沥青路面疲劳损伤特性和抗疲劳

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1、交通部重点科技项目沥青路面疲劳损伤特性及抗疲劳破坏的措施与方法研究长沙理工大学周志刚教授、博导一、课题主要研究内容1、各向同性弹性损伤理论研究2、沥青混合料疲劳损伤特性试验研究3、沥青路面抗疲劳破坏措施及方法研究4、路面结构疲劳损伤理论的试验路验证二、主要研究成果1、各向同性弹性损伤理论研究（1）基于不可逆热力学基本定律，建立了完整的各向同性弹性损伤理论，克服了经典弹性损伤理论存在的缺陷；（2）针对梁式试件疲劳试验，给出了传统疲劳经验公式的损伤力学解释；（3）将前述损伤理论用于沥青路面的疲劳损伤析，并对疲劳过程中的位移幅值演变过程进

2、行了数值模拟计算。2、沥青混合料疲劳损伤特性试验研究(1)通过动态试验建立Burgers参数与动态试验结果之间的相关关系及其变化规律，进而将Burgers模型直接应用于模拟和分析沥青混合料的重复加载试验，计算结果与试验结果十分接近；(2)采用自制设备进行了沥青混合料的低温低频疲劳试验，得到以累积耗散能表达的沥青混合料的低频疲劳方程；(3)采用约束试件温度应力试验仪（TSRST）进行了约束试件温度疲劳试验，得到以累积耗散能表达的沥青混合料的温度疲劳方程。3、沥青路面抗疲劳破坏措施及方法研究加铺土工合成材料夹层所发挥的作用：(1)对沥青

3、面层开裂起到桥联增韧效应；(2)延缓因持续大幅降温引起的反射裂缝；(3)延缓因温度循环变化引起的反射裂缝；(4)改善半刚性基层沥青路面的疲劳寿命；(5)改善旧水泥混凝土沥青路面的疲劳寿命。4、路面结构疲劳损伤理论的试验路验证在河南省高速公路新乡段和广东省广佛公路佛山段分别采用不同的抗裂措施(铺设不同类型玻璃纤维格栅、土工布以及不同铺设方式，预切裂缝等)。经过几年开放交通运行使用，这些不同措施发挥了不同程度的抗裂作用。三、各向同性弹性损伤理论研究1、应变等效假设与经典损伤理论~一维线弹性本构关系:（1）EE(1D)三维弹性

4、应力应变本构关系:c(1D)2(1D)(1D)（2）ijijklklijkkij112Yc()损伤应变能释放率:2ijklijkl2kkijij（3）式中为材料无损时的四阶弹性张量，为Kronecker张量。~~损伤材料的有效Lame常数：(1D),(1D)~~损伤材料的有效Poisson比：2(~~)2()2、不可逆热力学基本控制方程材料的局部熵产生不等式：0（4）ijij单位体积的Helmholtz比自由能(,D

5、)ijD（5）ijDij由式（4）和式（5）可得（6）D0ijijDij应变弹性本构律：/（7）ijij定义损伤度本构律：Y/D（8）因而式（6）变为：热力学第二定律YD0（9）损伤演化方程D/Y(10)3、损伤本构关系的热力学推导单位体积的Helmholtz比自由能(,D)的Taylor级ij数表示为：NNN(n)n(n)n1(n)n(ij,D)0CDBijijDAijklijklD（11）n1n

6、02n0N1(n)n上式可简化为：(ij,D)AijklijklD（12）2n0NA(n)Dn（13）ijijklkln0N1(n)n1YAijklijklnD（14）2n1经过对系数张量的分析，得到式（12）～（14）的级数表达形式：弹性应变能NN(n)n12(n)n（15）(ij,D)ijij[1D](kk)[1D]n12n1应力－应变本构关系NN(n)n(n)n（16）ij2ij[1D]kkij[1D]n1n1损伤应变能释

7、放率NN1(n)n12(n)n1（17）YnD(kk)nDijij2n1n14、分析令式（15）～（17）中的NN(n)n(n)nM(D)1D,M(D)1Dn1n1~~并定义拉梅常数(D)M(D),(D)M(D)，得到12~1~2(ij,D)M(D)ijijM(D)(kk)(D)ijij(D)(kk)（18）22~~2M(D)M(D)2(D)(D)（19）ijijkkijijkkij''1'2'

8、1~M(D)2~M(D)（20）YM(D)()M(D)(D)()(D)kkijijkkijij22M(D)M(D)5、损伤效应函数（1）二维随机分布微圆孔损伤材料有效弹性模量为：21~0.8