基于Williams單元的半剛性基層瀝青路面Top-down和Bottom-up裂縫斷裂參數(shù)及疲勞壽命研究.pdf

1、本文Top-down裂縫和Bottom-up裂縫特指半剛性基層瀝青路面橫向表面裂縫和橫向基底裂縫?；琢芽p和表面裂縫共存對(duì)半剛性基層瀝青路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的削弱程度比僅含單條基底裂縫或僅含單條表面裂縫時(shí)更加嚴(yán)重，在外荷載作用下，基底裂縫和表面裂縫對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的削弱可能進(jìn)一步加速路面結(jié)構(gòu)的開裂，降低路面結(jié)構(gòu)的使用壽命;此外，應(yīng)力強(qiáng)度因子不僅表征半剛性基層瀝青路面裂縫尖端應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)，還是裂縫擴(kuò)展和疲勞壽命計(jì)算的關(guān)鍵依據(jù)，因而成為斷裂力

2、學(xué)分析的最重要的斷裂參數(shù)之一。若采用有限元法，裂尖采用奇異單元計(jì)算多裂紋斷裂參數(shù)，則計(jì)算結(jié)果受奇異區(qū)尺寸和奇異單元個(gè)數(shù)影響，且需對(duì)每個(gè)裂尖均采取線性外推法或相互作用積分法等復(fù)雜后處理，計(jì)算精度低，計(jì)算工作量大。因此，本文基于廣義參數(shù)Williams單元，圍繞基底裂紋和表面裂紋共存的半剛性基層瀝青路面計(jì)算模型開展研究，主要內(nèi)容如下:
　　1、基于半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層采用同一材料參數(shù)的假定研究建立了平面板多裂紋斷裂參數(shù)分析的廣義

3、參數(shù)Williams單元，只需求解每個(gè)裂尖的廣義參數(shù)即可直接獲得所有裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子，避免了有限元法分析多裂紋時(shí)需對(duì)每個(gè)裂尖均采用復(fù)雜后處理計(jì)算裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子所造成的龐大計(jì)算工作量和精度損失問題。算例對(duì)比了Williams單元解、奇異單元解和精確解，證明本文方法比有限元法具有更高的計(jì)算精度和更少的離散自由度。
　　2、考慮實(shí)際情況半剛性基層瀝青路面各結(jié)構(gòu)層為不同材料，研究建立了基底裂紋和表面裂紋裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子分析的廣義參數(shù)Wi

4、lliams單元并編制了相應(yīng)的Fortran計(jì)算機(jī)程序;初步實(shí)現(xiàn)了Ansys有限元分析軟件與Williams單元程序的對(duì)接。對(duì)接方法結(jié)合了Ansys自由網(wǎng)格劃分優(yōu)點(diǎn)和Williams單元無需復(fù)雜后處理且計(jì)算結(jié)果對(duì)奇異區(qū)尺寸不敏感等優(yōu)點(diǎn)，可以求解任意不規(guī)則裂紋問題。算例根據(jù)Williams單元分析了交通荷載位置對(duì)基底裂紋和表面裂紋裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，并與奇異單元解進(jìn)行對(duì)比，證明了Williams單元分析各結(jié)構(gòu)層采用不同材料的半剛性基層

5、瀝青路面基底裂紋和表面裂紋裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的正確性和高效性。
　　3、根據(jù)基底裂紋和表面裂紋裂尖Williams單元分析了表面裂紋位置、各結(jié)構(gòu)層模量和厚度等對(duì)各裂尖應(yīng)力強(qiáng)度因子的影響，并據(jù)此提出相應(yīng)的阻裂措施。由算例分析可知:適當(dāng)?shù)販p小面層模量或增大半剛性基層厚度均可抑制或延緩表面裂紋擴(kuò)展;適當(dāng)?shù)卦龃蟮谆鶎幽Ａ炕虻谆鶎雍穸染梢种苹蜓泳徎琢鸭y擴(kuò)展。
　　4、研究建立了基于廣義參數(shù)的Ⅰ-Ⅱ混合型裂紋和純Ⅱ型裂紋疲勞擴(kuò)展壽命預(yù)