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原文传递考虑粘结界面特性的钢桥面铺装细观开裂行为研究

论文题名：	考虑粘结界面特性的钢桥面铺装细观开裂行为研究
关键词：	钢桥面铺装;粘结界面特性;复合结构试验;细观开裂行为;扩展有限元
摘要：	裂缝是钢桥面铺装体系的主要病害形式之一，若得不到有效防治，裂缝会发生失稳性扩展，最终导致整个铺装体系的结构失效。受正交异性钢桥面系构造特性和粘结界面特性的影响，裂缝一般在铺装层和粘结层区域呈自上而下（Top-down）或自下而上（Down-top）的扩展形态。然而，现有研究成果大多数集中于铺装体系开裂前的力学响应分析、铺装沥青混凝土宏细观开裂特性分析、粘结界面各类剪切破坏分析等方面，较少涉及三维裂缝自上而下或自下而上的全过程扩展分析，且较少考虑粘结界面特性对钢桥面铺装细观开裂行为的影响。在此背景下，本文依托国家自然基金项目（编号：51278518和51778142），致力于设计一种能反映钢桥面铺装体系真实开裂模式的复合结构试验，并研究一种准确模拟钢桥面铺装体系三维裂纹面扩展过程的数值模型，明晰不同工况下钢桥面铺装体系由启裂到扩展再到失稳破坏的全过程，在细观尺度下揭示铺装沥青混凝土裂缝和粘结界面裂缝相互作用机理。主要研究内容如下：　　（1）从细观角度分析粘结界面区域内的各细观相，并给出了三种铺装体系细观结构模式。另外，基于3DVoronoi原理提出了一种细观骨架可控的随机模型生成方法，解决传统随机投放技术的投放率低、CPU耗费过大等问题。　　（2）根据钢桥面体系的实际受力情况，设计了可以反映铺装及粘结界面开裂行为的复合梁试验。采用高清摄像设备监控试验过程，结合数字图像分析技术还原了试件表面位移场，并反演了铺装及粘结界面开裂的门槛值。同时追踪裂纹发展状态，研究了试验试件的P-CMOD曲线规律、细观破坏形态和裂纹扩展机理，并探究了裂纹扩展“七阶段”的演变规律。研究表明，预制缝位置、粘结层厚度和试件类型均对P-CMOD曲线规律和裂纹扩展形态均产生了影响；在裂纹扩展“七阶段”中，启裂和失稳可分别作为预防性养护和大范围修补的预警信号。　　（3）基于空间解析几何学理论，发展了显-隐式混合表征法来描述裂纹面和夹杂（粗集料）边界形态，并解决了单质裂纹和界面裂纹扩展、夹杂体边界逼近、裂纹面接触以及裂纹面粘聚阻裂等问题，进而开发了适用于钢桥面铺装细观开裂问题的3D扩展有限元模拟程序。此外，从能量角度分析了椭球扩展准则的理论依据，以便更好的把握钢桥面铺装裂纹扩展机理。　　（4）基于细观骨架可控的随机模型生成方法，构建了包含粘结界面特性的复合梁细观数值模型；通过引入椭球扩展准则和3D扩展有限元计算程序，模拟了钢桥面铺装体系三维裂纹面扩展过程；同时提出时步优化算法，大幅降低了数值模型的计算时间成本，并与室内试验结果进行对比，验证了数值模拟结果的正确性。在此基础上，研究了不同工况下复合梁的裂纹面形态演变、应力分布特征以及开裂模式等；另外，利用所建立的复合梁数值模拟方法，探究了细观结构参数和外界温度对开裂行为的影响规律。研究表明，铺装裂纹以I型开裂为主，粘结界面裂纹以Ⅰ-Ⅱ型和Ⅰ-Ⅱ-Ⅲ型开裂为主；铺装裂纹偏折角与粘结裂纹长度比以及粘结裂纹扩展速度比均呈指数正相关；在一定范围内，粗集料的球度和方位角越小、棱角指数越大以及空间分布越均匀，铺装结构抵抗极限荷载能力越强；不同温度下，钢桥面铺装体系内部裂纹发育呈现多变的扩展机理。　　（5）以钢桥面铺装梁段为研究对象，提出了裂纹面前缘自动加密算法，在保证钢桥面铺装梁段模型计算精度的同时，可以最大可能地提高了计算效率，进而使上文提出的扩展有限元裂纹分析方法能够较好模拟铺装梁段三维裂纹面扩展过程。分析了不同荷位工况下钢桥面铺装梁段的裂纹面形态演变、扩展区域位置、应力分布特征以及开裂模式等。最后，借助熵权法和灰色关联理论分析了复合梁细观裂纹扩展与钢桥面铺装梁段宏观断裂之间的关联性，明确了不同复合梁模型表征铺装梁段开裂行为的应用场景。
作者：	任仲山
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	张磊
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2021