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摘 要

论文作者签名：＿＿＿＿＿导师签名：＿＿＿＿日期：＿＿＿＿

基于连续变温的沥青路面疲劳寿命分析

21013213 童巨声

指导教师 马 涛

摘要

柔性基层沥青路面由于其基层寿命长，无反射裂缝等优点渐渐受到国内设计人员的重视。而沥青路面疲劳开裂问题是影响路面的服务水平与整体寿命的重要因素，除了疲劳开裂问题本身的复杂性，柔性基层路面更是由于疲劳区域较浅，疲劳发展受到环境影响剧烈而使得研究愈发困难。本文首先以损伤力学作为理论基础，探究沥青混合料的疲劳性能，并建立Miner线性疲劳损伤模型与Cheboche非线性疲劳损伤模型模拟沥青混合料的损伤过程。路面损伤的模拟则利用了大型有限元软件ABAQUS编写用户材料子程序UMAT完成对路面材料的损伤模拟，并依据日照辐射、气温等环境因素完成对路面的温度场模拟。之后在路面瞬态温度场下完成对柔性基层路面的的损伤积累规律的探究。研究表明，Cheboche非线性疲劳损伤模型能够较好的拟合微裂缝产生过程的材料力学性能劣化。而温度对于疲劳损伤的积累具有决定性的影响，冬季的疲劳发展往往占到整年的疲劳增量的50%左右，夏季疲劳积累几乎停滞，占全年疲劳增量不足10%。

本文的研究能够较好的预测柔性基层路面的疲劳发展过程，对于路面的设计与养护工作，具有一定的指导意义。

关键词：疲劳；损伤；柔性路面；ABAQUS；UMAT；瞬态温度场；

Research on the Fatigue Damage of the Asphalt Pavement Based on Transient Temperature Field

21013213 Tong Jusheng

Supervised by Ma Tao

Abstract

The fatigue cracking of asphalt pavement is an important factor affecting service level and whole life of road. In addition to the complexity of the fatigue cracking, the flexible pavement can be attributed to fatigue area under the influence of environment , which makes increasingly difficult to research.

Firstly, the fatigue behavior of asphalt mixture is studied, while the Miner linear and the Cheboche nonlinear fatigue damage model are established in order to simulate the damage process, based on the damage mechanics. The ABAQUS programming and the user material subroutine UMAT are utilized to complete the simulation of pavement damage. Secondly, the transient temperature field of pavement is simulated with solar radiation, temperature and other environmental factors. Then, the damage accumulation process of flexible base pavement is operated under the transient temperature field.

The results show that the Cheboche nonlinear fatigue damage model can well fit the deterioration of the mechanical properties of materials during the process of micro crack generation. And the temperature has a decisive influence on the accumulation of fatigue damage: the fatigue development in winter usually accounts for about 50% of the fatigue development in the whole year, while that in summer, less than 10%, is almost stalled.

The fatigue development process of flexible base asphalt pavement can be well predictied, and it will be a certain guide for the design and maintenance of pavement.

Key words：fatigue; damage; ABAQUS; UMAT; transient temperature field

目 录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.2.1 基于损伤力学的疲劳损伤研究 1

1.2.2 路面温度场的研究 2

1.3 研究内容与技术路线 2

第二章 路面材料疲劳模型的建立 4

2.1 疲劳损伤模型理论 4

2.1.1 损伤变量 4

2.1.2 受损材料本构方程 4

2.1.3 疲劳损伤模型 5

2.2 疲劳寿命的理论推导 5

2.2.1 Miner线性疲劳模型的疲劳寿命推导 6

2.2.2 Chaboche非线性疲劳模型的疲劳寿命推导 6

2.3 疲劳模型参数的确定 7

2.3.1 Miner线性疲劳损伤模型参数确定 8

2.3.2 Chaboche非线性疲劳损伤模型参数确定 9

2.4 本章总结 9

第三章 路面疲劳损伤的数值模拟 11

3.1 疲劳损伤的数值实现 11

3.1.1 损伤材料的本构关系 11

3.1.2 用户子程序UMAT的编写 12

3.2 疲劳模型的验证 13

3.3 路面结构的模型建立 15

3.3.1 路面结构的及相关参数的确定 15

3.3.2 荷载假定 16

3.4 路面温度场的有限元实现 17

3.4.1 沥青路面温度场基本理论 17

3.4.2 路面温度场的边界条件 18

3.4.3 路面温度场的模拟结果 19

3.5 本章总结 22

第四章 柔性基层路面疲劳损伤规律 23

4.1 路面力学响应分析 23

4.1.1 无损路面力学响应 23

4.1.2 损伤路面的力学响应 24

4.2 路面损伤发展规律 25

4.2.1 疲劳累积总体规律 25

4.2.2 季节温度场对疲劳损伤的影响 26

4.2.3 结构层厚对疲劳损伤的影响 27

4.3 本章总结 28

第五章 结论与展望 30

5.1 主要结论 30

5.2 进一步研究建议 30

致谢 32

参考文献 33

绪论

研究背景及意义

随着沥青混合料以及我们路面施工技术的成熟，混合料松散、路基沉陷等早期破坏形式已经越来越少。取而代之的是，疲劳与车辙逐渐成为影响沥青路面服务寿命的主要病害。其中，疲劳开裂属于路面结构性破坏，会明显地改变路面的受力状态。裂缝产生后，尖端会产生应力集中的现象，从而造成裂缝的迅速扩展，进而产生路面整体性的性能下降。而且，雨水会沿着裂缝向下渗透，影响路面下层结构的稳定性。因此，研究路面的疲劳开裂性能，具有很强的现实意义。

研究路面的疲劳性能是一个综合性的问题。目前规范推荐的以及实验室常用的是测试相关试件的疲劳性能，进而推广到路面的整体疲劳性能。由于路面结构受力的复杂性以及从实验室到实际路面的推广中具有很强的任意性，实际路面的疲劳寿命往往与预测的有较大差距。大型的试验路或者足尺度的加速加载试验虽然能取得较好的试验结果，但相关试验往往耗时耗力，且对于不同结构的路面也不具有很好的普遍性。

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