基于复合梁的钢桥面铺装断裂判据及疲劳寿命研究

摘要

钢桥面铺装主要用于提高行车的舒适性和钢桥面的耐久性，如何延长其使用寿命是钢桥面铺装设计的重要内容。但开裂这一早期病害却大大制约了桥面铺装的耐久性和服务寿命。因此钢桥面铺装层裂缝的启裂及扩展机理、铺装的剩余寿命等损伤断裂力学问题成为学术界和工程界关注的焦点。 钢桥面铺装层的受力与变形特性受钢桥面板控制，因此研究桥面铺装层的力学性能时，必须将钢板和铺装层视为有机的复合结构。但目前铺装的断裂参数主要是采用铺装材料的标准试件通过室内试验研究得到，没有考虑钢桥面板与铺装的复合结构因素，仅从材料角度和裂缝位置出发进行研究。本文作为国家自然科学基金“钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳损伤与寿命预估研究”(基金编号：50578038)项目的一部分，以复合梁为研究对象，从断裂力学的基本理论入手，通过室内复合梁三点弯曲试验研究桥面铺装复合结构的COD断裂参数，并建立COD断裂判据；利用数值分析方法，选取三种不同复合梁尺寸研究桥面铺装断裂参数的尺寸效应，并分析COD设计曲线在铺装安全裕度评价中的应用；结合复合梁的疲劳试验和COD理论研究桥面铺装的疲劳性能，预估桥面铺装的疲劳寿命。 研究结果表明，温度对钢桥面铺装的断裂特性影响明显。复合梁的启裂临界裂缝尖端开口位移CTOD<,ini>和失稳临界裂缝尖端开口位移CTOD<,max>随着温度升高而增大；并分析试验得到的CTOD<,c>的有效性，在此基础上提出了COD判据。 利用ADINA软件对复合梁断裂参数的尺寸效应进行了数值分析。研究发现：(1)随着预制切口深度的增加，裂缝启裂、失稳时的J积分和裂缝亚临界扩展量逐渐降低，文章用边界理论解释了这一现象；(2)J<,ini>、J<,max>和裂缝亚临界扩展量随环氧沥青混凝土的模量增大而变小：(3)复合梁的几何尺寸对断裂参数也有一定影响，随着复合梁尺寸的增大，J<,ini>、J<,max>值减小，但差值最大仅为11.8％，说明室内试验研究选取的复合梁模型尺寸有代表性。 最后，采用带有预制切口的复合梁进行疲劳试验，利用COD理论研究桥面铺装的疲劳性能，并预估铺装的疲劳寿命。研究发现：(1)复合梁在稳定扩展后期CTOD很缓慢地增加，没有出现一般情况的裂缝快速扩展，分析原因主要是因为复合梁疲劳试验与实际桥面的受力方式不同引起的；(2)不同疲劳荷载作用下复合梁启裂时CTOD值均为0.08mm左右，而失稳时CTOD值均在0.21mm左右，可以把裂纹尖端位移0.21mm作为铺装的疲劳失效判据；(3)CTOD增长率与疲劳次数之间有很好的相关性，对两者进行统计回归得到桥面铺装疲劳寿命预估方程。 本文的研究成果可为钢桥面环氧沥青混凝土铺装的抗裂设计、铺装设计安全裕度评价和铺装的剩余疲劳寿命预估提供依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1研究的背景

1.1.1钢桥面沥青混凝土铺装的特点

1.1.2钢桥面铺装主要破坏类型的调查与分析

1.2国内外研究现状

1.2.1钢桥面铺装层断裂判据研究现状

1.2.2钢桥面沥青铺装层疲劳寿命研究现状

1.2.3需要解决的问题

1.3研究的主要内容和技术路线

1.3.1本文研究的主要内容

1.3.2本文的研究方法和技术路线

第二章钢桥面铺装的断裂判据室内试验研究

2.1弹塑性断裂力学基本理论

2.1.1引言

2.1.2COD破坏准则

2.1.3J积分理论

2.1.4J积分与COD判据的关系

2.2桥面铺装断裂判据试验研究

2.2.1环氧沥青混凝土的塑性特性

2.2.2复合粱模型的选取原理

2.2.3试验方法研究

2.3弹塑性断裂力学参数试验研究

2.3.1P-△曲线

2.3.2P-CMOD曲线

2.3.3曲线分析及修正

2.3.4COD判据

2.4本章小结

第三章钢桥面铺装断裂参数数值模拟和尺寸效应研究

3.1概述

3.2数值模拟在裂纹扩展中的实现

3.2.1奇异单元的建立

3.2.2虚裂缝扩展法

3.2.3J积分的计算

3.3初始裂纹深度对断裂参数的影响

3.3.1模拟的工况数目和网格

3.3.2荷载与加载点位移曲线比较

3.3.3裂缝扩展长度与J积分曲线分析

3.4环氧沥青混凝土模量对断裂参数的影响

3.5复合粱尺寸大小对断裂参数的影响

3.5.1模型的建立

3.5.2数值模拟结果分析

3.6J-COD设计曲线

3.6.1J-COD设计曲线基本原理

3.6.2复合粱J-COD设计曲线

3.7本章小结

第四章钢桥面铺装疲劳寿命预估研究

4.1断裂力学在结构疲劳寿命评价中的应用

4.1.1疲劳寿命

4.1.2弹塑性裂纹扩展速率

4.1.3COD在裂纹扩展中的应用

4.2疲劳试验概述

4.2.1影响疲劳裂纹扩展的因素

4.2.2试验概述

4.2.3试验过程

4.3钢桥面铺装疲劳寿命预估研究

4.3.1试件破坏形式

4.3.2荷载作用次数和加载点位移曲线(N-△曲线)

4.3.3N-CMOD曲线和N-CTOD曲线

4.3.4铺装疲劳寿命预估研究

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1本文的主要结论

5.2进一步研究的建议

致谢

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