梅观高速公路加铺结构沥青混合料疲劳性能探究

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1、梅观高速公路加铺结构沥青混合料疲劳性能探究　　摘要：以梅观高速公路旧水泥混凝土路面改扩建工程为依托，采用小梁弯曲疲劳试验研究不同种类加铺沥青混合料的疲劳性能，确定了疲劳方程的参数，并采用有限元方法计算分析了设计交通荷载作用下加铺结构的疲劳寿命。疲劳试验结果和有限元分析结果表明，所采用的沥青混合料加铺结构具有良好的疲劳性能。关键词：旧水泥混凝土路面加铺结构有限元分析疲劳性能中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：梅观高速公路南连接梅林海关经皇岗路延伸至亚洲最大的陆路口岸—皇岗口岸，北与莞深高速公路相接，是深圳市规划“七横十三纵”高速公路网中的一条纵向高速公路，同时也是广东省

2、规划珠江三角洲二环高速公路的重要组成部分。梅观高速公路于1992年底开工，1995年竣工通车。经过十余年的交通运营，梅观高速公路旧水泥混凝土路面出现了断板、裂缝等损坏，亟需进行加铺改造。8加铺结构沥青路面在使用期内经受车轮荷载的反复作用，长期处于应力应变交迭变化作用，致使路面结构强度逐渐下降。当荷载重复作用超过一定次数以后，在荷载作用下，路面的应力就会超过强度下降后的结构抗力，便路面如现裂缝，产生疲势断裂破坏。因此，本文主要针对梅观高速公路加铺结构沥青混合料疲劳性能进行试验研究，并结合有限元方法分析加铺结构疲劳寿命。1加铺结构设计在前期室内试验研究和分析的基础上，梅观高速公路

3、改扩建工程（清湖以北段）采用的加铺结构见表1。其中旧水泥混凝土路面采用碎石化技术处理后再加铺沥青路面。表1加铺及扩建路面结构推荐方案2疲劳性能研究2.1试验方法8梅观高速加铺结构沥青混合料疲劳性能采用MTS-8l0材料试验机进行跨中加载弯曲疲劳试验进行研究。由于应力控制模式所需试件数量较少，疲劳数据点分散程度小，应力精度控制可靠，且易设定试件破坏状态，因此本研究中疲劳试验采用应力控制模式。根据弯曲试验确定的抗弯拉强度平均值作为其抗弯拉强度值，分别计算出0.2、0.3、0.4、0.5、0.6几个应力比下半正弦波的谷值，以10Hz的加载频率进行疲劳试验，直至试件断裂为止，记录试件

4、断裂时的荷载作用次数，并剔除离散性比较大的数据，将有效数据作为疲劳寿命。试验温度为15℃。2.2疲劳试验结果分析梅观高速加铺结构中各种沥青混合料的疲劳试验结果见表2。表2沥青混合料疲劳试验结果由试验结果可知，加铺结构各种沥青混合料具有良好的疲劳性能。各种沥青混合料的加载应力比（s）与疲劳寿命（Nf）在双对数坐标上表现为良好的线性关系，由此可回归建立起应力比（s）与疲劳寿命（Nf）的疲劳方程，其疲劳方程形式如下，每种沥青混合料的疲劳方程如表2。Nf=ks-n（1）回归系数k、n可以用来反映材料疲劳性能的优劣。k值的大小表示了疲劳曲线的线位高低，k值越大，曲线位越高，材料的抗疲劳

5、性能越好。n值表示双对数坐标下疲劳曲线的斜率，n值越大，曲线斜率越大，材料的疲劳寿命对于应力水平的变化越敏感。3疲劳寿命计算分析3.1计算原理8梅观高速加铺结构疲劳寿命分析中将裂纹沿其扩展方向将扩展长度分为多份，使得裂纹从原始长度逐渐扩展到表面，逐步计算各步的应力强度因子。采用Paris经验公式分析沥青混凝土在交通荷载下疲劳裂缝扩展过程，预测疲劳开裂寿命。（2）其中，K为应力强度因子，用有限单元法求出；上述公式的含义为：如果在应力循环ΔN次后，裂纹扩展为Δa，则应力每循环一次，裂纹扩展为Δa/ΔN（m/次），这称为“裂纹扩展速率”。在极限条件下，用微分da/dN表示。根据线弹

6、性断裂理论，II型裂纹尖端区域的位移场可表示为：（3）式中：r、θ为裂纹尖端处的极坐标；u、v分别为x、y方向的位移分量；G为材料的剪切弹性模量；KII为II型裂纹应力强度因子；μ为泊松比，k=3-4μ。将裂纹的延长线上裂尖节点（θ＝π）位移分量的值代入上述表达式，可计算这些节点的表观应力强度因子K*II。从裂纹尖端邻域的位移场分布可以看出，裂纹尖端的位移场具有奇异性，靠近裂纹尖端的各位移分量都与r1/2成正比，当r→0时，位移急剧增大。以裂纹尖端点为坐标原点，沿裂纹线为K轴、裂纹开裂方向为x轴设定坐标系然后外推到裂纹尖端而得到裂尖应力强度因子的数值解。8（3）3.2材料参数

7、采用平面应变问题分析，取路基路面的横截面分析纵向裂纹，从上至下分析区域可分为：表3加铺层方案模型分层及其材料参数3.3计算结果与分析⑴裂尖剪应力云图图1为裂纹尖端剪应力分布云图，可以看出，在r→0的过程（图中黑线所示的0.0032m的范围内）中，剪应力迅速由0.24MPa增大到1.3MPa。这说明模型能够准确地反映出裂纹尖端的奇异性。图1裂尖剪应力云图⑵应力强度因子的变化规律根据前述的计算原理，将裂纹扩展长度沿其扩展方向将分为多等份。从裂纹原始长度开始，逐步增长裂纹的长度（一份设置为一步），以此来模拟裂