沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析_唐雪松.pdf

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1、第!"卷第#期应用力学学报$%&’!"(%’#)***年!)月!"#$%&%’()*$+,(-+..,#%/0%!"+$#!&+,-’)***!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!沥青混合料疲劳过程的损伤力学分析"唐雪松!蒋持平!郑健龙)（北京航空航天大学北京!***./）!（长沙交通学院长沙#!**"0）)摘要采用损伤力学方法研究沥青混合料的疲劳失效问题。针对悬壁梁弯曲疲劳试件，推导出疲劳过程中应力场、损伤场和疲劳裂纹形成寿命的工程封闭公式。根据沥青混合料特点，提出一种模拟疲劳裂纹扩展的特征单元失效模式，从而将疲劳裂纹

2、形成与扩展两个阶段统一用损伤力学理论进行描述和分析。本文对沥青混合料试件的疲劳裂纹形成寿命与扩展寿命分段进行了预测，还对疲劳过程中刚度衰减及位移幅值的演化过程进行了数值模拟计算。理论预期与实验结果吻合良好。关键词：沥青混合料；损伤力学；疲劳；疲劳寿命预测；疲劳裂纹形成；疲劳裂纹扩展!引言沥青混凝土路面具有优越的路面使用性能，在道路工程中得到了广泛应用。如美国沥青路面所占比重为1#2，俄罗斯为."2，波兰甚至为!**2［!］。沥青路面的疲劳开裂（包括路面反射裂缝问题），是沥青路面结构的主要破坏形式之一。沥青路面结构的疲劳分析，目前仍沿用345,6［)］的疲劳积累损伤准则。将各种轴重的交通荷载，

3、全部等效为一定作用次数的标准轴载，建立累积当量标准轴载与路面厚度之间的对应关系，进而提出沥青路面设计方法［/，#］。国内外的一些沥青路面设计规范［7!"］中，主要以路表回弹弯沉、面层底部弯拉应力（应变）或其它指标作为沥青路面的设计指标。这就需要进行大量的室内模拟实验和道路足尺实验。目前尚无法直接以疲劳寿命作为设计指标。传统疲劳分析方法存在的主要问题是，无法对沥青路面结构疲劳过程中的力学行为（如应力、应变、弯沉、刚度等动态演变过程）进行定量描述，从而无法对疲劳寿命与路表弯沉的演变规律进行理论预测。损伤力学的发展始于五十年代末89-:95%;在研究金属蠕变时所作的工作，但直到七、八十年代才有较大

4、的发展。在经典连续介质力学与不可逆热力学理论框架内，逐步建立起连续损伤力学的基本理论体系［.!!!］，发展成为固体力学的一个新分支。连续损伤力学已开始应用于金属、复合材料、混凝土等工程领域，但目前尚未见到在沥青混合料与沥青路面结构方面的"交通部人才基金项目，项目编号：17<*0<*

5、刚度、位移等在疲劳过程中演变规律的理论分析方法。"疲劳裂纹形成阶段的损伤分析沥青混合料悬臂梁试件见图!，文［!)］中曾通过引入一个指数型损伤函数来模拟疲劳失效过程。下面采用损伤力学方法对这一问题进行理论分析。图!沥青混合料试件与疲劳过程中的损伤场分布分别以!，"，表示应力、应变、弯曲曲率半径在一周循环内的幅值，它们均为位置坐标!，#［3］，即$定义为材料"与循环次数#的函数。损伤变量$采用*+,-+%./&0+1.2%./的经典定义体积微元截面上失效面积与截面表观面积的比值。某点处$%4表示该点处体积微元无损伤，［3］，有$%!表示该点处体积微元失效，意味着裂纹形成。由平面假设与应变等价原理

6、"%"／#（!）!%&（!’$）"%&（!’$）"／#（"）一点处损伤的增长速率，由该点的有效应力所主导。经计算表明，剪应力对损伤的贡献远远小于正应力，因而剪应力对损伤的影响可忽略不计。引用5’6+$2(’［!7］和8-+1.,-’［!9］等人提出的疲劳损伤演化方程:$／:#%(!（!）)（!’$）*+（)）!’$(!，)，+为材料的特性损伤参数，(!与荷载循环特征,有关，)，+与温度有关。式（"）代入式（)）中，并令(%(!&)，有:$／:#%(")（!’$）’+（7）以-点表示横截面上距中性轴最远的点，"、$与"、$分别表示-点与横截面上任一--点的正应变与损伤度。由式（!）$（7）可导

7、出:$"（!’$）*+（!’$）+）)"）)-（9）:$-%（"-（!’$）’+%（.／"（!’$）+-式中.为梁横截面的高度。积分式（9），得出损伤沿横截面高度方向的分布为()应用力学学报第!$卷$!!"!#｛!#（）&［!#（!#!）()!］｝()!（#）’%／"式（#）代入式（"）中，得出正应力沿高度方向的分布为!$）&［!#（!#!）()!］()!·$（$）!"*｛!#（’｝%／""横截面上的静力平衡