沥青路面多裂纹断裂分析.pdf

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1、第25卷第4期华中科技大学学报(城市科学版)VO1．25NO．42008年12月J．ofHUST．(UrbanScienceEdition)Dec．2008沥青路面多裂纹断裂分析徐文胜，朱宏平，罗辉(华中科技大学a．土木工程与力学学院；b．控制结构湖北省重点实验室，湖北武汉430074)摘要：沥青路面通常在表面裂纹和基础裂纹共存状况下服务。基于断裂力学理论，采用无网格伽辽金／有限元耦合法，对同时含有面层表面裂纹和基层底面裂纹的沥青路面进行了断裂分析，研究了行车荷载行驶过程中裂纹尖端应力强度因子的变化规律。结果显示，在车轮荷载行驶通过基层底面裂纹上方的过程中，基层

2、底面裂纹的复合型应力强度因子存在一个最大极值，且这个最大值不是出现在车轮荷载位于基层正上方的时候；表面裂纹的应力强度因子和随着交通荷载驶近表面裂纹而逐渐增大，而且增大的速率也逐渐上升；相对于基层底面裂纹，表面裂纹受荷载位置影响更显著。关键词：沥青路面：断裂分析；无网格伽辽金／有限元耦合方法；应力强度因子中图分类号：U416．217文献标识码：A文章编号：1672．7037(2008)04—0006—04由重复交通荷载和低温应力引起的疲劳裂文献表明无单元伽辽金法(ElementFree纹是热拌沥青混凝土路面早期破坏的主要形式GalerkinMethod，EFGM)

3、对于裂纹扩展问题具之一。这些裂纹开始可能只是微观裂纹，后来相有优势【7】，它克服了有限元方法在模拟裂纹扩互连通形成宏观裂纹，在交通荷载及低温应力展时需要不断进行网格重新划分的缺点。但是引起的拉应力或剪应力或两者共同作用下发生EFGM比有限元法更耗计算资源，不适合于求扩展，路面服务能力降低，路面性能恶化。因此，解大型计算问题，鉴于此，Belytschko和Hegen理解沥青路面开裂行为的重要性不言而喻。线等将EFGM方法和有限元方法耦合以发挥各弹性断裂力学已被用来解释沥青路面开裂机理自的优引。[1-3]，Birgissonetal在比较了位移间断边界元法本文应用有

4、限元／无网格伽辽金耦合方法，(DisplacementDiscontinuityBoundaryElement分析沥青路面表面裂纹和基层裂纹同时存在时Method，DDBEM)和有限元法的优缺点后认为的开裂问题。DDBEM能很好地求解和模拟路面裂纹的发生和扩展【4J，毛成结合有限元方法和窗口移动技EFG／FE耦合方法术对沥青路面裂纹扩展行为进行数值模拟【5loJ，但他们的研究都集中在沥青路面表面裂纹。1．1EFGM基本原理沥青路面结构暴露在自然环境及交通荷载无网格伽辽金应用移动最小二乘法(MLS)的长期作用下，实际沥青路面的受荷状态非常构造形函数，该法取位移近似

5、为：复杂。对于国内高等级公路中大量采用的半刚()=P()口()=P，(础z()(1)性基层沥青路面，在沥青面层的底面一般都受j=l到压应力作用，而在半刚性基层的底面受到拉系数a(x)根据加权最小二乘法确定，它使得对应力的作用。因此，除了在沥青路面表面会出函数的局部近似误差最小，即要求现低温裂纹外，在半刚性基层底面由于受到拉MinJ=(Pa一“)W(x)(Pa—U)(2)应力的反复作用也会出现疲劳裂纹。沥青路面这里，m为基函数的个数，且u=(u】，u2，⋯，u)；通常在表面裂纹和基础裂纹同时存在的状况下P(x)和W(x)分别为基函数和加权函数，n为每服务。因此，有

6、必要对这种情况进行研究。个无单元点影响域内的结点数，由极值条件aL，／：0可得收稿日期：2008—03—05作者简介：徐文胜(1968一)，男，湖北武汉人，工程师，研究方向为结构损伤检测与寿命评估，italy—wolf@163．com。基金项目：国家自然科学基金(10672063)；武汉市建设科研计划资助项目(2006—39)。第4期徐文胜等：沥青路面多裂纹断裂分析·7·a(x)=A(x)B(x)u，A=PW(x)p，B=PW(x)移动最小二乘法具有不过点拟合的性质，(3)因而Dirichlet边界条件(基本边界条件)的施加代入式(1)得到(X)的近似函数为：就

7、成了无单元伽辽金法中的难点，同时也使得=荷载，特别是集中荷载的施加成为棘手的问题。⋯Belytschko和Krongaua通过引进过渡区来耦合’无单元伽辽金法和有限元方法，即在过渡区用l。f=p∞。fA-0【)B∽+p(x)A-∽．++有限元形函数和MLS形函数的混合函数作为lp∞∽f形函数，通过引入斜坡函数来满足线性一致性1．2裂纹尖端场函数不连续的处理J。过渡单元内的位移近似为：对于断裂问题，裂纹两侧的位移场是不连续的，如何处理这种不连续是无单元法计算的“(，f)=[1-()】二Ⅳ，(())“(f)+，n(7)一个关键问题。EFG形函数的构造是基于求解．域内

8、节点值的拟合，在遇到不连