解析解下沥青路面动力响应分析及应用

根据沥青路面不仅具有弹性而且具有黏滞性的特点,将沥青路面简化为支撑在黏弹性地基上的黏弹性梁.建立了移动载荷作用下粱的动力学模型并求得了其解析解.通过对解析解进行数值计算,研究了车辆速度、轴载和面层黏性阻尼等主要参数对路面动力响应的影响.结果表明,沥青路面动力响应随着车辆速度的减小而增大,与轴载成线性比例增加关系,并随着面层黏性阻尼的增大而减小.     

粘弹性沥青路面在行驶车辆下应变力研究

针对传统的把行驶车辆看作静载荷对公路的影响的研究的不足,研究了黏弹性沥青路面在行驶车辆荷载作用下动力响应的数值模拟,分析了移动车辆作用下路面三向应变动力响应规律。最后同应变现场实测结果进行了对比分析。结果表明能较好地模拟实际行驶车辆载荷作用下沥青路面的力学响应。     

温度场及非均布移动荷载作用下沥青路面力学响应分析

为研究路面结构实际温度场对沥青路面结构动力响应的影响,基于路面结构温度场现场实测数据及室内实际路面材料动态模量试验结果,建立温度场分析和非均布移动荷载作用下沥青路面瞬态动力分析三维有限元模型,分析路面结构在实际温度-荷载作用下的动力响应规律,并与传统的等温结构模型动力响应结果进行对比分析.结果表明,层底控温方法模拟出的温度场可用于分析夏季高温时段和低温时段沥青路面的实际动力响应;夏季一天中高温时段,等温模型高估了竖向应变及上、下面层的剪应变,低估了中面层的剪应变;夏季一天中低温时段,沥青路面的实际动力响应大于等温模型的计算值,等温模型低估了温度分布对沥青路面车辙和开裂的影响.     

温度场及非均布移动荷载作用下

为研究路面结构实际温度场对沥青路面结构动力响应的影响,基于路面结构温度场现场实测数据及室内实际路面材料动态模量试验结果,建立温度场分析和非均布移动荷载作用下沥青路面瞬态动力分析三维有限元模型,分析路面结构在实际温度荷载作用下的动力响应规律,并与传统的等温结构模型动力响应结果进行对比分析.结果表明,层底控温方法模拟出的温度场可用于分析夏季高温时段和低温时段沥青路面的实际动力响应;夏季一天中高温时段,等温模型高估了竖向应变及上、下面层的剪应变,低估了中面层的剪应变;夏季一天中低温时段,沥青路面的实际动力响应大于等温模型的计算值,等温模型低估了温度分布对沥青路面车辙和开裂的影响.     

移动荷载下倒装结构沥青路面动力响应

为了研究交通荷载下倒装结构沥青路面的动力响应规律,建立了移动荷载下粘弹性层状体系动力学模型,采用多参数评价方法,研究了轴重和车辆速度对倒装结构沥青路面动力响应的影响.研究结果表明:路面结构动力响应随着轴重的增加而增加,随着速度的增加而减小,但轴重和速度对不同的动力响应参数的影响不同;随着轴重的增加,面层内部出现最大剪应变的位置深度增加,路面的破坏深度增加;BZZ-100标准荷载下,面层内部7～8 cm深度位置剪应变最大,该深度位置应采用稳定性较好的改性沥青.     

基于动载荷模拟的半刚性沥青路面响应分析

提出了一种基于虚拟样机和有限元技术的半刚性沥青路面动载荷响应分析方法,可准确计算重型货车各轴的动载荷.分析动、静载荷共同作用下路面的应力、应变,有效预测路面疲劳寿命.依据车辆动力学原理,基于ADAMS平台构建重型货车一路面系统的多自由度虚拟样机模型,通过仿真得出第一轴右侧单轮和第三轴右侧双轮的动载荷变化规律;基于弹性层状体系理论建立半刚性沥青路面的3D黏弹性有限元模型,在考虑轮胎矩形印迹和动载荷动态性的基础上,分析和比较单、双轮载荷作用下的路面响应.研究结果表明,路面的疲劳破坏是动载荷引起的水平应力、横向应力和垂直应力共同作用的结果,水平应力的交变变化是破坏的主要因素;此外,重型货车的后轴双轮造成的路面疲劳断裂破坏为前轴单轮的3.96倍.     

沥青路面线性疲劳损伤特性及形变规律

为了研究沥青路面结构在车辆荷载作用下的疲劳损伤演化特性并分析其形变规律,运用通用有限元软件ABAQUS及其二次开发平台,建立考虑路面材料疲劳损伤的沥青路面结构数值计算模型,分析沥青路面结构在车辆荷载反复作用下路面结构损伤和水平正应变的空间分布与演化规律,以及路表弯沉随荷载作用的演变规律.结果表明:路面结构损伤主要分布在双轮中心线下靠近层底的区域,基层层底与底基层层底损伤度随荷载作用均增加,但增加幅度逐渐减小;路面结构层内水平正应变在荷载作用下,靠近层底位置拉应变逐渐增大,但增加幅度逐渐减小,中性轴上移;路表弯沉在荷载作用下逐渐增大,但增加幅度逐渐减小.研究结果可为沥青路面结构设计、养护维修及长期性能预测提供理论支撑.     

级配碎石基层非线性对沥青路面结构受力的影响

目的基于级配碎石基层材料的非线性特征,研究级配碎石上基层沥青路面结构力学响应规律,进而为该种路面结构设计提供理论依据.方法通过ABAQUS有限元软件的二次开发,运用Fortran语言对级配碎石非线性本构模型进行编译,建立级配碎石上基层沥青路面结构的有限元模型.结果随级配碎石层和面层厚度的增加,级配碎石非线性沥青路面结构各结构层所受层底拉应力较级配碎石线弹性沥青路面结构都有所增加,路表弯沉变化不大.推荐在中等级交通下的面层厚度为7~15 cm,级配碎石层厚度为10~15 cm.结论应用该种路面结构时,考虑到级配碎石层非线性对该路面结构受力产生的不利影响,必须确定合理的级配碎石层和面层厚度.     

考虑蠕变固结的高温沥青路面响应仿真

为研究行车载荷和高温作用下沥青路面的变形演化规律,通过对沥青混合料高温粘弹性特性和行车载荷对路面作用的分析,提出采用修正Burgers模型作为沥青混合料的本构模型,对双轮标准轴载作用下高速公路沥青路面的应力场和变形场进行有限元分析.研究结果表明:路表竖向位移增加最快,沥青混合料发生了流变;面层内部水平应力变化剧烈,底基层底面水平拉应力最大;最大剪应力出现在轮迹两边的面层内部,影响范围主要集中在路面结构层内,沥青混合料发生应力松弛现象;竖向最大应力出现在路表轮迹处,轮迹下方区域内压应力呈衰减趋势分布,面层是产生路面车辙的主要区域.     

竖向动态荷载作用下沥青路面力学响应分析

在动荷载作用下,沥青路面结构的应力、弯沉值变化规律同静载作用时不同。应用有限元程序NASTRAL对沥青路面在竖向动态载荷作用下的路面结构响应进行了数值模拟,分析了二维平面应变模型动态响应规律。指出在竖向动态荷载作用下,随着车速的增加,路面的最大弯沉将减少,其值视动载作用时间不同而为静载作用时的几分之一到十几分之一。当载荷消失后,路面内各计算点的应力值迅速减小,尤其竖向应力减小幅度更大。路面最大弯沉值与路面内各计算点的应力最大值出现时间不同,应力在载荷消失后立即达到最大值或延迟时间非常短,而弯沉最大值延迟时间相对较长。     

重载作用下沥青路面结构动态响应敏感性分析

采用三维有限元动力分析模型,分析了重载移动作用下轴载重量、轴载速度、路面结构参数等因素变化,对沥青路面动态响应的影响.结果表明:路面动态响应随着轴重的增加呈线性显著增加;轴载速度对路面动态响应有一定的影响,路面结构动态响应随轴载速度的增加呈现先增加再降低的趋势,重载车辆以常见速度运行时,对路面结构产生的疲劳破坏影响显著大于静载产生的疲劳破坏;路面结构参数中,面层厚度对路表剪应力、路表竖向压应力影响特别显著,路基模量对路表弯沉、底基层拉应力、路基顶面压应变影响特别显著.     

考虑层间界面剪切损伤的复合式沥青路面力学特性

提出沥青路面层间界面剪切损伤本构关系方程、引入Goodman接触单元,模拟路面各分层之间的应力接触传递;基于ANSYS软件建立起考虑层间界面剪切损伤的沥青路面数值分析模型,对重载车辆制动荷载作用下典型复合式沥青路面结构的力学特性进行分析.研究表明,车辆轴重和层间粘结强度对层间界面损伤度、路面内水平剪应力及最大值位置、路面总沉降均有不同程度的影响;车辆超载1倍并制动时,层间界面损伤度最大值增加约50%,路面水平剪应力和沉降最大值翻1倍多;层间粘结强度减弱50%时,标准轴重车辆制动荷载下层间界面剪切损伤度翻1.5倍多,路面内水平剪应力、沉降最大值增加20%~30%.     

考虑摩擦系数的沥青路面动态轴载换算

为研究复杂工况下的动态轴载换算,分析了车辆移动荷载作用下沥青路面的动力响应,对数值计算的有效性和车辆行驶特性的影响进行了研究,并提出了动态轴载换算公式.基于二维Lamb问题验证了数值计算的有效性,并建立刚性基层沥青路面的三维动力学数值模型,分析不同车速、路面摩擦系数和轴载等因素的影响.当荷载匀速移动时,轴载和路面摩擦系数对路面动力响应的影响明显,考虑摩擦系数的动态轴载换算指数明显大于静态荷载.结合车辆和路面多种影响因素的三维有限元计算模型更符合沥青路面结构的实际受力状态,动态轴载换算公式可用来改进当前的规范设计.     

沥青路面剪应力粘弹性响应分析

对典型沥青路面结构建立了粘弹性三维有限元模型,分析了半正弦荷载作用下路面结构内剪应力粘弹性响应的变化规律,并研究了温度、深度等因素对剪应力的影响.结果表明在半正弦荷载作用的末期,路面结构承受的剪应力由正向变为反向,在循环荷载作用下,路面结构承受正向和反向剪应力的重复作用,剪应力和剪应变随深度先增加后减小.在同一深度,剪应力随温度的增加而减小,但剪应变随温度的增加而增加.     

荒漠地区耐久性沥青路面结构设计指标与路面结构力学分析

通过分析荒漠地区恶劣自然环境下的重荷载交通沥青路面使用状况,采用有限元分析,提出了采用路面性能指数PCI、路表面弯沉与路面车辙作为路面结构的设计指标;得出了荒漠地区耐久性沥青路面结构受力分布.结果表明:不同轴载作用下路表最大竖向变形与轴载近似成线性关系,随着轴载的增大,最大竖向变形逐渐增大;路表最大拉应力以轮轴线呈现对称分布;路面结构层内的剪应力随着深度增加而增大,在距路表5 cm处剪应力达到峰值.研究成果可为荒漠地区耐久性沥青路面选材与结构设计提供科学的理论支撑与技术指导.     

基于两点路表弯沉反算土基回弹模量的研究

基于层状弹性理论,利用远离承载板中心的两点路表变形响应反算土基回弹模量。根据半刚性基层沥青路面常用路面结构组合形式,构建土基回弹模量与两点路表弯沉值之间一一对应的数据库,建立回归模型。由理论弯沉盆和实测弯沉盆的预测结果表明,建立的土基回弹模量回归预测模型具有良好的精度和可靠性,为进一步快速、有效地评定土基的承载能力提供了依据。     

基于车辆加载实验的沥青路面动力响应分析

为研究车辆荷载作用下路面结构的动力响应,对沥青路面进行不同轴重,车速及不同的沥青层厚度条件下路面动力响应实测。结果表明:(1)柔性基层底部、下面层底部应变随车速增加而减小,随轴重增加而增大;(2)轴重相同时,下面层底部应变大于柔性基层底部应变;(3)下面层底部及柔性基层底部应变均随沥青层厚度增加而减小,厚度增加至23 cm时柔性基层底部应变不再显著降低;(4)基于层状弹性理论体系的计算结果与实测应变发展趋势并不一致,计算结果显示柔性基层底部应变大于下面层底部,拉应变随深度增加而增大,而实测结果表明最大应变并没有如计算那样出现在柔性基层底,而是出现在下面层底,因此经典层状弹性理论体系中以沥青混合料层底拉应变为最不利应变具有一定局限性。     

沥青混合料在重复荷载作用下的黏弹性变形

为了研究沥青混合料在不同温度、不同应力下黏弹性变形响应,提出了基于三轴重复荷载试验评价沥青混合料抗车辙能力的方法,并对沥青路面车辙发展规律进行了分析。采用半正弦波荷载来模拟路面实际车辆荷载,基于黏弹性五单元八参数模型,推导了能够适用于三轴重复荷载试验的力学模型。结合三轴重复荷载试验的试验结果,利用Origin 8.5软件,对三轴重复荷载试验数据进行拟合,得到了相应的黏弹性参数。对比计算流动数和实测流动数,分析沥青混合料黏弹性变形特性。研究结果表明,温度越高、应力越大,混合料黏弹性变形越大,流变性越小;重复荷载作用下沥青混合料永久变形黏弹性力学模型参数拟合相关系数达到95%以上,表明该模型可以有效地反映沥青混合料黏弹性变形特性。     

FWD荷载作用下碾压混凝土基层沥青路面的动态响应试验

为研究碾压混凝土基层沥青路面在落锤式弯沉仪(falling weight deflectometer,FWD)荷载作用下的动态响应,铺筑了试验路,通过在试验路内部布设应变传感器,获取了不同工况条件下试验路路面结构层内的应变响应,分析了碾压混凝土基层沥青路面的动态特性及荷载、温度等因素对路面动态响应的影响,构建了碾压混凝土基层沥青路面结构沥青面层底最大水平拉应变预估模型.结果表明:FWD荷载作用下,在距离荷载板中心30 cm范围内路表弯沉变化较大,距离荷载板中心30 cm范围以外,路表弯沉随位置变化的幅度较小,且温度越高,这种趋势越明显;在加载中心点的正下方,路面结构层内部表现为拉应变,且荷载越大,应变越大;相同荷载作用下,碾压混凝土基层沥青路面的底基层、基层与面层底的应变均小于传统半刚性基层沥青路面,随着荷载水平增加及温度升高,路面结构层内部的应变逐渐增大;路面结构层底的应变随荷载增加呈线性增加,随温度升高呈指数增加,路面温度升高50%,50 kN荷载作用下沥青面层底的应变水平与100 kN荷载相当.     

生物软组织黏弹性参数反演方法研究

针对黏弹性参数反演中的模型选择问题,提出应用黏弹性材料的应力松弛曲线作为待反演的参数,不涉及任何黏弹性本构模型,采用有限元仿真与人工神经网络相结合的方法:通过有限元仿真得到不同应力松弛曲线下的剪切波传播速度,然后将仿真得到的数据作为训练样本输入到人工神经网络中进行训练,建立起生物组织黏弹性参数和剪切波传播速度的神经网络输出模型,有效解决了模型选择问题。最后通过粒子群优化算法反演得到组织的黏弹性参数。