预切缝碾压混凝土基层沥青路面受力特性分析

摘要

随着我国综合国力和交通运输的快速发展，城市交通量与日俱增，车辆轴载也越来越趋向重型化，半刚性基层沥青路面结构已不足以适应交通发展的要求。碾压混凝土基层与沥青混凝土面层复合式路面是一种既有别于刚性路面又有别于柔性路面的新型路面结构形式，作为高等级公路尤其是重载交通路段上的路面具有良好的发展前景。但是由于碾压混凝土基层板存在预切缝和原始裂缝缺陷，在温度荷载与交通荷载反复作用下，切缝或裂缝上方的沥青面层极易产生反射裂缝，导致路面结构破坏，因此有必要进行对预切缝碾压混凝土基层沥青路面在温度荷载和交通荷载共同作用下的受力特性分析，为预切缝碾压混凝土基层沥青路面结构设计提供理论数据支撑。　　论文主要研究工作有：　　(1)结合本研究所依托项目，利用ABAQUS软件建立了含预切缝的碾压混凝土基层沥青路面有限元模型，进行了路面结构在温度荷载和交通荷载下的受力特性分析，研究发现：预切缝处沥青层底位置1的最不利温度应力出现在冬季低温期，碾压混凝土基层板的最不利温度应力出现在夏季高温期；移动荷载的经过使预切缝处沥青层底位置1产生压应力，碾压混凝土基层板底产生拉应力，板顶产生压应力。在此基础上建立了不同碾压混凝土基层板预切缝间距的有限元模型，分析了预切缝间距对碾压混凝土基层沥青路面受力状态的影响，研究发现：随预切缝间距的增加，预切缝处沥青层底的温度拉应力、温度拉压交替幅度逐渐变小，而碾压混凝土基层板底和板顶的温度拉应力、拉压交替幅度逐渐变大，移动荷载的耦合作用没有改变这种规律，只是改变了拉应力和拉压交替幅度的数值。　　(2)基于预切缝碾压混凝土基层沥青路面有限元模型，重点研究了沥青面层厚度、碾压混凝土基层厚度、碾压混凝土基层模量、预切缝深度、交通荷载等参数对路面结构的影响。研究发现：不同的参数对预切缝碾压混凝土基层沥青路面的受力状态均有一定的影响；预切缝处沥青层底位置1、碾压混凝土基层板底及板顶的拉应力和拉压交替幅度随面层厚度的增加逐渐变小，且上面层厚度的增加对这种减小程度的影响最大；碾压混凝土基层模量和基层厚度的增加对路面结构的受力有不利影响；车速的增加对路面结构的受力是有利的，轴重的增加会造成预切缝处沥青面层底部极大的拉压疲劳破坏，也会加剧基层板板底的开裂以及板顶的拉压疲劳破坏。　　(3)根据我国不同地区的典型气温特征，分析对比了预切缝碾压混凝土基层沥青路面在高温地区、高寒地区、大温差地区的受力特性。研究发现：不同区域气温条件的不同，不仅会导致路面结构温度场及由此引起的路面结构温度应力场有所不同，而且导致最不利温度应力出现的时期也是有所不同的。

目录

声明

第1章绪论

1.1研究背景及意义

1.2国内外研究现状

1.2.1预切缝碾压混凝土基层沥青路面研究现状

1.2.2预切缝碾压混凝土基层板预切缝间距研究

1.2.3预切缝碾压混凝土基层沥青路面应力场研究

1.3研究内容与技术路线

第2章基本理论与研究方法

2.1有限元计算方法

2.1.1ABAQUS有限元软件

2.1.2有限元阻尼条件

2.2热传导基本理论

2.2.1热传导微分方程

2.2.2边界条件

2.2.3层间界面连续条件

2.3周期变温条件下的路面温度场边界形式

2.3.1太阳辐射

2.3.2气温与对流热交换

2.3.3路面有效辐射

2.4沥青混合料的粘弹性表征

2.4.1模型的本构特性

2.4.2时温等效原理——WLF方程

2.4.3广义Prony级数

2.5本章小结

第3章沥青路面碾压混凝土基层板切缝间距研究

3.1路面结构及材料参数确定

3.1.1路面结构

3.1.2外部气象参数

3.1.3沥青路面材料热物性参数

3.1.4沥青路面材料力学参数

3.2预切缝碾压混凝土基层沥青路面结构温度场模拟

3.2.1温度场产生机理

3.2.2模型基本假设及边界条件

3.2.3模型几何尺寸及单元划分

3.2.4温度场计算结果

3.3预切缝碾压混凝土基层沥青路面结构温度应力分析

3.3.1有限元模型建立

3.3.2预切缝碾压混凝土沥青路面的初始温度应力场

3.3.3预切缝碾压混凝土沥青路面力学指标的选取

3.3.4预切缝处沥青面层层底温度应力分析

3.3.5碾压混凝土基层板温度应力分析

3.4预切缝碾压混凝土基层沥青路面结构温-荷耦合应力分析

3.4.1有限元模型建立

3.4.2预切缝碾压混凝土沥青路面的临界荷位及加载方式

3.4.3预切缝碾压混凝土沥青路面温-荷耦合应力分析

3.5预切缝间距对碾压混凝土基层沥青路面的影响

3.5.1预切缝间距对碾压混凝土基层沥青路面温度应力场的影响

3.5.2预切缝间距对碾压混凝土基层沥青路面温-荷耦合应力场的影响

3.5.3不同预切缝间距下沥青路面温度、温-荷耦合应力对比分析

3.6本章小结

第4章预切缝碾压混凝土基层沥青路面应力影响分析

4.1不同参数对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.1.1面层厚度对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.1.2碾压混凝土基层厚度对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.1.3碾压混凝土基层模量对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.1.4预切缝深度对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.2交通荷载对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.2.1行驶速度对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.2.2轴载大小对碾压混凝土基层沥青路面的影响

4.3本章小结

第5章典型气温条件下碾压混凝土基层沥青路面研究

5.1典型气温条件下碾压混凝土基层沥青路面温度场研究

5.1.1典型气温条件下的外部气象参数

5.1.2典型气温条件下碾压混凝土基层沥青路面的温度场

5.2典型气温条件下碾压混凝土基层沥青路面温度应力研究

5.2.1高寒地区温度应力

5.2.2大温差地区温度应力

5.2.3不同地区温度应力对比分析

5.3工程意义

5.4本章小结

结论

展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果