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原文传递基于内聚力模型的钢桥面与铺装界面剪切特性研究

论文题名：	基于内聚力模型的钢桥面与铺装界面剪切特性研究
关键词：	钢桥面;铺装界面;剪切特性;内聚力模型
摘要：	钢桥面铺装是由单一或多个铺装层与钢桥面板组成的复合结构，各结构层间通过粘结材料结合为整体，层间界面的力学特性对铺装具有重要的影响，尤其钢桥面板与铺装的界面是影响钢桥面铺装使用性能和使用寿命的关键。钢桥面与沥青混凝土铺装的界面破坏和由此引起的铺装层推移、拥包等病害是钢桥面铺装的主要病害类型，也一直是大跨径钢桥建设中的技术难题。本文针对钢桥面与铺装界面特性分析中存在的问题，研制一种新型界面直剪试验装置，研究了两类现阶段常见的钢桥面与铺装界面的破坏形态、剪切力学特性、粘结-滑移演化规律，提出了界面剪切强度包络线和粘结损伤模型，建立了基于内聚力模型的钢桥面与铺装界面理论分析模型，对界面直剪试验进行全程仿真，并分析钢箱梁与桥面铺装界面的力学与变形特点及影响因素，为大跨径钢箱梁铺装界面抗剪切性能的评价及建立理论分析模型，提供了有效的方法。　　通过对钢桥面与铺装界面破坏特征分析，界面破坏的主要力学诱因是铺装复合结构弯曲变形、车辆加速或刹车、温度变化、纵横向斜坡等因素造成的面内剪应力。针对现有界面实验装置存在的问题，设计了一套新型钢桥面铺装的界面直剪试验装置，该装置可以对不同温度、法向应力和剪切速率条件下界面的力学特性进行测试，并提出了相应的试件制作与测试方法，为界面力学性能研究提供了有效的实验方法。　　利用新开发的钢桥面与铺装界面直剪试验装置，在二种试验温度、四种法向应力、二种剪切加载速率等多因素条件下，对“钢桥面板+环氧富锌漆+环氧沥青粘结材料+环氧沥青混合料”（Ⅰ型）和“钢桥面板+Eliminator防水粘结层+浇注式沥青混合料”（Ⅱ型）二类常用的钢桥面与铺装界面类型进行了一系列复合结构直剪试验。结果表明，钢桥面与铺装界面的破坏形态不受温度、法向应力和剪切速率的影响，均表现为钢板与铺装界面的剪切剥离;界面粘结滑移曲线呈现明显的非线性和软化行为且呈四阶段发展规律:线性增长阶段、屈服阶段、软化阶段、滑移阶段;界面行为与温度、剪切速率和法向应力等影响因素有明显相关性。　　基于摩尔-库仑强度理论，建立了钢桥面与铺装界面抗剪强度准则，并确定了不同温度条件下界面剪切强度包络线和界面残余抗剪强度包络线的力学参数。试验分析表明界面剪切强度、界面剪切模量和剪切滑移能受温度、法向应力水平和剪切速率的影响，随温度升高而减少、随法向应力水平和剪切速率增加而增大;界面剪切破坏位移受温度和剪切速率的影响，随温度升高而增大、随剪切速率增大而减少，而法向应力水平对界面剪切破坏位移的影响不明显。　　在曲线特征分析和试验数据统计的基础上，提出了基于双线性模型、线性-指数模型和Popovics模型的钢桥面与铺装界面粘结滑移模型，用以描述界面粘结-损伤-滑移的发展规律;对基于剪切强度与界面粘结劲度的双线性损伤模型和线性-指数损伤模型进行了分析研究，发现剪切强度双线性损伤模型和剪切强度线性-指数损伤模型与试验数据拟合较好，更适合于表征界面的损伤特性。　　建立了界面内聚力模型，定义了该模型中的张力—位移关系和损伤萌生判据，并在内聚力达到开裂强度之后，引入损伤变量来表征材料的损伤水平，分别建立了双线性和线性-指数界面内聚关系。通过基于内聚力模型的钢桥面与铺装界面有限元模型，分别对60℃时Ⅰ型界面在0MPa、0.2MPa、0.5MPa、0.7MPa的法向应力情况下不同剪切速率的荷载试验进行了数值仿真，并获取相应界面剪应力的演化历程。将由模型计算的得到界面剪切强度、剪切模量、剪切破坏位移等力学参数及软化曲线等与实测数据对比，结果表明基于线性-指数损伤模型的仿真结果最符合实测结果。　　建立了基于界面内聚力模型的全断面钢箱梁节段铺装有限元模型，并对界面滑移规律进行了模拟分析，揭示了车辆超载对钢桥面环氧沥青混凝土铺装结构损伤的界面起因及滑移机理。计算结果表明，钢桥面与铺装界面在车轮荷载作用下法向受压，切向同时受到两个方向的剪应力作用，界面出现的破坏属于Ⅱ型滑移开裂;钢桥面与铺装界面横桥向剪应力约为纵桥向剪应力的二倍，表明铺装复合结构弯曲作用引起的层间剪切效应显著大于刹车产生的界面剪切效应;采用基于内聚力模型的界面条件计算得到的铺装表面最大拉应力比连续界面增大11.6％，界面最大剪应力减小14.5％，内聚力模型消除了界面连续的不合理假设，使钢桥面铺装力学分析和寿命预估结果更加可靠;钢桥面板顶板厚度增加可有效减小钢桥面与铺装界面横桥向和纵桥向剪应力，减缓界面滑移病害的产生;而增加纵向加劲肋间距则会对界面受力产生不利的影响，纵向加劲肋厚度、高度以及横梁间距对界面受力的影响较小;Ⅰ型界面的极限车辆轴载为200kN，当车辆轴载处于200kN以下时，界面不会产生损伤，而当车辆轴载等于或大于200kN时，界面将会受损甚至滑移破坏。
作者：	程成
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	黄卫;刘松玉
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文