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1、,桥面铺装疲劳损伤分析,目 录,研究的背景与意义 损伤力学基本理论 研究内容与目标 预计的论文主要章节 论文进度安排,研究的背景与意义,桥面铺装作为桥梁整体结构的一个重要组成部分，其质量的好坏对于桥梁建成后在营运期间行车的安全性、舒适性和美观性都起着至关重要的作用。 桥面铺装在行车荷载、风载、温度应力及桥面板局部变形等综合因素影响下，其受力和变形较为复杂，因此，桥面铺装也是桥梁整体结构中较为薄弱的环节，其破坏的可能性远远超出桥梁的其它部分，一旦桥面铺装出现破坏，将直接对桥梁的使用功能和使用质量产生不利影响。 近年来随着我国公路桥梁建设快速发展，桥梁结构不断创新，大跨径桥梁己很普遍，但桥面铺装的
2、设计与施工仍沿用传统的习惯做法，在进行桥梁结构设计时，对桥面铺装层一般不作专门的计算分析。这就导致了许多桥梁随着交通量和重型车辆的增加，在半年至一年内即出现了较为严重的桥面铺装损坏。,1.问题的提出,研究的背景与意义,公路桥涵通用设计规范( JTGD502006)和公路沥青路面设计规范( JTGD502006)仅对桥面铺装结构所用材料、做法及厚度等作了指导性的说明，而具体如何设计，则只字未提。由此可见，现行规范中桥面铺装设计还是空白，有必要进行系统的分析研究。,2.桥面铺装结构破坏形式、破坏理论与方法,沥青混合料桥面铺装与沥青类混凝土路面一样，主要承受重复施加的车辆荷载和大气的温湿作用，其不同
3、之处在于：沥青类路面支承在地基和基层上，其基础条件可用文克勒（E.Winkler）地基和弹性半空间体地基来描述，而桥面铺装的支承条件则与支承铺装层的桥梁主体结构、桥面系、柔性防水层等在受力下的变形特征有关。,研究的背景与意义,由于桥面铺装受桥梁结构的约束，受荷后其边界条件与一般路面相比差异很大，加之梁体的挠度、扭曲等形变的耦合作用，给铺装层的工作性能造成不利影响，也使桥面铺装设计较一般路面更加复杂。基于此，借鉴沥青类路面结构相对成熟的理论与方法并结合受荷后桥面铺装层的实际边界条件进行桥面铺装性能的研究和分析，可以得到与实际情况一致的结果。,研究的背景与意义,荷载型裂缝：主要由于交通荷载作用产生
4、的疲劳裂缝，体现为剪 切型开裂方式。 非荷载型裂缝：不是由交通荷载引起的裂缝，主要为温度型裂缝，包括低温收缩开裂与温度疲劳开裂，均体现为张开型开裂方式。,传统的破坏理论与方法：主要基于不同类型数据的调查采集，总结提出经验性的公式与方法。,研究的背景与意义,基于断裂力学的破坏理论与应用：承认由于荷载的循环作用而在材料内部造成的损伤的累积，但相关的分析是针对连续完整、无缺陷的结构体系进行的，并没考虑材料、结构内部先天存在的缺陷或因使用期逐渐出现的缺陷对结构造成的不利影响。 基于损伤力学的破坏理论与应用：结构在交变荷载作用下会产生大量的微裂纹形核，并且微裂缝随着荷载循环次数的增加而逐渐扩展，最终形成
5、宏观裂缝导致材料的断裂。 疲劳分析的损伤力学方法与传统方法相比，其优越性主要表现在： 可有效降低疲劳分析对实验的依赖程度，节省分析费用，有效提高寿命 预测的精度；可将疲劳裂纹形成于裂纹扩展两个阶段统一在损伤力学理 论框架下进行分析和描述，可对整个疲劳过程中的力学行为（如应力、 应变、刚度等的演化过程）进行数值模拟计算。 以往的研究基本上采用基于应变等效假设的经典损伤理论。在由不可逆热力学建立的损伤理论的基础上，可以发展既能提高分析精度，又能有效控制计算规模的实用有效的损伤本构方程与损伤演化方程。,损伤力学基本理论,损伤变量D： , 为无损状态的横截面积， 损伤后有效承载面积 。 在无损状态下，
6、D=0 。而D=1 为理论上的极限损伤状态(完全损伤) 。 经典连续损伤理论中，通常是由有效应力概念和应变等效假设来建立损伤材料的本构方程。有效应力概念和应变等效假设也曾在很大程度上促进了连续损伤力学的理论发展及其实际应用。但其理论缺陷和局限性随着研究的进一步深入而逐渐暴露了出来。为了克服这一缺陷，唐雪松等在严格的不可逆热力学基础上，提出了建立损伤本构方程的本构泛函展开法，建立了弹性损伤的一般理论。其损伤演化方程的一般形式为： 式中 、 为无因次非负材料损伤参数。,1.弹性损伤本构关系的一般形式,损伤力学基本理论,对于沥青混合料加铺层，因其主要承受交通荷载的循环作用，对其损伤破坏研究应从疲劳损
7、伤力学出发。 由于实际问题的复杂性，理论模型与计算往往难以全面反映疲劳失效的实际物理过程。此时，一般主要关心工程结构的疲劳寿命，而工程结构的应力、应变、刚度等内场量的变化历史可作为次要问题提出。一般情况下，疲劳损伤演化方程可表示为： 式中 为荷载循环中的应力变化幅度， 为平均应力。 随着荷载循环次数的增加，损伤逐渐累积。如何处理损伤的累积，是类似道路交通车辆这类多种荷载作用情形下疲劳分析的一个重要问题。根据Miner线性损伤累积理论，一种常用的疲劳损伤演化方程为：,2.损伤力学在沥青混合料破坏研究中的应用,损伤力学基本理论,式中，a*，p，q为材料的疲劳损伤特性参数， 为荷载循环过程中应力变程
8、(变化幅度)。 沥青混合料是一种热流变简单材料，具有黏弹性性质，其应力应变力学响应依赖于加载历史和环境温度，其损伤发展特征与经典损伤理论所表述的不同，如经典的弹性损伤模型无法表述加载频率、加载顺序等因素对损伤发展的影响，需要建立基于材料黏弹特性的损伤模型。国内学者提出了一种沥青混合料黏弹性疲劳损伤演化方程： 式中 , 为温频等效因子 基于不可逆热力学的沥青混合料损伤演化方程： 沥青混合材料在交通荷载循环作用的损伤问题，可以近似处理成弹性损伤问题。应力-应变本构关系可写成如下矩阵形式,损伤力学基本理论,式中，为应力向量，为应变向量, C为弹性矩阵，D为损伤变量，a1与a2为材料无因次特性损伤参数
9、。 相应的损伤演化方程是 式中 A与 m为材料损伤演化特性参数， 与 为Lame 弹性常数，eq是von Mises等效应变(反应材料单元剪切变形所产生的损伤)，eij是应变偏量，m是体积应变(反应材料单元体积变化产生的损伤)，N为循环次数。对于疲劳问题，以上各场量均表示每周循环中的最大值。 当D=1时，材料完全失效。在失效区域，材料的有效弹性常数应降为0，这要求a1+a2=1。因此，沥青混合料损伤本构模型中，含有三个独立的材料损伤参数，即a1、A与m。,研究内容与目标,炎汝高速黑垅大桥位于湖南与广东交界的湖南省汝城县，桥梁全长796m，主桥为三跨混凝土连续刚构桥。具体桥跨布置为（60+100
10、+60）m，主桥长220m，单幅桥宽12m。桥面铺装层为10cm厚沥青混凝土。,1.工程实例,黑垅大桥主桥立面图,研究内容与目标,黑垅大桥主桥平面图,2.研究的主要内容,从不可逆热力学理论出发，研究沥青混合料损伤机理和损伤本构 的理论基础，建立适用于沥青混合料的疲劳损伤本构模型。 利用ABAQUS有限元软件，建立全桥有限元模型，进行交通荷载 作用下的静力计算与分析，绘出桥面铺装应力、应变云图，从而根 据其疲劳开裂前的损伤分析计算出有关的疲劳损伤特征参数。 将已计算出的疲劳损伤特征参数代入疲劳损伤演化方程，预估不同厚度的桥面铺装在循环交通荷载作用下的疲劳寿命，得出桥面铺装最优的厚度范围，并与现行
11、规范进行比较。,研究内容与目标,考虑铺装层与混凝土面板之间的有限滑移，分析不同摩阻系数下，铺装层与混凝土面板之间粘结力大小对铺装层疲劳寿命的影响。 分析提高铺装层疲劳寿命的方法，如在沥青混合料中加入钢纤维等。,预计的论文主要章节,第一章 绪论 第二章 沥青混合料损伤力学基础 第三章 沥青混合料的疲劳损伤本构模型 第四章 沥青混合料悬臂梁疲劳损伤过程分析 第五章 黑垅大桥桥面铺装疲劳损伤分析 第六章 结论与展望,论文进度安排,2012.102012.11查阅相关文献，完成文献综述。 2012.112013.02建立结构的空间分析有限元模型，运用相关理论和方法研究黑垅大桥桥面铺装疲劳损伤分析。 2013.022013.04对论文进行组稿、修改、统稿。 2013.5提交论文答辩。,