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原文传递基于损伤断裂分析的钢桥面铺装层疲劳行为与寿命预估研究

论文题名：	基于损伤断裂分析的钢桥面铺装层疲劳行为与寿命预估研究
关键词：	大跨径钢桥;桥面铺装;环氧沥青混凝土;疲劳性能;非局部损伤力学;裂缝扩展
摘要：	目前，我国处于公路大跨度钢桥建设飞速发展的时期，作为功能层的钢桥沥青铺装层在使用中均存在不同程度的疲劳裂缝问题。钢桥铺装层一旦出现疲劳开裂，裂缝在车辆重复荷载、温度循环变化、雨水不断侵蚀等多重因素的作用下，容易演化为坑槽、脱层、推移等铺装层结构性破坏，致使铺装层使用寿命大大缩减，路用性能迅速衰减，从而造成巨大的经济损失与不利的社会影响。因此，深入研究铺装材料的疲劳性能和铺装层在钢桥面复合结构体系中的疲劳变化规律，揭示钢桥面铺装层疲劳裂缝形成的内在机理及其影响因素，并建立钢桥面铺装疲劳仿真预估模型，是降低钢桥铺装层疲劳裂缝出现概率、延长钢桥铺装层使用寿命的关键。　　本文是国家自然科学基金项目“钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳损伤与寿命预估研究”的一部分，主要对环氧沥青混凝土材料的疲劳性能以及铺装层复合结构的疲劳特性进行研究。　　论文首先对环氧沥青混凝土的动态模量进行了试验研究，得到了不同温度、荷载频率下环氧沥青混凝土的动态模量参数，而后采用时温等效原理和基因遗传算法，建立了环氧沥青混凝土动态模量的主曲线方程和移位因子表达式。基于动态模量参数，构建了钢桥面铺装局部梁段有限元模型，计算出不同温度和轮胎胎压下的铺装层最不利位置的应变，为环氧沥青混凝土小梁疲劳试验设计中的应变水平选择提供了依据。　　为获得环氧沥青混凝土材料的疲劳性能，本研究利用3台疲劳试验机历时32天对3个温度、3个应变、9种不同组合试验条件下的浸水和未浸水状态下的环氧沥青混凝土进行了小梁疲劳试验，采用Weibull分析方法对疲劳试验结果进行分析，得出环氧沥青混凝土疲劳损伤过程分为疲劳裂缝启裂和疲劳裂缝扩展两个阶段，并预估出不同条件下的环氧沥青混凝土疲劳寿命。根据环氧沥青混凝土小梁疲劳试验结果，本文利用梯度增加的非局部损伤模型和改进的疲劳损伤定律，描述了环氧沥青混凝土的疲劳损伤过程，并采用FEAP有限元软件建立了环氧沥青混凝土小梁疲劳仿真模型，得出环氧沥青混凝土材料的疲劳损伤参数。　　论文根据环氧沥青混凝土疲劳损伤参数，基于复合梁结构模型，利用FEAP软件建立了钢桥面环氧沥青混凝土铺装层疲劳仿真模型，模拟出铺装层在不同温度和荷载作用下的疲劳裂缝扩展过程，并建议将铺装层动挠度突变增加时作为钢桥面环氧沥青混凝土铺装层的疲劳失效判据，同时还预估出不同条件下钢桥面环氧沥青混凝土的疲劳寿命。最后，利用BOTDA分布式光纤无损检测方式，得出室内复合梁疲劳试验中铺装层应变随疲劳作用次数的变化曲线，试验结果很好地验证了上述疲劳仿真模型的有效性。　　本文研究成果对建立钢桥面铺装层疲劳设计理论和方法，有效预估钢桥面铺装层剩余使用寿命，并制定预防性养护措施等都具有较强的理论意义与应用价值。
作者：	罗桑
专业：	交通运输工程
导师：	钱振东
授予学位：	博士
授予学位单位：	东南大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文