浅谈沥青路面粘弹性响应分析及裂纹扩展研究

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1、分类号学号2004512400008学校代码10487密级博士学位论文沥青路面粘弹性响应分析及裂纹扩展研究学位申请人：罗辉学科专业：结构工程指导教师：朱宏平教授答辩日期：2007年5月17日ADissertationSubmittedinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofDoctorofPhilosophyinEngineeringTheviscoelasticresponseanalysisandcrackpropagationstudyoftheasphaltp

2、avementPh.D.Candidate：LuoHuiMajor：StructuralEngineeringSupervisor：Prof.ZhuHongpingHuazhongUniversityofScience&TechnologyWuhan430074,P.R.ChinaMay,2007独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式

3、标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。保密□，在_____年解密后适用本授权书。本论文属于不保密□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日I摘要沥青路面

4、的力学行为机理和各种裂纹是沥青路面理论与实践研究前沿之一。开展沥青路面力学行为及裂纹产生机理、裂纹扩展行为的研究可以更加全面地描述路面的力学行为，进一步理解路面损伤与早期破坏的原因，并为沥青路面的设计与养护提供指导。本文对沥青路面力学行为和疲劳裂纹的扩展作了数值与试验研究。主要内容如下(1)利用沥青混合料的热粘弹本构关系，考虑沥青路面各层之间的接触状态，对降温条件下的沥青路面的温度应力响应进行了有限元分析。研究了初始温度、降温幅度、降温速率、面层厚度、基层模量、基层与面层温缩系数等对温度应力响应的影响。(2)对沥青路面在移动行车

5、荷载下的动力响应进行了有限元分析。引入无反射边界条件，消除了有限元方法由于模型尺寸的有界给动力分析结果带来的不良影响，考虑了面层材料的粘弹属性；分析了基层模量、基层厚度、层间接触状态、材料阻尼、行车速度、轮胎接地压力等因素的影响。(3)提出了一种无单元伽辽金方法同有限元方法的耦合方法——过渡单元耦合方法。介绍了无单元伽辽金同有限元常用的耦合方法，并对其中两种常用的耦合方法：过渡单元法和配点法作了重点阐述，讨论了其理论基础和其耦合方法的线性一致性问题。在过渡单元耦合法的基础上，提出了简化的过渡单元耦合方法，并通过数值算例证明了简化

6、的过渡单元耦合方法的有效性。(4)对无单元伽辽金方法在裂纹扩展中的应用进行了研究，介绍了无单元法求取裂纹尖端应力强度因子的围线积分法和面积积分方法，并对其实现过程作了说明。对基于无单元伽辽金方法的裂纹扩展模拟的实现进行了重点研究，具体说明了其扩展准则，扩展增量的选取，几何形状更新方法。并通过数值算例验证了无单元伽辽金方法在断裂力学和裂纹扩展方面的应用。(5)通过预切口沥青混凝土小梁的三点弯曲疲劳实验，研究了预切口沥青混凝土小梁的疲劳破坏特征，研究了预切口三点弯曲小梁的疲劳寿命和裂纹扩展路径。并通过自编的无单元伽辽金/有限元耦合裂

7、纹扩展模拟程序对预切口小梁疲劳实验进行了数II值模拟，验证了程序的有效性。结果表明，随着预切口裂纹偏离加载中点距离的增加，相同集中作用力下，裂纹的起裂角增大，小梁的疲劳寿命增大。随着应力水平的增大，疲劳寿命下降。试验结果表明，由于沥青混凝土材料颗粒的不均匀性，裂纹扩展路径通常沿着集料颗粒边界扩展而很少切断颗粒。(6)通过无单元伽辽金/有限元耦合方法模拟了沥青路面结构中裂纹的扩展路径。在开裂路面的综合参数研究中详细评价了不同的路面结构组合、超载和荷载相对裂纹的位置的影响。荷载的位置连同沥青面层和基层刚度对裂纹的扩展有很大的影响，计

8、算出了裂纹增长的方向，且表明随着裂纹长度的增加其扩展方向会发生改变。路面结构(厚度和刚度)的不同组合对沥青路面表面裂纹的扩展行为有较大的影响。关键词：沥青路面;热粘弹性;无反射边界;温度应力;裂纹扩展;预切口小梁疲劳实验;无单元伽辽金/有限元耦合IIIAbstr