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原文传递荷载-渗流耦合作用下钢桥面铺装修复界面力学特性研究

论文题名：	荷载-渗流耦合作用下钢桥面铺装修复界面力学特性研究
关键词：	钢桥面;沥青铺装层;铺装修复界面;荷载-渗流耦合;力学特性
摘要：	钢桥面沥青铺装层直接铺设在正交异性钢桥面板上，在诸多不利环境因素下其病害问题日益严重。对于常见的钢桥面铺装病害，即使采用挖除重铺的方式进行维修，修复界面破坏严重的情况仍旧存在，尤其是修复界面附近沥青混凝土的空隙中存在水时，荷载-渗流的耦合作用加剧了修复界面的失效破坏。界面失效反复出现且机理复杂，成为钢桥面铺装维修养护工作的难题，本文在总结国内外关于荷载-渗流耦合现状和钢桥面铺装修复界面失效研究的基础上，采用室内试验和多尺度数值模拟的方式，针对含修复界面的钢桥面新老沥青混凝土铺装结构展开荷载-渗流作用下的力学性能分析。　　首先，制备钢桥面铺装常用的改性沥青混凝土，通过老化试验模拟不同老化程度的老化沥青混凝土，选用性能优异的界面粘结剂，与未进行长期老化的新沥青混凝土组成含修复界面的新老沥青混凝土复合结构试件，从复合结构的抗拉性能出发探究修复界面失效机理。制备新老沥青混凝土复合小梁试件并对其进行弯曲试验，试验发现复合小梁试件的断裂均发生在回弹模量更高的老化沥青混凝土一侧，修补材料的选用需满足与原沥青铺装相近的模量，使复合结构整体处于平衡受力和协调变形的状态；制备新老沥青混凝土复合马歇尔试件，设计动水压力试验对其进行动水冲刷，模拟荷载-渗流对复合结构的耦合作用，试验发现动水压力作用时水不断填充空隙并使复合试件处于几近饱水的状态，经过动水压力作用的饱水复合试件，其劈裂抗拉强度降低且韧性增加，试件的破坏形态改变；长时间的动水作用不仅降低复合试件抗拉强度，还会使界面粘结失效。　　其次，采用有限元软件建立含修复界面的正交异性钢桥面铺装宏观数值模型，确定最不利修补坑槽位置为修复界面位于横隔板正上方的位置。进而对修复界面进行移动荷载-渗流耦合作用力学分析，研究修复界面受力严重区域的力学响应，明确可能造成修复界面失效的原因有：U型肋上方修复界面表面横向拉应力，荷载轮迹线中心修复界面表面纵向拉应力和底部孔隙水压力；从修补材料和外界荷载的角度出发，通过控制变量法和正交试验分析不同内因和外因对修复界面受力行为的影响，确定材料模量对修复界面的横向拉应力不利，胎压对纵向拉应力不利，胎压和车速对孔隙水压力不利。　　再次，通过数字图像处理技术，建立考虑实际材料细观分布的新老沥青混凝土复合结构数值模型，通过子模型法将宏观边界条件传递至细观模型中，从原沥青铺装和外界荷载的角度出发，对细观尺度下的复合结构进行力学响应分析和影响因素分析，荷载与老沥青砂浆模量的增大对原沥青铺装侧沥青砂浆的受力十分不利；采用扩展有限元法对含有预设裂纹的复合结构进行损伤演化分析，由于最不利坑槽位置的底部约束，以及长期处于不利水环境中原沥青铺装力学性能的衰减，预设裂纹在车辆荷载作用下会继续扩展，同时修复界面处也易出现裂缝；若因施工不当等原因造成修复界面部分区域粘结不牢固而形成初始裂纹，裂纹越靠近表面界面两侧新老沥青混凝土表面的应力差越大。　　最后，基于试验研究和数值模拟研究，总结分析修复界面的失效机理，并根据修复界面失效破坏的内因与外因，从材料的选用以及施工工艺的改进两个方面对钢桥面铺装修补工程提出合理性的建议。　　本文通过有限元分析和力学试验相结合的方式，分析不同尺度下荷载-渗流耦合作用下修复界面的抗拉特性，探究含修复界面的新老沥青混凝土复合结构的失效行为，为钢桥面铺装修补工程提出合理建议。
作者：	马雯琦
专业：	交通运输工程;道路与铁道工程
导师：	陈磊磊
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2022