沥青路面多裂纹温度应力的数值模拟.pdf

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1、第27卷第3期华中科技大学学报(城市科学版)Vo1．27No．32010年9月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Sep．2010沥青路面多裂纹温度应力的数值模拟李文成，李郑斌，张青军，陈军，苗雨2(1．河南省交通建设工程有限公司，河南郑州450000；2．华中科技大学土木工程与力学学院，湖北武汉430074)摘要：本文考虑了沥青混合料的粘弹性，基于断裂力学理论，通过有限元数值模拟研究了含多裂纹沥青路面在温度荷载作用下的响应，考察了裂纹间距变化对应力强度因子以及温度应力的影响，结果表明：随着温度降低，基底裂缝的I型应力强度因子逐渐增大；随着裂纹间距的增大，基底裂纹先

2、增大后减小并趋于稳定，表面裂纹尖端的最大压应力亦呈现先增大后减小的趋势，同时对加铺土工布这一阻裂措施利用数值模拟进行了验证。关键词：沥青路面；多裂纹；粘弹性；应力强度因子；温度应力中图分类号：U416．217文献标识码：A文章编号：1672-7037(2010)03-0016-05沥青路面结构在形成和使用过程中，长期受到自然环境和交通荷载的作用，极易产生各种损1基本理论伤。由于低温应力和重复行车荷载引起的疲劳裂缝是半刚性基层沥青路面的一个主要损伤形式，1．1沥青混合料的粘弹性模型裂缝的出现严重影响了沥青路面结构的功能和使像塑料、橡胶等材料常同时具有弹性和粘性用寿命。两种不同机理的形变，综合

3、地体现粘性流体和弹吴赣昌⋯等对半刚性基层中已产生贯穿裂性固体两者的特性，材料的这种性质称为粘弹纹时的温度应力场进行了研究，得到了裂纹应力性]。大量的实验研究表明，沥青混合料是一种强度因子的理论解。郑建龙等对含反射裂纹简单热流变材料，遵从“时温等效”原理，具有明沥青路面温度场的变化规律、沥青混合料的热粘显的粘弹性特性。E"弹性及路面结构中温度应力的计算进行了系统的研究。KimJ及BozkurtD分别用三维模型阐述了八M反射裂纹的温度特性．4；Lu等考虑沥青粘弹性图1Maxwel模型因素进行了研究J。苗雨等-6考虑了沥青混合Maxwell模型由弹性元件和粘性元件串联而料的粘弹性，利用有限元软件

4、对含反射裂缝的沥成，如图1所示。广义Maxwell模型由多个Max-青路面结构的温度场和温度应力进行了模拟分well模型并联而成，如图2所示为四参数广义析。Maxwell模型。研究表明，广义Maxwell模型能较目前大部分研究基本是对只含有反射裂缝或好地描述沥青混合料的松弛性能，其在参考温度只含有表面裂缝的沥青路面进行分析计算，但实t。下的应力松弛模量为：际上，沥青路面结构通常处在多裂纹共存的情况下。因此，本文考虑了沥青混合料的粘弹性，基于E(t0'￡)=∑Eie卜(1)线弹性断裂力学理论，以应力强度因子为表征参I=l式中，E、7-。分别为第i个Maxwell模型弹簧的弹量，利用ANSYS

5、有限元软件探讨了沥青路面同时性模量和松弛时间，可通过试验确定。含有基层裂缝和表面裂缝时在温度荷载作用下的情况。根据Maxwell模型的本构方程、拉普拉斯变换及其逆变换，可推导出广义Maxwell模型的本构方程为：收稿日期：2010-07—18作者简介：李文成(1966一)，男，河南人，高级工程师，研究方向为道路桥梁数值计算(Email：dflwc@sina．com)基金项目：国家自然科学基金(50808090)第3期李文成等：沥青路面多裂纹温度应力的数值模拟·17·场导出。因此，可以在裂纹尖端设置一定的1／4奇异性单元，通过有限元分析程序计算出裂纹尖端的位移场进而可以利用上述公式计算应力强

6、度因子。1．3路面体系温度场分析理论道路体系传热一般包括热传导、热对流和热⋯辐射。由大气进入路表的气流，以热传导的方式向道路深处传导，遵循Fourier定律：式中，E、77分别为第i个弹性元件的弹性模量和q”=一k了dT(7)粘性系数。其中：g为热流密度(w／m。)；k为导热系数(W／1．2应力强度因子(ITI·oC))。用有限元法求解应力强度因子，较常用的是对于路面结构来说，长宽方向比结构层厚度位移外推法J，即先求出裂纹前端各节点的位大很多，可以近似视为一维热传导。而路面各层移，然后根据裂缝尖端应力表达式反推出K。在材料的导热性能相差不大，所以可以把路面简化图3所示的裂纹尖端坐标系下，对

7、于I型裂纹，裂为均质半无限体。由此，路面温度场可以由均质纹尖端附近的位移场可表示为：半无限体的一维热传导偏微分方程确定，由于路面各层材料热特性参数的不同，则对各层分别建立热传导方程，应满足下式：——■一=——■■互_一(86)，其中：为第i层路面材料的导温系数(m／h)。多层路面体系之间接触良好时，接触面层间温度和热流量相等，温度函数应满足连续条件：~F_rrcosr(，z)=+1(，￡)I=[川sin詈n】㈩一+。其中