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原文传递基于协同优化方法的钢桥面铺装抗疲劳设计及铺装系与桥面板协同作用研究

论文题名：	基于协同优化方法的钢桥面铺装抗疲劳设计及铺装系与桥面板协同作用研究
关键词：	钢桥面铺装;协同优化方法;疲劳开裂;耗散蠕变应变能;能量比;抗疲劳设计
摘要：	疲劳开裂病害是钢桥面铺装的一种最常见病害，也是其他铺装系继生病害产生的主要诱因。钢桥面铺装疲劳开裂产生的原因与普通公路路面疲劳开裂有很大区别，它不仅取决于铺装系的材料抗疲劳性能，而且还同铺装系与桥面板的协同作用特性等密切相关。本文依托国家科技支撑计划项目课题“超大跨连续大柔度桥道系结构行为特性及其铺装关键技术研究”(2009BAG15B03)，引入协同优化方法，将钢桥面铺装抗疲劳设计作为一个系统级的优化问题，并根据协同优化原理，将该系统级优化问题分解为两个学科级的优化问题:铺装材料抗疲劳设计（学科1）和复合结构受力优化设计（学科2）;根据并行设计方法，完成各学科级优化设计;选取合适的协同优化策略，协调各学科优化结果，构建钢桥面铺装抗疲劳设计协同优化模型，通过模型求解，最终实现系统级优化问题钢桥面铺装抗疲劳优化设计。　　首先研究了沥青混凝土铺装材料的疲劳开裂特性，探索了沥青混凝土铺装材料的疲劳开裂机理。引入HMFractureMechanicsModel（本文简称Florida模型）和SuperpaveIDT试验方法，通过耗散蠕变应变能（DCSE）指标和阈值概念（ThresholdConcept），分别研究了环氧沥青混凝土和改性沥青SMA在4℃、10℃和20℃条件下的疲劳开裂特性，分析了钢桥面铺装疲劳开裂的材料学机理。研究成果可为铺装材料优选提供依据，并为构建钢桥面铺装抗疲劳设计的协同优化模型提供材料参数。　　然后研究了沥青粘结料的抗剪行为特性，提出了基于粘结材料抗剪行为特性的层间粘结状态量化判据。采用直剪试验方法，测试了环氧沥青粘结料和SBS改性乳化沥青粘结料的抗剪性能，总结归纳了粘结材料的典型剪应力-滑移量曲线，并定义了启滑点和破坏点的概念分析该曲线，得到两种粘结材料的抗剪行为特性。采用剪切弹性柔量（AK）和滑动系数（α）的概念，分析了粘结材料抗剪行为特性与钢桥面铺装层间粘结状态之间的对应关系，建立了基于粘结材料抗剪行为特性的钢桥面铺装层间粘结状态量化判据。研究成果可为钢桥面铺装有限元建模时层间粘结状态的选取提供依据。　　接着研究了多塔连跨悬索结构的钢桥面铺装力学响应特征，探索了铺装系与桥面板协同作用特征与规律。分别采用子模型方法和库伦摩擦模型，建立了考虑多塔连跨悬索结构整桥效应和层间粘结状态的钢桥面铺装有限元分析模型，分析了整桥效应和层间粘结状态对钢桥面铺装力学响应的影响。根据相似原理推导了钢桥面铺装复合结构模型与实桥原型的相似条件，设计了钢桥面铺装复合结构实体模型试验方案，并采用大型门式MTS液压试验系统开展试验研究，根据试验结果分析验证了有限元模型的准确性。然后结合正交试验设计方法，通过81次有限元虚拟试验，分析了铺装系与桥面板协同作用的特征及规律。研究成果可为构建钢桥面铺装抗疲劳设计的协同优化模型提供结构受力参数。　　最后建立了钢桥面铺装抗疲劳协同优化数学模型，研究了使钢桥面铺装抗疲劳性能最优的铺装材料与结构组合及桥面板构造形式。引入能量比（EnergyRatio，ER）的概念作为钢桥面铺装抗疲劳设计的协同优化策略，协调铺装材料抗疲劳设计与复合结构受力优化设计的结果，将沥青混凝土铺装材料的疲劳开裂特性与铺装层的结构受力特征相结合，构建钢桥面铺装抗疲劳协同优化数学模型，并采用BP神经网络结合遗传算法求解该模型，完成了钢桥面铺装抗疲劳协同优化设计。研究成果表明，本文提出的钢桥面铺装抗疲劳协同优化设计方法可根据不同桥型结构的铺装系受力特征进行铺装材料优选和铺装结构组合设计，研究成果可为协同优化方法应用于桥面铺装及路面结构设计领域提供参考。
作者：	陈春
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：	2013
正文语种：	中文