国内外道路工程界的主要问题之一，也是世界各国都存在的普遍现象，为此，本文借助ABAQUS有限元软件对沥青路面低温开裂进行数值模拟，然后进行相应的参数分析，对低温下沥青混凝土的裂缝发生和扩展机理做进一步的认识和理解，为路面性能预测和路面结构设计提供一定的参考。 本文采用ABAQUS有限元软件对沥青路面低温开裂进行数值模拟，ABAQUS中的Prony级数模型能很好的反映沥青混合料的粘弹性特性，其时间增量型有限元计算方法能很精确的得到粘弹性问题的有限元解。通过编写UTRS子程序来更好的反映时温等效性，编写UEXPAN子程序来更好的反映温度收缩系数随温度的变化情况，进而用ABAQUS对应力松弛试验和TSRST试验进行有限元模拟，其数值模拟结果与试验结果非常接近，选用ABAQUS粘弹性有限元对实际问题进行分析计算是准确可靠的。借助正交分析法的思想，对TSRST各项影响参数进行因素显著性分析，进而进行因素敏感性排序。 为了能更好的反映路面结构的实际工作状态，本文汇总分析了路面结构各项几何参数和热物理参数，并借用ABAQUS进行温度场有限元数值模拟，为路面结构加载提供真实的温度场，进而分析路面结构温度、温度速率和温度梯度的时间-空间分布状态，来间接反映路面结构的应力响应。 为了能够了解沥青路面结构温度应力的影响因素，以ABAQUS数值模拟计算的路表最大温度应力为考察指标，建立基于灰色关联理论的温度应力影响因素(外部)分析，来考察各影响因素对沥青路面最大温度应力的贡献程度。 为了能更好的表征沥青路面结构的抗裂性能，提出具有统计意义的1.5 LCRACK作为平均开裂间距，并考虑面层和基层之间的库伦摩擦接触关系，建立开裂间距计算的有限元模拟模型，对开裂间距进行有限元预估和影响因素分析。 为了能了解路面裂缝扩展的规律，建立了路面结构的断裂力学有限元分析，分析其断裂力学响应和影响参数，并对裂缝扩展和温度疲劳寿命进行预估。

目录

文摘

英文文摘

声明

第—章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 沥青路面低温开裂机理及影响因素分析

1.2.2 沥青混合料粘弹性力学模型

1.2.3 沥青混合料粘弹性试验

1.2.4 沥青路面温度应力计算方法

1.3 研究的主要内容和技术路线

第二章粘弹性参数获取及其ABAQUS有限元模拟

2.1 沥青混合料热粘弹性模型

2.1.1 应力松弛试验

2.1.2 时温等效性

2.1.3广义Prony级数模型

2.2 应力松弛试验ABAQUS数值模拟

2.2.1ABAQUS中时间增量型粘弹性材料分析方法

2.2.2应力松弛试验数值模拟

2.3 TSRST试验数值模拟

2.3.1 TSRST试验数值建模

2.3.2 TSRST试验数值结果分析

2.4 不同参数TSRST试验数值模拟温度应力的影响

2.4.1 降温速率

2.4.2 起始温度

2.4.3 Prony级数的瞬态弹性模量与泊松比

2.4.4 时温等效

2.4.5 温度收缩系数

2.4.6 TSRST试件内外温差

2.4.7 温度循环荷载

2.5 基于正交分析法的影响因素显著性分析

2.5.1 正交分析法

2.5.2 TSRST因素显著性分析

2.6 小结

第三章沥青路面低温温度场数值模拟

3.1 沥青路面温度场分析方法

3.2沥青路面材料热物理参数及温度场分析边界条件

3.2.1 沥青路面材料热物理参数

3.2.2 沥青路面温度场分析边界条件及其ABAQUS实现

3.3沥青路面温度场数值模拟及结果分析

3.3.1 低温温度场计算模型

3.3.2 路面结构温度随时间和空间的变化

3.3.3 路面结构温度速率随时间和空间的变化

3.3.4 路面结构温度梯度随时间和空间的变化

3.3.5 典型地区年气候条件及其温度场模拟

3.4 小结

第四章 沥青路面结构温度应力研究

4.1 沥青路面材料参数

4.1.1 沥青混合料面层材料参数

4.1.2 半刚性基层及土基

4.2 沥青路面温度应力数值模拟

4.2.1 计算方法与模型假设

4.2.2 温度应力有限元建模及边界条件

4.2.3 温度应力初始条件确定

4.2.4 温度应力日变化

4.2.5 温度应力年变化

4.3 基于灰色关联理论的温度应力影响因素(外部)分析

4.3.1 灰色关联理论及其计算步骤

4.3.2 温度应力影响因素(外部)分析

4.4温度收缩裂缝横向间距分析

4.4.1 开裂间距模型有限元建模

4.4.2 有限元计算结果与开裂间距的定义

4.4.3 开裂间距相关因素分析

4.5 小结

第五章沥青路面低温开裂粘弹性断裂分析

5.1 断裂力学理论及其有限元求解

5.1.1 断裂力学基本理论

5.1.2 断裂力学问题的有限元法求解

5.2 表面裂缝开展有限元数值模拟及其参数分析

5.2.1 ABAQUS有限元建模

5.2.2 ABAQUS有限元计算结果

5.2.3 参数敏感性分析

5.2.4 表面开裂扩展及温度疲劳寿命预估

5.3 小结

第六章结论与展望

6.1 本文的主要结论

6.2 进一步研究建议

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文