内置应变传感器对沥青混合料力学性能的影响

道路本体结构的智能智慧是道路工程发展的重要方向,内置应变传感器是实现路面结构应变感知的重要手段,为探究内置应变传感器对沥青混合料力学性能影响,运用离散元法,构建了内置应变传感器的沥青混合料细观模型,研究了应变传感器埋设深度和数量对沥青混合料力学性能影响,分析了沥青混合料材料公称最大粒径、级配和沥青砂浆黏结强度等对内置应变传感器工作性能影响.结果表明:随着传感器埋设深度的增加,梁试件底部三个监测点位处水平拉应力分别增加56.9%、43.5%、43.8%,越接近梁试件底部,其内部水平应力场分布更均匀;与单传感器相比,埋设双传感器的梁试件裂隙增加速度更快,在挠度为0.8 mm时裂隙数便达到267个,单传感器仅为93个;沥青混合料公称最大粒径越大,力链数越少,AC-16、AC-20的平均力链比较AC-13分别降低4.9%、11.4%;沥青混合料级配越粗,荷载传递路径越少,接触力系数量减少77.7%,接触力分布均匀性降低,最大接触力增加74.6%,导致传感器工作稳定性越差;沥青砂浆黏结强度增加,最大接触力下降11%,传感器工作稳定性越好.研究结果可为提升内置应变传感器的沥青混合料耐久性和工作稳定性提供参考.

分层变模量下的沥青路面车辙预估模型

为建立分层变模量下沥青路面车辙预估模型,修正动态模量变化引起沥青路面永久变形预估的偏差。根据沥青混合料动态模量试验和室内三轴动态蠕变试验,验证沥青混合料动态模量(|E^(*)|)与其抗高温变形能力的相关性;采用Abaqus有限元软件分析不同时间沥青路面随深度、温度的动态模量和竖向压应力变化规律,提出各亚层在不同动态模量下的竖向压应力修正因子(m);根据“亚层变形叠加”思想,运用SPSS软件回归分析,建立包含温度、沥青层厚度、竖向压应力、修正因子和荷载作用次数等因素的分层变模量沥青路面车辙预估模型。结果表明,建立的车辙预估模型可更为准确地预估沥青路面的永久变形,可将中、下面层车辙预估精度分别提高6.03%和10.34%,沥青层整体提高5.19%。

基于振动传递率函数的水泥混凝土铺面脱空识别方法

为提高水泥混凝土铺面脱空识别的准确性和便捷性,提出一种基于振动传递率函数的板底脱空识别方法。首先,建立了九块板全尺寸铺面结构三维有限元模型,获取冲击荷载作用下铺面板的多点加速度响应;其次,在2个振动传递方向上,分别计算相邻2个测点间的振动传递率函数,分析特定频段内传递率函数的差异,并提出传递率损伤指标(transmissibility-damage indicator,TDI)及其矩阵表达式;最后,计算分析11种不同脱空形式、程度下TDI矩阵的差异,并分析测点布设方式、信号噪声水平对TDI矩阵的影响。结果表明:该脱空判定指标能较好识别定位板角和板边局部脱空。所得TDI矩阵在板角脱空的2个传递方向均十分显著,在板边脱空的垂直脱空边方向较为显著;对于板中脱空,2个传递方向上的TDI矩阵均无法有效识别。板中脱空的分布与TDI矩阵的分布一致性较差;对于多区域脱空,其计算得到的TDI矩阵与单区域脱空类似,对于板角和板边局部脱空均能有效识别;测点布设越密,TDI矩阵的分布与脱空分布的一致性越高。然而,该识别方法对噪声水平较为敏感,噪声水平越高,识别精度越低,需要较高精度的传感器或设备予以支撑。

基于足尺试验环道的沥青路面有限元模型

有限元技术的发展使得精细化路面结构仿真计算成为可能,但通过软件建立符合实际的有限元模型尤为重要.基于此,依托交通运输部公路科学研究院正在开展的足尺环道试验,采用大型通用有限元软件ABAQUS建立环道上3种典型沥青路面结构的有限元模型,研究模型尺寸、边界条件、荷载形式、网格划分等参数对路面力学响应结果的影响,通过与BISAR软件得到的解析解进行对比,确定合理的有限元建模方法和参数,为后续的沥青路面结构有限元分析提供建模依据.

荒漠区沥青路面拱胀病害机理及影响因素分析

针对阿勒泰荒漠区S21阿乌高速出现的沥青路面拱胀病害问题,对其机理及影响因素进行分析。经现场调查与室内试验,分析沥青路面拱胀病害成因。以调查结果为基础,运用Kirchhoff薄板理论与有限积分变换法理论推导基层拱胀临界应力计算公式,分析沥青路面拱胀病害力学机制,确定基层拱胀临界应力值。应用Abaqus建立道路有限元模型,分析基层施工温度、膨胀系数、回弹模量及路表最高温度等因素对基层纵向最大应力与路面最大拱起高度的影响,并基于基层拱胀临界应力值给出相应建议。研究认为:S21阿乌高速沥青路面拱胀病害是水泥稳定砾石基层在过大的温度应力作用下发生拱起破坏的结果。考虑实际道路情况,S21阿乌高速水泥稳定砾石基层拱胀临界应力值为3.49 MPa。当基层纵向最大应力大于基层拱胀临界应力值时,基层将会发生拱起失稳破坏。基层施工温度、膨胀系数及路表最高温度均为基层纵向最大应力与路面最大拱起高度的敏感因素,而基层回弹模量对路面最大拱起高度无明显影响。建议将基层膨胀系数控制在2.8×10^(-5)℃^(-1)以内,基层回弹模量控制在1400~2200 MPa以内。

共振碎石化路面弯沉响应特征及模量敏感性分析

共振碎石化路面的结构强度评估工作对于掌握其承载能力至关重要。为探究路面结构弯沉的变化特点,基于ABAQUS建立共振碎石化路面有限元模型,分析弯沉空间分布规律,进一步将碎石化层分为三层、变换其模量,分析弯沉对其敏感性变化。研究发现弯沉沿横断面呈现“M”形分布,纵断面呈现“山”形分布。随着各层模量的增加,弯沉出现不同程度的降低,在低模量区间结构层弯沉变化较快;在中高模量区间,弯沉随着碎石化上层和中层模量增大仍保持较高水平的降低速率,但弯沉对碎石化下层模量变化的敏感性逐渐降低。

旧混凝土桥沥青铺装层结构与材料性能研究

为提升桥面铺装结构的使用性能,改善桥面铺装结构层受力状态,减少旧混凝土桥梁维修改造桥面沥青铺装的病害,掌握铺装结构层受力状况及材料的性能,优选出沥青铺装材料和铺装结构型式。采用有限元分析方法,建立了水泥混凝土桥面沥青铺装层有限元基准模型。选择铺装层层间剪应力、层间拉应力、表面剪应力作为主要力学控制指标,分析了不同铺装层厚度和模量在行车荷载作用下铺装层内部的应力变化规律。结果表明:剪切破坏是桥面沥青铺装层主要破坏形式,沥青铺装层厚度是影响铺装层内部应力分布的主要因素,而沥青铺装层材料模量对应力分布影响很小,合适的沥青铺装层厚度有利于改善其内部应力的分布,由此提出2种桥面铺装结构设计方案——SMA组合结构和AC组合结构;通过室内试验,对所选的SMA-10,SMA-13,AC-13这3种沥青混合料进行高温稳定性、低温抗裂性、水稳定性以及渗水性相关路用性能试验研究,可知3种沥青混合料各项性能指标都满足设计规范要求,但在不同的性能上各有其优劣;最后根据性能试验分析结果和桥面铺装材料的优选原则,在性能都满足工程要求的情况下,结合工程造价经济和桥梁结构安全的要求,推荐AC组合结构作为旧混凝土桥面铺装结构,选择AC-13作为旧混凝土桥面铺装上下面层铺装材料。

接缝处弯沉对机场复合道面反射裂缝的影响

为研究机场复合道面PCC层接缝变形与反射裂缝的关系,采用ABAQUS有限元软件建立了复合道面三维有限元精细化模型,运用内聚力单元模拟了沥青层的损伤及开裂过程,提出了以退化因子及断裂面积率表征沥青层所受的整体损伤,开展正交试验分析了PCC层的板底脱空范围、接缝传荷系数、PCC层与沥青加铺层的层间摩擦系数及沥青加铺层厚度这4个因子对反射裂缝影响的显著性。基于显著性分析结果研究了板底脱空及接缝传荷系数与反射裂缝的内在联系,分析了弯沉、弯沉差与反射裂缝的相关关系。结果表明:仅受飞机荷载作用时,复合道面板底脱空对沥青加铺层反射裂缝有显著性影响,而通过改善层间黏结和增加沥青加铺层厚度对防治反射裂缝作用不大;沥青加铺层的反射裂缝与PCC层接缝处的弯沉和弯沉差紧密相关,采用弯沉差指标表征PCC层接缝变形对沥青加铺层反射裂缝的影响适应性更好;当PCC层存在板底脱空病害时,单侧脱空更易引起反射裂缝;良好的接缝传荷能力可有效减小接缝处的弯沉,延缓沥青加铺层的反射裂缝。因此,复合道面的防反设计应注意加强沥青层底部的抗开裂能力,建议采取措施恢复与提高接缝传荷系数,这对防治反射裂缝非常有效,尤其是对存在单侧脱空病害的情况。

基于塞贝克效应的沥青路面温差发电片间距

沥青路面在太阳照射下积聚大量的热能,为达到节能减排的目的,实现热能向电能的转换,根据塞贝克效应开展路面温差发电的研究。采用COMSOL有限元仿真方法,建立沥青路面温差发电模型,分析温差发电片对沥青路面温度场的影响,得到热端温度与路表温度正相关。通过分析不同温差下发电片的温度影响范围,构建温度影响半径模型,以此为基础分析相邻发电片温度影响范围相交、相切、相离3种不同工况,确定了最大热能利用的温差发电片间距。结果表明:温差发电片的温度影响范围为以发电片中心点为圆心的圆,距离圆心越远,温度影响越小;温度影响半径与冷热端温差呈正比关系;最佳间距与路表温度、环境温度和温差发电片边长有关,在试验路段得出最佳间距为5.2 cm,最大功率为0.884 W。该文为沥青路面热能利用提供了一种研究思路。

机场复合式高模量沥青道面结构优化设计

旧水泥混凝土道面加铺沥青层后易出现轮辙、疲劳开裂等问题。本研究尝试将高模量沥青混凝土引入机场复合式道面,通过ABAQUS有限元软件建立复合式道面模型,分析高模量沥青混凝土设置于不同层位时道面各结构层力学响应的变化规律,确定合理的设置层位。研究加铺层厚度、模量对结构力学响应的影响程度,通过正交试验得到高模量沥青加铺层最优结构组合。结果表明:复合式道面中沥青加铺层的最大允许覆盖次数小于水泥混凝土板的最大允许覆盖次数,因此道面结构的疲劳寿命取决于沥青加铺层的疲劳性能,合理地选择高模量沥青混凝土在加铺层中的设置层位有助于改善道面的疲劳性能;沥青加铺层底面的拉应变可作为复合式道面的疲劳控制指标;和下面层的厚度与模量相比,中面层的厚度与模量对加铺层的力学响应影响更加显著;将高模量沥青混凝土设置在中面层或中面层+下面层可有效降低沥青层底面的拉应变与沥青层的最大剪应力,改善复合式道面的力学性能;与普通加铺层结构相比,高模量沥青加铺层的最优组合可减小34.81%沥青层底面的拉应变与26.91%沥青层的最大剪应力,降低结构层发生轮辙与裂缝病害的风险。研究成果为复合式道面结构设计补充了力学指标,并为在机场道面推广高模量沥青混合料提供了参考方案。

降低沥青路面温度的双向热诱导相变结构研究

为降低沥青路面温度,缓解路面车辙问题,将相变储热与热诱导相结合设计了双向热诱导相变结构(Bidirectional heat-induced phase change structure,BHI-PCS),同时设置对照组空白结构(Blank structure,BS)、只添加相变材料的相变结构(Phase change structure,PCS)和只添加导热材料的双向热诱导结构(Bidirectional heat-induced structure,BHIS)。基于ABAQUS有限元分析对不同结构内部的热量变化情况及抗车辙能力进行了模拟,并设计室内测温系统对降温效果进行了验证。研究表明:与对照组相比,BHI-PCS降低路面温度效果更为显著,最大模拟温度降低4.1℃,室内测温试验结果与模拟计算结果吻合较好;同时BHI-PCS抵抗车辙的能力较强,最大车辙深度降低46.5%,所提出的结构能够为高温地区降低沥青路面温度,缓解路面车辙问题提供参考。

不同层间黏结状态下沥青路面结构的力学特性分析

为探索不同黏结状态下沥青路面结构力学特性,借助ABAQUS建立半刚性基层沥青路面结构有限元模型,设定3种层间黏结状态,对4个关键力学响应指标的结构深度方向分布规律分析。研究表明,最大剪应力峰值指标对于层间黏结状态变化较为敏感,相较于完全连续状态,其他2组模型分别增大了63.0%、92.6%,在沥青面层层间、面基层层间的3个界面最大剪应力出现峰值。在底基层层底的水平拉应力随着黏结状态的减弱逐渐变收紧并且集中分布在轮载中间位置处,拉压应力交界处出现在基层处,还分析了竖向压应变与路表弯沉的结构深度方向响应规律。进一步解析了层间演化条件下的路面结构内部的力学响应规律,可合理指导路面结构设计,提高耐久性水平。

智能发电路面技术现状及发展

为给发电路面的研究及推广应用提供理论指导与技术支持,全面调查国内外发电路面研究成果及应用现状并进行系统分析,确定了不同类型发电路面的适用性,提出了国内外现有发电路面技术存在的主要问题,从基于压电沥青混凝土发电路面、基于压电元件发电路面电能测试两个方面探索了智能压电发电路面新技术,并展望了智能压电发电路面未来发展趋势及研究方向。

沥青路面材料热物性参数对温度场的影响及敏感性分析

为研究沥青路面主动控制温度场技术的可行性,应用ABAQUS有限元软件建立了沥青路面温度场有限元计算模型,并通过实测验证了模型的精度。计算了夏季高温条件下,上面层材料导热系数、吸收率、比热容和发射率4个因素对路面各结构层的高温状况的影响规律。特别针对车辙问题,探讨了各因素对中面层日最高温度的影响。研究结果表明,上面层材料的热物参数对路面结构温度场影响显著。沥青路面温度场的敏感性分析结果显示,对中面层日最高温度影响程度从大到小依次为:吸收率、导热系数、发射率以及比热容。可以通过改变材料的热物性质实现路面温度场的主动控制,并为新材料的选择设计以及确定结构层热物参数合理分布提供了理论依据。

破裂水泥混凝土路面板沥青加铺层温度应力影响因素

为了防止水泥混凝土路面加铺沥青面层反射裂缝的产生,采用有限元方法,视路面结构为弹性层状体系,建立沥青加铺层、补强层、破裂水泥混凝土路面板和地基组成的空间三维模型,分析了破裂板块平面尺寸、降温幅度、沥青加铺层模量及厚度、结构补强层模量、混凝土路面板厚度等因素对沥青加铺层温度应力的影响。结果表明,对破裂后的旧水泥混凝土路面板块,沥青加铺层温度应力随其板块尺寸的减小而大幅度降低,较大的降温幅度对加铺层温度应力的影响远大于车辆荷载产生的应力;而降低沥青加铺层模量,增大加铺层厚度等技术措施可明显改善破裂板接缝处的应力状况,并能有效地防止沥青加铺层反射裂缝的产生。

压电材料与路面材料一体化发电路面技术研究

为探索基于压电材料与路面材料一体化的发电路面,优选性能良好压电材料制备压电发电沥青混凝土并检验其路用性能,同时依据电极布设方式设计了d31,d33型两种压电沥青混凝土发电路面结构,通过对比分析绝缘处理、压电材料纤维化、极化处理3种处置措施下的电能输出效果,确定了压电材料与路面材料一体化发电路面较为合理的处置方法。结果表明:压电材料在沥青混凝土中可较好发挥压电性能,且压电发电沥青混凝土的路用性能满足规范要求;d31,d33型两种发电路面结构可较好实现路面电能收集;3种处置方式下的电能输出效果逐步提高,绝缘处理可较大程度减小感应电场影响,极化处理可有效改善输出状况,二者的综合作用对压电发电沥青混凝土压电性能的表征具有重要作用,可作为压电发电沥青混凝土电能测试的关键处置措施;最后提出未来压电发电沥青混凝土电能输出研究改进建议。

基于弹性理论的沥青路面Top-Down开裂机理研究

为了分析沥青混凝土路面Top-Down开裂机理,基于ABAQUS有限元分析方法,综合考虑老化和温度梯度造成的沥青路面内部模量梯度、突然降温、轮胎边缘的应力集中等因素,选取春季、夏季和冬季3个季节,及未老化缓慢降温、老化后忽然降温和老化后缓慢降温3种情况,建立了9个沥青混凝土路面结构有限元模型。对不同工况下沥青混凝土路面最大拉应力和剪应力的大小及位置进行了分析。结果表明:对于未老化缓慢降温和老化后缓慢降温的沥青混凝土路面,剪应力过大是沥青混凝土路面开裂的主要原因;对于老化后忽然降温的沥青混凝土路面,由于剪应力无明显变化,拉应力增加较多,拉应力过大是沥青混凝土路面开裂的主要原因。

土工织物对复合式路面结构内力影响分析

利用有限元软件分析了旧水泥混凝土(PCC)路面沥青混凝土(AC)罩面复合式路面结构用各种土工织物延缓反射裂缝的效果,发现土工织物夹层能显著改善加铺层底部的弯拉应力分布情况,但对于旧板接缝运动产生的剪切应力没有明显的效果,因此,该种路面结构仍然需要强调对旧路面板及其基础的处治。试验结果表明:加铺层厚度的增加也能够大大降低加铺层底部的弯拉应力,但厚度超过20 cm后,增加厚度不再是一个经济的办法。

沥青路面结构早期损坏层位分析及对策研究

为了分析沥青路面结构早期损坏发生的层位,采用有限元方法对目前常见的半刚性基层沥青路面建模,模拟分析了动静荷载作用下沥青路面各结构层的应力应变特性及最大剪应力随路面深度变化特点,从路面力学响应的角度分析了路面早期病害类型出现的层位以及各个层位应具备的抗病害的特性,进而对抗病害对策进行了试验路研究。研究结果表明,距沥青路面路表0～3 cm的区域应力三向受压应力波动较大;距路表2～10 cm的区域属于高剪应力区域,易发生车辙;沥青路面层底在静载作用下受拉应力作用,在循环动载情况下受拉压重复作用易发生疲劳破坏。

耐久性沥青路面混凝土基层荷载应力的数值计算

为给混凝土基层耐久性沥青路面结构设计提供依据,利用均匀设计表安排对混凝土基层底面荷载应力有显著性影响的因素组合,采用三维有限元方法计算混凝土基层底面在标准轴载,以及单轴-单轮、单轴-双轮和双轴-双轮等不同轴载作用下的荷载应力,对计算结果进行回归分析,并分析了轴轮型对基层荷载应力的影响。结果表明:不同轴-轮载作用下,混凝土基层底面的荷载应力与面层厚度、基层厚度、基层模量、地基模量等因素之间存在良好相关关系;此外,双轴-双轮组荷载在基层底面产生的荷载应力小于单轴-单轮组和单轴-双轮组,因此通过增加轴数和轮胎数目可以有效缓解重载、超载车辆对路面的破坏作用。