沥青填入式伸缩缝混合料组成设计及界面性能

沥青填入式伸缩缝铺装与桥面铺装的界面是整个伸缩缝结构的最薄弱部位,其界面性能与伸缩缝混合料特性有较大的关系,因此,研究伸缩缝混合料的组成设计很有必要.文中采用马歇尔试验法进行沥青填入式伸缩缝混合料的级配及油石比研究,并设计模拟伸缩缝结构的复合式小梁试件,分别采用直接拉伸试验及斜剪试验分析胶结料种类、混合料级配、温度、界面处理方式、加载速率等对界面拉伸及剪切性能的影响.结果表明:伸缩缝混合料的石料以单一粒径为宜,最佳油石比为25%;应选择细集料级配,界面保持干燥、无污染和一定的粗糙度,环境温度升高、车辆荷载速度减小较易诱发界面拉伸及剪切强度的降低.     

高等级公路路面沥青层剪应力分布研究

采用实测轮胎接地有效面积和接地压力,通过编写Fortran程序将交通荷载转化为移动均布荷载,对三维多层的沥青路面进行有限元动态分析,得到路面沥青结构层剪应力沿深度方向的分布规律.结果表明,不同荷载条件下路面沥青层剪应力的差异明显,水平力对剪应力亦有较大影响;路面面层回弹模量、泊松比及基层回弹模量对剪应力的影响均比较显著.     

预制板式无砟轨道界面脱层失效的数值模拟

将温度荷载简化为轨道板内的剪切荷载,分析了无砟轨道结构的层间界面破坏形式与粘结机理;基于黏聚力本构模型与水泥乳化沥青砂浆界面粘结力实验结果,建立预制板式无砟轨道结构界面有限元模型,研究剪切荷载作用下无砟轨道界面应力、界面粘结承载力、界面相对位移以及界面裂缝的演化规律.结果表明:界面剪应力与正应力纵向分布不均匀,在轨道板端部最大,且界面正应力使轨道板在端部竖向受拉;剪切荷载作用下,界面剪应力超过最大粘结强度,造成界面逐段破坏,界面最大粘结承载力为264.8 k N;轨道板相对于砂浆充填层的纵向位移随剪切荷载的增大而持续增大,最终界面出现纵向裂缝,而其竖向张开位移在界面纵向裂缝出现后反而逐渐闭合,界面发生剪切破坏导致无砟轨道结构脱层失效.     

桥面铺装层力学响应的有限元分析

应用有限元软件ABAQUS,建立桥面铺装动力分析三维有限元模型,分析上下层铺装厚度、层间接触状态、水平力、铺装材料等因素对桥面铺装层受力控制指标的影响规律。结果表明:面层最大拉应力峰值随铺装上层厚度的增大而不断增大;与完全连续的层间接触状态相比,不完全连续状态下的铺装层力学控制指标均有不同幅度的增长,其中铺装表面拉应力峰值增幅最大;水平力对铺装表面拉应力和表面弯沉影响很小,而铺装层间剪应力随水平力的增大而不断增大;不同的铺装材料对铺装层力学控制指标具有较大的影响,提高铺装材料的强度可有效降低铺装层的力学响应量。     

基层模量对路面性能的影响分析

利用弹性层状理论计算程序Bisar分析了基层模量对沥青层内部竖向压应力、剪应力、面层底部拉应力和表面湾沉的影响,进而计算了基层模量对路面稳定性,疲劳寿命和永久变形的影响,分析表明,基层和模量必须保持在一个合理的范围内,才能从整体上获得好的路用性能,较高的基层模量会增加面层竖向压应力,易于引起路面车辙,但过低的基层模量会增大路面表面的剪应力并沥青底部受拉,进而降低沥青面在行车荷载作用下的疲劳寿命,由此提得出了沥青路面合适的基层模量范围在0．8－1．2GPa之间。     

多车激励下波形钢腹板连续梁桥沥青铺装动力学响应

为研究多车激励作用下大跨径桥梁桥面铺装层的动力学响应,建立含有Fiala轮胎的多刚体实车模型以及大跨径桥梁有限元精细模型,考虑桥面随机不平顺激励,构建包含桥面铺装层的车-桥刚柔耦合系统动力学模型。计算准静态条件下桥梁控制截面的挠度,并与现场静载试验进行对比,验证了所建车-桥耦合模型的正确性与计算结果的有效性。研究不同编队多车荷载作用下波形钢腹板连续箱梁桥铺装的动力响应,不同工况对于车辆后轴悬架力和垂向轮胎力的影响,结果表明：多车荷载相比于单个车辆荷载所引起的动力响应更大,更容易引起桥面铺装和桥梁结构的早期损伤;在车辆数量相同、车速相同、前后车距相等的情况下,车辆行驶编队不同时所引起的桥面铺装层最大挠度、最大纵向应力和最大横向剪应力分别增大了19.7%、23.5%和8.0%,且最大纵向拉应力和剪应力均发生在防水混凝土-混凝土梁之间,容易产生早期疲劳开裂;车辆后轴悬架力随着载重增加而增大,垂向轮胎力随着速度和载重增加而增大。     

基于有限元ANSYS的半刚性基层沥青路面力学响应分析

为解决乌鲁木齐市城市道路半刚性基层沥青路面横、纵向裂缝和车辙病害严重的问题,选取乌鲁木齐市城市道路典型的半刚性基层沥青路面结构,对面层厚度、基层模量以及基层厚度进行规律性的变化,研究沥青路面结构在不同行车荷载作用下的力学分布及变化规律.利用ANSYS有限元软件对不同行车荷载作用下的半刚性基层沥青路面结构进行仿真计算,并对提取的数据进行分析.结果表明:随着沥青路面厚度的增加,沥青层拉应力和剪应力均逐渐减小,但减小幅度却各有不同;随着半刚性基层厚度的增加,沥青层拉应力和剪应力均逐渐减小,且减小幅度均较小;随着半刚性基层模量的增加,竖向位移和沥青层剪应力均逐渐减小.因此,建议沥青面层在18～20 cm取值,半刚性基层厚度在35～40 cm取值,半刚性基层模量在1500～1600 MPa取值.     

混凝土梁式桥沥青混凝土桥面铺装层力学分析

本文结合实体工程,针对混凝土梁式桥沥青混凝土桥面铺装层的受力特点,利用ABAQUS软件建立模型,并通过对不同位置铺装层应力的分析,确定铺装层的最不利荷载位置,分析此处铺装层体系的拉应力和剪应力,确定控制铺装层破坏的力学指标,为桥面铺装设计提供力学理论依据．     

考虑层间状态的横观各向同性沥青路面力学分析

沥青路面层间粘结状况的好坏对路面结构的力学响应具有较大影响。利用有限元软件ANSYS,将沥青混合料考虑为横观各向同性材料,计算了沥青路面在不同温度场与车辆荷载等作用下的关键力学指标响应,分析了层间接触状态和面层沥青混合料水平与竖向模量比对路面结构的力学响应影响规律。研究结果表明,利用接触模型计算出的关键力学指标比连续模型要大,尤其接触条件不好时更为显著。接触状况对沥青层层底拉应力、拉应变的影响比较明显,而路表弯沉、面层内最大剪应力对层间接触状态的变化则不太敏感,面层模量比越小,面层结构层强度就越低,在接触状态不好时容易导致面层承载能力不足。研究成果为科学的解释沥青路面在不同环境温度与车辆荷载综合作用下的破损特征与行为机理提供了理论依据,对进行沥青路面寿命预估和路面性能评价提供了帮助。     

公路隧道复合式路面结构的力学性能研究

建立了公路隧道复合式沥青路面结构的三维有限元分析模型，对单轴双轮轴载作用下的隧道复合式路面结构接缝处沥青混凝土内部和界面处应力进行了分析比较，确定偏载为最不利加载位置，提炼出关键的设计指标：纵缝边缘加载位中心对应的沥青层底水平拉应力和接缝处沥青层顶面竖向剪应力。通过对不同沥青层厚度、不同弹簧刚度以及不同基岩模量和基层模量下沥青层应力曲线响应进行探讨分析，确定出接缝具有较好的传荷能力，可以有效降低沥青层的厚度，设置模量较高的基层，有利于降低对接缝传荷能力的依赖。     

混凝土桥面复合式铺装层受力分析和设计

选取典型的T梁和箱梁桥型,将桥梁体、水泥混凝土铺装层、防水层、沥青混凝土铺装层视作一个整体,研究了复合式桥面铺装在承受汽超-20偏载作用下的结构响应.采用有限元方法进行三维空间实体建模,分析了铺装层受力最不利位置、铺装层拉应力、层间剪应力和层间法向拉应力.结果表明：桥梁体、水泥混凝土铺装层、防水层和沥青混凝土铺装层相互作用,在桥梁结构特殊部位产生铺装层最大拉应力,在轮载作用域产生最大层间应力;铺装层厚度对荷载应力大小有重要影响.提出了复合式铺装的设计指标,建议沥青混凝土铺装层和水泥混凝土铺装层厚度的设计采用复合式结构.     

水泥混凝土路面加铺沥青层结构应力分析

为了指导旧路加铺工程合理设计,对加铺结构在交通荷载作用下的受力状态进行了分析。基于路面力学弹性层状体系理论,建立了旧路加铺路面的轴对称有限元模型。主要考虑交通荷载作用,分析了沥青加铺层层底拉应力、剪应力和旧水泥路面层底的拉应力等指标。考虑加铺层和应力吸收层模量的影响对路面结构的力学响应进行了分析计算。为了快速计算材料力学性能对路面结构受力的影响,基于数值计算结果给出一个路表弯沉和沥青加铺层底拉应力的简易计算公式。结果表明:在车辆轴载作用下,增设应力吸收层会减小路表弯沉、沥青层底拉应力、新旧层间的剪应力和水泥层底拉应力各项指标,对于改善路面结构受力状态有积极影响;随着沥青面层模量的增加,路表弯沉、沥青层底剪应力和水泥层底拉应力都趋于减小,但是沥青层底拉应力会增大。由此建议在旧水泥路面加铺沥青面层设计时,应适当选用高模量的沥青混凝土材料,可以缓解路面新旧层之间的剪切脱层破坏,进而延长旧路改造路面的服役寿命。     

正交异性钢桥面-RPC薄层组合铺装体系研究

为了综合解决钢桥面疲劳开裂和铺装层易损坏两大棘手问题,本文提出薄层活性粉末混凝土(RPC)钢桥面组合结构.正交异性钢桥面铺装有限元模型计算结果表明:相对于柔性铺装,组合铺装体系中铺装层最大拉应力、剪应变、竖向位移降幅分别为54.8%,78.9%和39.1%;组合铺装体系结合面抗剪试验及钢桥面-RPC悬臂梁抗拉疲劳试验结果表明:在高温(60℃)不利条件下,RPC与沥青磨耗层界面抗剪强度为1.3MPa;RPC与钢板抗剪栓钉承载力为66.75kN;在拉应力幅值7.5～14.5MPa条件下,钢桥面-RPC悬臂梁承受200万次疲劳荷载没有出现裂缝.研究结果显示,薄层组合桥面铺装体系,有效降低了铺装体系应力应变幅值以及局部竖向变形,且铺装层各结合面抗剪强度可以满足使用要求.     

行车荷载及路面结构对车辙影响的有限元分析

基于车辙的产生机理，采用实测轮胎接地压力，对柔性基层和半刚性路面结构内的剪应力进行三维有限元分析，结果表明，相同荷载条件下两种路面结构所受的剪应力有较大差异，水平力对剪应力亦有较大的影响；基层模量、面层厚度、面层模量对沥青层内的剪应力影响均比较显著．因此，为防治车辙，应该在路面设计时对路面结构组合类型的抗车辙能力进行充分的考虑，并严格控制超载．     

混合式基层沥青路面动态响应测试结果特征分析

依托遂广高速公路沥青路面动态响应试验段,进行了系统采集数据的有效性分析,并基于沥青混合料、级配碎石和土体经典力学理论,评价了单后轴和双后轴货车作用下路面结构内部水平应变和竖向力学指标时程曲线的力学基本特征.研究结果表明:移动荷载作用下,沥青层层底纵向应变先后出现压—拉—压循环交变应变,沥青层层底横向应变表现为压—拉两个过程,沥青层层底纵向和横向应变应分别采用应变幅值和拉应变峰值作为路面在荷载作用下实际应变变化值,且沥青层层底横向应变测值受轮胎作用位置影响较大;同时,荷载驶离传感器后,沥青层层底水平应变响应存在明显残余应变,而土基顶面竖向压应力并不存在残余应力;双后轴货车后轴对应的路基顶面竖向压应力和沥青层层底横向应变叠加效应显著高于其他指标.现场试验证实,路面结构动态计算分析中,路基可简化为弹性体,沥青混合料材料应考虑其黏弹性特征,级配碎石过渡层应考虑其永久变形特性.     

不同荷载模式作用下饱水沥青路面结构动力响应对比分析

目的探讨不同荷载模式下饱水沥青路面结构的水损害机理,改进和完善沥青路面防排水设计方法.方法基于沥青混合料的渗透试验和多孔介质流固耦合理论,采用非线性有限元方法,对比分析了碗形分布荷载和均布荷载作用下饱水沥青路面结构各力学场量的变化并进行数值模拟分析.结果在均布荷载和碗型荷载两载模式下,饱水沥青路面结构内部各力学场量的时程变化特性相类似,均随着车轮动荷载的作用过程表现出波动性和滞后性,孔隙水压力对体积应力和应变影响较大.与均布荷载下计算结果相比,碗形分布荷载作用时上面层内最大正孔隙水压力高0.18倍,下面层底部最大水平拉应力和最大水平拉应变分别高0.14倍和0.15倍,中面层底部最大竖向压应力和基层底部最大竖向拉应力分别高0.23倍和0.03倍,路表最大竖向位移高0.07倍,面层内最大剪应力高0.05倍.结论在碗形分布荷载作用下,饱水沥青路面更容易产生水损害.采用接近于实际车轮荷载的碗形分布荷载模式来开展饱水沥青路面动力响应分析更为合理.     

考虑横向接地应力的沥青路面剪应力分析

采用ABAQUS软件建立三维半刚性路面结构模型,单轴双轮加载模式,每个轮胎荷载简化成5条可移动的应力、长度和宽度不同的条带非均布荷载,使用Fortran语言编写程序Dload和Utracload子程序,用以施加垂直荷载、水平荷载和横向荷载.分析模拟车辆在考虑横向力作用下的路面剪应力分布状况.结果表明:当横向力系数增大时,路表正剪应力减小,负剪应力增加.最大正剪应力出现的位置位于轮胎两侧边缘;中间荷载带的负剪应力逐渐增加并超过轮胎边缘剪应力,最大负剪应力由边缘位置向中间荷载带转移.横向力系数与路面不同层位不同点位(5个荷载带中点和轮隙中心点)剪应力呈线性增加关系,横向力系数对路面剪应力影响最大,对其他层位剪应力的影响随深度增大依次减小.     

复合式机场道面荷载应力

为了分析复合式机场道面的荷载应力,建立了9块板的复合式机场道面三维有限元模型,以B777-200飞机荷载为计算荷载,选取沥青混凝土层底拉应力、沥青混凝土剪应力、水泥混凝土板底拉应力为考察指标,分析复合式机场道面的最不利荷位;利用正交设计分析结构参数对荷载应力影响的显著性,指导复合式机场道面结构设计。研究表明:水泥混凝土板底拉应力应该作为复合式机场道面荷载应力分析的关键指标,复合式机场道面基于多板分析的最不利荷位位于三轴双轮荷载的中轴荷载与板边中点相切处;增加水泥混凝土板模量对板底拉应力负面影响显著,增强土基模量可以明显减小水泥混凝土板底拉应力和沥青混凝土层底拉应力;复合式机场道面结构设计过程中,必须重视土基处理,提高土基强度;不能过分强调增加水泥混凝土板的模量,应该综合考虑其弯拉强度,合理选择水泥混凝土配合比。     

基于非均布荷载的柔性基层沥青路面纵向开裂分析

为研究柔性基层沥青路面纵向裂缝的产生机理和发展规律,实测了子午线货车轮胎在不同轴重和胎压下的接地印迹与应力。借助实测的子午线轮胎接地面积和简化的非均布轮载应力,建立了轮胎-路面非均布条形荷载力学计算模型,对不同沥青层厚度的柔性基层沥青路面结构进行了三维有限元分析,计算超载和设计轴载工况下2种路面结构最大拉应力和最大剪应力值及其发生位置,并依托级配碎石基层沥青路面足尺试验路进行了加速加载破坏试验,得到了中低温环境下沥青层开裂类型、发生位置和发展变化规律,提出以轮胎胎纹间隙处的最大剪应力作为沥青路面自顶向下开裂的力学指标;基于力学分析指标和足尺试验路疲劳破坏作用次数,构建沥青路面自顶向下疲劳开裂预估模型。研究结果表明:柔性基层沥青路面最大拉应力远离轮迹带,其应力值远小于沥青混合料的容许拉应力,对沥青层自顶向下扩展的纵向开裂无影响;最大剪应力发生在路表或距路表一定深度范围内,轴载越大,最大剪应力越接近路表,水平力越大,最大剪应力越靠近轮底中心;当轮载水平力系数由0增加至0.5时,最大剪应力由轮底边缘移至子午线轮胎第2条凸纹与第3条凸纹间隙处。足尺试验路重轴载加速加载破坏试验时,柔性基层沥青路面最先发生了位于轮底中心、源自路表自顶向下扩展的间断纵向裂缝,随重复轮载作用纵向裂缝逐渐连通,裂缝的扩展方向与轮胎胎纹走向一致,印证了纵向开裂源于轮底轮胎胎纹间隙处的理论分析结果,明晰了柔性基层沥青路面自顶向下开裂的关键破坏源。     

钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节疲劳应力特征

为研究钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节的疲劳应力特征,通过建立四跨连续钢板梁桥整体有限元模型以及无横梁处、小横梁处主梁两种节段有限元模型,提取疲劳荷载移动下的两主梁竖向位移差,对比分析无横梁与小横梁两种情况主梁相对竖向位移的差异及原因,进一步提取主梁与竖向加劲肋连接细节应力,讨论无横梁与小横梁两种情况主梁与竖向加劲肋连接细节疲劳应力的差异,得到钢板组合梁桥主梁与竖向加劲肋连接细节的疲劳易损部位。结果表明:车辆荷载对主梁构造应力顺桥向影响范围为荷载所在跨范围内,横桥向对无横梁处主梁的竖向位移差影响效果更大;无横梁处主梁在主梁腹板与下翼缘连接焊缝的焊趾处有较大拉应力,而小横梁处主梁在竖向加劲肋与主梁腹板围焊端部的焊趾处产生更大的拉应力。