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我國高速公路多以半剛性基層瀝青路面為主，但由于諸多因素存在使得其出現(xiàn)反射裂縫，許多研究均考慮溫度影響因素，但目前國內(nèi)的設(shè)計規(guī)范并沒有將溫度考慮在設(shè)計規(guī)范之中。同時，國內(nèi)外的學(xué)者為了突破半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)單一形式，對柔性瀝青路面破壞進(jìn)行有限元分析。
對于瀝青路面結(jié)構(gòu)的破壞，大多數(shù)是認(rèn)為由于長期荷載作用反射裂縫的出現(xiàn)，致使面層出現(xiàn)自下而上的破壞。在假設(shè)瀝青路面結(jié)構(gòu)基層完全斷裂的基礎(chǔ)上研究面層裂縫的開裂機(jī)理。研究多場耦合作用下半剛性基層瀝青路面開裂機(jī)理，柔性基層瀝青路面在國內(nèi)不斷推廣，而針對柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞分析較少。因此，考慮環(huán)境變化、晝夜更替以及交通載荷等諸多因素對路面結(jié)構(gòu)疲勞開裂進(jìn)行研究顯得十分必要。本研究模擬面層自上而下的穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展裂縫，采用多場耦合來實(shí)現(xiàn)柔性基層瀝青路面的疲勞開裂過程，研究瀝青路面結(jié)構(gòu)面層裂縫穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的規(guī)律，分析裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子的變化規(guī)律，預(yù)測瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計防裂措施提供必要的理論依據(jù)。
瀝青路面疲勞壽命與瀝青混合料組成、外界載荷和環(huán)境因素有密切關(guān)系，各國研究人員對瀝青混合料的疲勞試驗研究主要有：曲疲勞試驗，直接、間接拉伸疲勞試驗，支承彎曲疲勞試驗，三軸疲勞試驗，室內(nèi)輪碾疲勞試驗等。同時瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命也與行車荷載作用波形息息相關(guān)，一般認(rèn)為半正弦波與實(shí)際路面接觸載荷相似。瀝青路面疲勞模型通常情況下是建立在瀝青混合料疲勞試驗的基礎(chǔ)上，同時考慮與荷載作用次數(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)而來預(yù)估瀝青路面結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。
運(yùn)用Paris公式對瀝青路面結(jié)構(gòu)疲勞壽命穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展進(jìn)行預(yù)估，是從瀝青路面結(jié)構(gòu)材料組成與裂縫尖端應(yīng)力強(qiáng)度因子兩方面因素來控制的，可表示為式中a為裂縫長度；N為疲勞作用次數(shù)；A、n為瀝青路面結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)；ΔK為載荷作用下的應(yīng)力強(qiáng)度因子幅值。由式(1)得到裂縫穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展的疲勞壽命計算的一般公式式中ain為臨界裂紋的尺寸；acr為初始裂紋的尺寸；Nf為疲勞壽命次數(shù)；A和n為材料的斷裂參數(shù)，可通過實(shí)驗獲取，本文分別取A=3.44e6，n=2.71。
有限元分析模型中溫度荷載引起路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力的發(fā)生，溫度場與材料的收縮系數(shù)α(T)有關(guān)，同時影響結(jié)構(gòu)的剛度矩陣［K］，根據(jù)虛功原理，單元應(yīng)力場平衡方程為式中［Ke］為單元剛度矩陣；{u}為單元的位移矩陣；［Ce］為考慮單元非線性的阻尼矩陣；{u}為單元位移對時間的導(dǎo)數(shù)矩陣；{Fthe}為單元的熱荷載。
式中V為路面體體積；B為單元應(yīng)變矩陣；{εth}為單元的熱應(yīng)變矩陣可得到瀝青路面結(jié)構(gòu)熱力耦合的平衡方程式中［C］為結(jié)構(gòu)體的阻尼矩陣；［T］為節(jié)點(diǎn)溫度向量；［T·］為溫度對時間的導(dǎo)數(shù)；［K］為剛度矩陣；［Kt］為傳導(dǎo)矩陣；{Q}+{Qsurf}為結(jié)構(gòu)體的熱流率及路表通過對流和輻射所吸收的熱流。
輪胎與路面接觸荷載采用雙輪垂直正弦波進(jìn)行加載，輪載簡化為矩形接觸面220mm×320mm，車輪中心距320mm。動荷載作用形式分為輪載作用在裂縫正上方(簡稱正荷載)與裂縫開裂呈45°方向為輪載作用邊緣(簡稱偏荷載)兩種(圖1)。柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)面層出現(xiàn)自上而下的裂縫，橫向貫通并逐漸向面層深度方向穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展。假定柔性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)由于長期荷載作用，路面面層出現(xiàn)橫向裂縫，裂縫增長方向自上而下�；诰�彈性斷裂力學(xué)理論，路面結(jié)構(gòu)層為各向同性線彈性材料：各層間不產(chǎn)生滑移，處于完全連續(xù)狀態(tài)：路面?zhèn)让鎄Y方向位移自由度約束，Z方向位移自由，路面橫向面XY方向位移自由度約束，Z方向位移自由；土基底部三個方向位移自由度均約束。為描述裂縫尖端應(yīng)力與應(yīng)變場的奇異性，有限元網(wǎng)格劃分后采用二十節(jié)點(diǎn)六面體楔形單元，即采用距裂縫尖端四分之一邊長處帶中間節(jié)點(diǎn)的單元。裂縫區(qū)域之外采用八節(jié)點(diǎn)六面體減縮單元。
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