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原文传递基于表面细观纹理的钢桥面沥青混凝土铺装抗滑机理研究

论文题名：	基于表面细观纹理的钢桥面沥青混凝土铺装抗滑机理研究
关键词：	钢桥面铺装;抗滑机理;表面形貌;行车安全性
摘要：	钢桥面铺装因特定受力环境和使用要求，其表面抗滑性能受到关注。影响沥青混凝土铺装抗滑性能的本质是其表面宏观纹理和微观纹理，而不同尺度纹理受材料设计和施工条件影响，具有明显的随机性和复杂性。现阶段常用的纹理表征参数并不能描述多尺度纹理空间分布特征，路表纹理特征与抗滑性能的量化关系尚待深究。钢桥面铺装行车安全性受轮胎与铺装摩擦特性的影响，基于路表形貌的胎路接触理论有待完善。由于设计阶段对钢桥面铺装抗滑性能的预估不准确，对行车安全造成较大的影响。为此，本文依托国家自然科学基金面上项目“钢桥面铺装细观纹理抗滑机理及性能衰减演化研究”（No.51678146）和东南大学优秀博士学位论文基金（No.YBJJ1680），通过对路表空间纹理形貌的重构，探究了不同尺度空间纹理对钢桥面铺装抗滑影响机理及性能衰减规律，在轮胎-铺装细观接触摩擦模型研究基础上，构建了适用于钢桥面铺装结构的轮胎-水膜-铺装多相接触模型，并揭示了纹理特征、轮胎运动及流体介质对抗滑性能的耦合作用。论文研究方法为钢桥面铺装行车安全性分析提供了新的技术手段，研究成果初步建立了细观纹理对钢桥面铺装抗滑机理及性能衰减演化影响规律，也为明确安全行车的纹理构造、限速要求及抗滑最佳修复时机等提供了理论依据。　　首先，采用切片光学扫描技术获得了沥青混凝土试件断面图像，基于Canny边缘检测算法，并结合腐蚀膨胀算法和边缘坐标读取算法，开发了一种沥青混凝土铺装表面纹理轮廓线提取技术，可以有效地保存铺装表面纹理轮廓细节和信息；运用Hilbert-Huang变换技术处理铺装表面纹理轮廓信息，剔除与抗滑性能无关的构造分量，并结合频谱分析方法提出了沥青混凝土铺装表面不同尺度纹理的形貌分布特征参数。　　其次，设计了钢桥面铺装结构抗滑性能多因素多水平正交试验，获得不同设计、施工条件下钢桥面铺装纹理特征参数和抗滑性能指标参数数据，通过不同尺度纹理形貌分布特征参数与抗滑性能的相关性分析，建立了不同尺度纹理对抗滑性能的影响关系，并在此基础上采用逐步回归方法建立了基于纹理特征参数的动态摩擦系数预测模型；开展了钢桥面铺装设计、施工因素对抗滑性能影响显著性分析，并对抗滑性能影响关键因素进行参数化研究，在此基础上建立了基于GA-BP神经网络的钢桥面铺装抗滑性能评估模型，实现了设计阶段对建成后铺装结构抗滑安全性能的有效评估；采用行车荷载模拟系统MMLS3开展钢桥面铺装室内加速磨耗试验，研究纹理退化与抗滑性能衰减演化的相关性，并建立了钢桥面铺装抗滑性能预测模型。　　然后，通过单轴拉伸试验和DSR试验确定了橡胶材料的超弹性和黏弹性材料参数，建立了带复杂胎面花纹的子午线轮胎有限元模型，并模拟分析了钢桥面铺装结构轮胎接地特性；采用X-ray CT断层扫描技术和改进最大类间方差自适应阈值算法对钢桥面铺装表面构造特征进行图像处理，并基于逆向体视学理论及体素建模技术，建立了钢桥面铺装三维数值模型，较好地还原了铺装表面细观纹理构造细节；引入Klüppel/Heinrich橡胶摩擦理论揭示了行驶轮胎与钢桥面铺装迟滞摩擦分量产生机制，在此基础上建立了轮胎-铺装细观接触摩擦模型，明确了橡胶滑移速度、橡胶黏弹性能、铺装表面形貌特征等对胎路摩擦影响关系；建立了行驶轮胎与钢桥面铺装相互作用分析模型，并采用压力胶片技术对模型有效性进行了验证，在此基础上通过模拟计算不同工况下轮胎附着系数和制动距离进行钢桥面铺装抗滑行为分析。　　最后，基于CEL算法建立了轮胎-水膜-铺装耦合分析模型，通过对钢桥面铺装高速行驶轮胎的滑水现象进行模拟，对比分析了不同工况下轮胎的滑水性能，初步建立了轮胎操纵条件、水膜厚度、铺装表面形貌特征等因素对降雨条件下钢桥面铺装行车安全性的影响规律。
作者：	刘阳
专业：	交通运输工程
导师：	黄卫;钱振东
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2019
正文语种：	中文