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原文传递 AC-ECC复合式长寿命路面结构力学响应及疲劳寿命分析

论文题名：	AC-ECC复合式长寿命路面结构力学响应及疲劳寿命分析
关键词：	复合式长寿命路面;超高韧性工程水泥基复合材料;有限元;力学响应;疲劳寿命
摘要：	目前，我国高速公路的设计年限为15～30年，但许多高速公路在建成通车几年内就发生了结构性损坏，需要进行大中修养护。这不仅会产生大量维修费用、造成资源浪费，而且会引起交通拥堵、降低道路通行能力。因此，设计出使用年限长、维修频率低、服役性能好的路面结构，是当前我国公路建设中的重要研究内容之一。本文依据我国路面结构发展特点，结合国内外长寿命路面理论和工程实践发展成果，构建了一种由沥青混合料(AC)作为磨耗层、超高韧性工程水泥基复合材料(EngineeredCementitiousComposite，以下简称ECC)作为主要承重层、无机结合料稳定类材料作为基层的新型复合式长寿命路面结构，并对其力学行为及疲劳寿命展开了研究，主要研究内容及结论如下: 　　(1)AC-ECC长寿命路面车辆荷载力学响应分析。采用ABAQUS有限元软件建立了路面三维有限元模型，通过正交试验(L16(4s))确定了影响路面结构受力性能的主次因素及影响程度，并采用全因子试验方法分析了车辆荷载作用下基层厚度、基层弹性模量及ECC层厚度三个显著因素对路面结构层力学响应的影响。结果表明，随着基层厚度、基层弹性模量及ECC层厚度的增大，沥青混合料层最大拉应变、沥青层与ECC层层间剪应力、ECC层最大拉应力及拉应变均呈减小趋势;基层最大拉应力随着基层厚度与ECC层厚度的增加而减小，随基层弹性模量的增大而增大。　　(2)AC-ECC长寿命路面温度荷载力学响应分析。首先，采用ABAQUS有限元软件建立路面结构温度场模型，得到最大温度梯度时各等温面沿深度方向的温度梯度公式。然后，将其导入温度应力模型中，通过正交试验(L16(45))确定了影响路面结构受力性能的主次因素及影响程度，并采用全因子试验方法分析了温度荷载作用下基层厚度、ECC层厚度及基层弹性模量三个显著因素对ECC层力学响应的影响。结果表明，随着基层厚度的增加，ECC层翘曲应力与拉应变呈减小趋势;随着ECC层厚度的增加，ECC层翘曲应力增大，拉应变减小;随着基层弹性模量的增加，ECC层翘曲应力与拉应变均呈增大趋势。　　(3)AC-ECC长寿命路面应力回归分析及疲劳寿命验算。采用统计学方法对ECC层车辆荷载应力及温度翘曲应力进行了多元统计回归分析，得到ECC层车辆荷载疲劳应力及温度翘曲疲劳应力的计算公式，结合现行规范中沥青混合料层永久变形量以及无机结合料层疲劳开裂的验算公式，对路面结构进行了分层验算。按照设计年限不低于40年的要求，推荐的路面结构形式为:4cm沥青混合料磨耗层+粘层+15cmECC层+2cm封层+36cm半刚性基层以及4cm沥青混合料磨耗层+粘层+20cmECC层+2cm封层+27cm～36cm半刚性基层，疲劳寿命可达41～89年。增加ECC层厚度或基层厚度，或者选择弹性模量较小的基层材料均可延长路面结构的使用寿命。ECC层厚度每增加1cm，路面结构疲劳寿命约增加3～4年;基层厚度每增加1cm，路面结构疲劳寿命约增加2～3年;基层弹性模量每降低1000MPa，路面结构疲劳寿命约增加1年。
作者：	刘赫然
专业：	道路与铁道工程
导师：	孙仁娟
授予学位：	硕士
授予学位单位：	山东大学
学位年度：	2022