《道路養(yǎng)護與管理》課程論文

《市政道路養(yǎng)護與管理》課程論文論文題目：斷裂與損傷力學在鋼橋面瀝青鋪裝層1:1研究中的應用現狀概述姓名：XXX學號：XXX專業(yè)班級：2011級土木工程X班（道橋方向）任課教師：陳曉剛#摘要本文從鋼橋面瀝青鋪裝層的裂縫類型、三維斷裂力學模型、斷裂力學參數和斷裂判據、最不利荷載位置確定、疲勞壽命預估等方面簡要地介紹了斷裂力學在鋼橋面瀝青鋪裝層中的應用現狀。實驗和工程經驗證明，斷裂力學在鋼橋面瀝青鋪裝層中的應用可以為橋面鋪裝的抗裂設計提供依據，并且為鋪裝結構的裂縫修補時機研究提供參考，能夠較準確地預估瀝青鋪裝層的疲勞壽命。關鍵詞：斷裂力學鋼橋面瀝青鋪裝層應用現狀引言大跨徑鋼橋橋面鋪裝層的使用條件十分苛刻，對鋪裝材料要求非常高。瀝青混合料具有優(yōu)越的路面使用性能，廣泛應用于高等級公路路面和鋼橋橋面的鋪裝工程，目前國內外已建成的鋼橋橋面鋪裝層大都采用瀝青混合料。特別是環(huán)氧瀝青混凝土已經成為大跨徑鋼橋橋面鋪裝的首選材料，在中國有很大的推廣應用前景。由于大多數瀝青混合料是富有微細觀缺陷，在荷載作用后會在其中出現微細觀裂紋，并隨著荷載的周期性作用而逐漸擴展，最終導致瀝青材料的損傷破壞。根據實橋調查發(fā)現，裂縫是鋼橋面鋪裝的主要病害形式，裂縫的擴展是鋪裝層失效的原因之一。目前從斷裂力學角度對環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝裂縫的研究較少，對鋪裝的斷裂失效判據認識不深。不少研究人員根據路面設計理論研究鋼橋面鋪裝的失效判據。把鋪裝層表面最大拉應力或拉應變作為鋪裝的疲勞失效判據，所得結論與實際路面情況不符。斷裂力學可用于描述微裂紋的萌生與發(fā)展過程，研究宏觀裂縫的穩(wěn)定與失穩(wěn)擴展規(guī)律，本文介紹了基于斷裂力學理論研究大跨徑鋼橋橋面鋪裝的疲勞失效判據準則。目前的鋼橋面鋪裝層設計方法是基于瀝青混合料的疲勞方程進行疲勞壽命預估，并將鋪裝層表面的最大拉應變或拉應力作為設計指標,計算設計指標時所建立的鋼橋面系力學模型，忽略鋪裝層內存在的裂縫等缺陷，將鋪裝層當作無缺陷的完好結構。事實上，經過碾壓、大幅降溫、養(yǎng)護等一系列過程，鋼橋面鋪裝層在投入使用之前即帶有初始裂縫，初始裂縫在軸載和環(huán)境條件的反復作用下逐步擴展，直至達到臨界破壞狀態(tài)。帶裂縫的鋪裝層在外荷載作用下，應力、應變分布與完好鋪裝層結構的情況有很大差別，控制鋪裝層疲勞破壞的指標不再是表面應力、應變值，而是裂縫前沿局部應力、應變場的強度，應該應用斷裂力學來研究鋪裝層的疲勞破壞過程。斷裂力學立足于鋪裝層存在缺陷的事實，將鋪裝層的疲勞過程看作是裂縫擴展過程，通過研究裂縫前沿的局部應力、應變場，以把握裂縫的疲勞擴展規(guī)律并預估鋪裝層的疲勞壽命。在線彈性斷裂力學中，應力強度因子是表征裂縫前沿局部應力、應變場強度最常用的指標，裂縫的疲勞擴展形態(tài)由應力強度因子所決定，通過研究應力強度因子的變化規(guī)律，可以預測和跟蹤裂縫擴展過程。1鋼橋面鋪裝層裂縫的類型正交異性鋼橋面鋪裝結構與一般公路瀝青混凝土路面結構不同，兩者的受力模式完全不同。如下圖1為路面結構與鋼橋面鋪裝結構的對比。圖1典型的路面結構和鋼橋面鋪裝結構斷面對比從圖1可以看出：典型路面的瀝青混合料面層位于剛度較均勻的基層上，而鋼橋面鋪裝層則位于剛度不均勻的鋼橋面板上。對于一般的瀝青混凝土路面。瀝青混凝土面層的最大拉應力或拉應變均出現在面層底面，疲勞裂縫從面層的底面向頂面擴展，通常認為在交通荷載作用下瀝青路面最危險的開裂方式為II型剪切開裂方式。而對于鋼橋面瀝青混合料鋪裝，由于正交異性鋼橋面板柔度大，在車輛荷載與外界環(huán)境的共同影響下，鋼橋面板局部變形。由于加勁肋的支撐作用。在車輛荷載作用下，加勁肋、橫肋或橫隔板、縱隔板頂部的鋪裝層表面出現明顯的應力集中現象，從而使該處產生裂縫，并且裂縫從鋪裝層表面向底面擴展，裂縫的擴展形式以I型張開開裂為主，I型裂縫已經成為鋪裝最危險的開裂方式口。因此本文中主要研究鋼橋面鋪裝的I型裂縫。2鋼橋面鋪裝層三維斷裂力學模型限于正交異性鋼橋面系受力的復雜性，對鋪裝層的力學分析主要采用以有限元單元法為主的數值方法，帶裂縫的正交異性鋼橋面系的斷裂力學分析也只能采用有限元法，這里首先建立局部正交異性鋼橋面系三維斷裂力學有限元模型。軸載對鋼橋面鋪裝層的作用具有很強的局部效應，局部受輪載的反復作用是導致鋪裝層損壞的最直接原因，為此，截取長為3跨橫隔板間距、寬為8跨縱向加勁肋的局部正交異性鋼橋面系模型。沿縱向加勁肋頂部疲勞開裂是正交異性鋼橋面鋪裝層最主要的破壞形式，假設沿縱向加勁肋頂部鋪裝層表面有一條縱向裂縫，裂縫面為豎直面，裂縫豎值向下擴展；研究表面裂縫向下擴展時，裂縫沿表面水平向貫穿越長，裂縫向下豎直擴展所受的約束就越小，即越有利于裂縫向下擴展，為此，這里考察裂縫水平方向貫穿局部橋面系整個縱向長度這種最不利情況，如下圖2、圖3所示。圖2鋼橋面系縱截面和縱向荷載位置示意圖圖3帶裂縫的鋼橋面系橫截面與橫向荷載位置示意圖3斷裂力學參數及斷裂判據因為裂縫尖端應力具有奇異性，經典的強度理論不能解決這類問題，而應力強度因子K可以有效描述這類問題，它反映了線彈性材料裂縫尖端彈性應力場的場強。I型裂縫應力強度因子KI的臨界值Ktc表征了材料阻止裂縫擴展的能力，是材料抵抗斷裂的韌性指標，稱為斷裂韌性。當構件的K值達到其臨界值K時，構件就會失穩(wěn)斷裂。脆性斷IC裂的應力強度因子判據可以表示為：K=K。K為材料常數，可通過試ICIC驗測定。對于切口三點彎曲梁試件，斷裂韌性K由式⑴計算ICTOC\o"1-5"\h\zK二PQS”f(討)⑴ICBW32W式中：P為臨界荷載；B為試件寬度；W為試件高度；a為初始裂縫深Q0度；S為彎曲梁支點之間的距離。臨界荷載P和初始裂縫深度a。的確Q0定方法見GB4161—84。f(ao)為系數，按照式⑵計算W=吩2-4?哈2+21?畤)2-琢護+38?哈=吩2當裂縫尖端出現較大的塑性變形時，線彈性裂紋解不能描述問題的真實狀態(tài)，這時可以引入彈塑性斷裂參數.，積分來描述這類問題。它反映了裂縫尖端彈塑性應力場的場強，且由于積分路徑無關性。J積分繞開了裂縫尖端的塑性區(qū)，避免分析塑性區(qū)復雜的力學性狀。大量試驗表明，J積分可以作為裂縫起裂判據，其數據較穩(wěn)定，并與試件尺寸無關。在彈塑性情況下，J積分的值由線彈性J值和塑性J值2個部分組成。圖4中I區(qū)為彈性形變能U，II區(qū)為彈塑性形變能U。三點彎曲梁J積eP分的表達式為J=J+J=(1-卩2)K2i+巴―ePEB(W-a)0式中：E為彈性模量，可以根據荷載一加載點位移(P-V)曲線采用初始柔度法計算得出；卩為泊松比，取為0.3；U可根據P-V曲線采用Matlabp軟件編程計算得出。測定材料的J值，可采用深裂紋單試樣，由臨界IC點所對應的位移值V。和載荷值P按式⑷進行計算。當裂紋尖端的JTOC\o"1-5"\h\zCQ積分達到臨界值J(J=J)時，裂縫開始擴展。若P-V曲線上升段呈線ICIC性，則U的值很小，可以忽略。這時斷裂韌性K。和J可以通過式⑷PICIC轉換(1-R2)K2二ICICE圖4單試樣P-V曲線4最不利荷位的確定行駛在正交異性鋼橋面系的車輛，當車輛輪胎與鋪裝層的接觸相對于縱向加勁肋、橫隔板的位置改變時，鋪裝層內產生的最大應力、應變值也將發(fā)生變化，對鋪裝層的損傷也將不同，那些在鋪裝層內產生最大應力、應變響應的軸載作用位置稱為最不利荷位，軸載作用在最不利荷位下的鋪裝層的應力、應變響應值是進行鋪裝層設計的主要依據，因此，進行鋼橋面系力學分析之前首先應該確定軸載作用的最不利荷位?，F有的鋼橋面系力學模型都是將鋪裝層看作無缺陷的完好結構，針對該模型的軸載作用最不利荷位問題，許多文獻對此做了探討。當鋪裝層內存在裂縫時，鋪裝層內的應力、應變狀態(tài)與無裂縫鋪裝層的情況是不同的，且所關心的力學參量也不再是鋪裝層表面的最大應力、應變值，而是由應力強度因子所表征的裂縫尖端應力、應變場強度，對比分析不同荷位下的裂縫應力強度因子大小，可以確定軸載作用的最不利荷位。這里選擇如圖3所示的9個荷位進行分析比較。三維裂縫屬于I、II、III混合型開裂問題，裂縫的擴展必須考慮3種開裂模式的綜合作用，其應力強度因子也應該是3種應力強度因子K、K、K的組lIIIII合，目前關于混合型裂縫的斷裂判據準則還不是很統一，工程中從偏于安全的角度出發(fā)，并參考最小應變能密度因子理論，采用式⑸表示等效應力強度因子Ke.

由于荷載和模型都以荷載面積橫向中心線為對稱軸，經過該對稱軸的橫截面上的裂縫尖端處于平面應變狀態(tài)，計算結果顯示，K-OIII可忽略不計，9個荷位的計算結果如表1所示。表1軸載作用于不同荷位的應力強度因子值荷位K丄沁m嚴;10.0734.7574.8320.795U.3QI1+096303123.6223.93440.2620.8361.09854.1732.8737.046&0.7JS0.9551.67372.4292_14.52984.1702.^277.097924555.835從表1的數據可以看出，荷位8為最不利荷位，該荷位的荷載作用面積一側邊緣緊靠裂縫線，后面將以該荷位作為標準荷位進行裂縫疲勞擴展壽命分析。5鋪裝層疲勞壽命預估從現場觀察來看，鋪裝層表面裂縫幾乎是垂直向下擴展的，因此,可以認為裂縫擴展角9=0,描述裂縫擴展規(guī)律最常用的是Paris公式:曲EC((6)N=\-]da(7)式中：C、n為材料常數，由試驗確定；a,a分別為初始裂縫深度和臨0e界裂縫深度；N為疲勞擴展壽命：△K=K-K為應力強度因子增幅，在maxmin這里k=0.min要計算式⑺的積分，首先要將應力強度因子表示為裂縫深度a的函數，采用有限元法計算出不同深度a的裂縫應力強度因子值，然后進行曲線擬合得到應力強度因子與裂縫深度a的關系式。圖5是應力強度因子K、K、K隨裂縫深a變化的曲線。TOC\o"1-5"\h\zlIIIII0102D30405060圖5應力強度.異子隨裂縫深度的變化曲線對圖5的曲線進行擬合得到等效應力強度因子為裂縫深度a的二次多項式(8)。K二f(a)二pa2+pa+p(8)e123其中，回歸系數值P=一0.003475、P=0.2193、P=3.537:相關系l23數為0.9948。對于瀝青混合料的疲勞擴展參數C、n的值，國外文獻積累了較多的試驗數據，綜合對比鋪裝混合料和文獻所用的試驗混合料，選擇C=2.7x10-6、n=2.8。初始裂縫深度C的確定對于計算疲勞擴展壽命很0關鍵，過小C的將使基于連續(xù)介質力學理論的斷裂力學不能適用。Uzan0和Lytton在瀝青混合料的疲勞試驗過程中，測得每荷載循環(huán)能耗由初期的穩(wěn)定增長階段突然轉變?yōu)榭焖僭鲩L階段，區(qū)分這兩個階段的裂縫臨界深度是7.5mm，設此值為裂縫疲勞擴展的初始深度C;LiYongqiO在材料試驗中測得初始裂縫深度為6.9mm，相應于裂縫寬度1.5mm;綜合兩者，本文選擇初始裂縫深度為7.0mm。臨界裂縫深度即為鋪裝層的總厚度值。式⑺中的被積函數太復雜，無法直接積分，只能采用數值方法求解。給定區(qū)間長度a，將積分區(qū)間｛a,a｝劃分成0cm二仝匕個小區(qū)間［a，a］，每口個積分小區(qū)間中點的被積函數值與Aa°i+1區(qū)間長度Aa的乘積為該區(qū)間的積分值，將所有小區(qū)間的乘積累加起來就得到總的積分值，即疲勞壽命。式⑺右邊的被積函數可表達為：gw「二］c(n頁缶這樣式⑺的積分值就可以表示為：VI-1心EA門L-r一(10)1-°c[A硏油奸驢)(10)以南京長江二橋鋼橋面鋪裝層為例，基于斷裂力學預測的疲勞壽命為985.62萬次，其他方法預測的疲勞壽命分別為：基于唯像學疲勞方程為1200萬次、能耗法為26294.69萬次、損傷力學方法為14844.58萬次。基于斷裂力學方法預測的疲勞壽命是最小的，其主要原因有：(1)基于斷裂力學方法計算的疲勞壽命，不包含鋪裝層從完好狀態(tài)到初始裂縫出現這一過程的裂縫初始化壽命，而其他3種方法預測的疲勞壽命均是鋪裝層從完好狀態(tài)到完全破壞狀態(tài)的整個使用壽命。⑵裂縫的疲勞擴展壽命受材料的疲勞擴展參數C、n影響很大，本文選擇的參數值來源于相關文獻中相近材料的試驗結果，這與實際材料性能有差別，工程經驗表明，鋼橋面鋪裝用的瀝青混合料抗斷裂性能比普通路用瀝青混合料更好，需要通過試驗測定鋼橋面鋪裝材料的疲勞擴展參數C、凡的值。6小結(1)環(huán)氧瀝青混凝土在不同溫度條件下其斷裂模式不同：當溫度低于5°C時環(huán)氧瀝青混凝土發(fā)生脆性斷裂，試件斷裂的裂縫穿過粗集料；當溫度高于5C時試件產生彈塑性斷裂，裂縫緩慢擴展，且擴展路徑繞過粗集料。對于環(huán)氧瀝青混凝土材料，將5C作為斷裂特性改變的臨界點。⑵不同溫度下斷裂韌性K和J的相互轉換關系證明了一15C?5CICIC時試件發(fā)生了線彈性變形，5C?25C時試件發(fā)生了明顯的彈塑性變形。⑶考慮到斷裂韌性K和J不同的特點和使用條件，建立基于斷裂韌ICIC性和J積分的聯合斷裂判據，即K-J聯合斷裂判據：當溫度低于5C時，采用斷裂韌性作為斷裂判據；當溫度高于5C時，采用J積分參數作為斷裂判據。⑷本文中試驗采用的級配、原材料和油石比是目前中國鋼橋面鋪裝最為常用的，所得結論是否能應用于不同級配、不同原材料和不同油石比的環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝還有待進一步研究。(5)隨著軸載作用次數的增加，鋼橋面鋪裝層的性能是逐漸衰減的，在不同的使用階段，相同的荷載對鋪裝層所造成的損傷是不同的，基于唯像學的疲勞方程將鋪裝層性能在整個使用壽命期內看作平均、不變的，無法跟蹤鋪裝層性能的劣化過程?；跀嗔蚜W的疲勞設計方法，將鋪裝層的疲勞過程看作是裂縫的擴展過程，能夠描述鋪裝層性能劣化過程中的應力、應變狀態(tài)的變化，可以跟蹤鋪裝層的破壞過程，與基于唯像學的疲勞方程相比，更能反映鋪裝層實際受力狀況，所以計算結果更準確，設計更為可靠。(6)當裂縫長度較小時，裂縫主要沿鋪裝層表面擴展；當擴展長度達到一定值時，裂縫沿深度方向擴展的趨勢增強；當達到一定深度后，裂縫向深度方向擴展的應力場逐漸減弱。對于開裂深度為20mm的裂縫，長度達到100mm時最容易發(fā)生失穩(wěn)擴展；對于開裂長度為50mm的裂縫，深度達到15mm時進一步擴展的趨勢最明顯。當開裂長度和深度較小時，裂縫主要在鋪裝層表面發(fā)生張拉形式的失穩(wěn)擴展。隨著長度增加，鋪裝層表面裂縫尖端處發(fā)生面內剪切的可能性增大，裂縫深度方向上易發(fā)生面外剪切引起的擴展。隨著深度增加，鋪裝層表面裂縫尖端處發(fā)生面外剪切的可能性增大。（7）在一定范圍內，裂縫長度和深度的增加，都會引起鋪裝層表面橫