月勞教學(xué)基礎(chǔ)理論試題(全國).docx

1、道路養(yǎng)護(hù)與管理課程論文論文題目：斷裂與損傷力學(xué)在鋼橋面瀝青鋪裝層研究中的應(yīng)用現(xiàn)狀概述姓名： XXX學(xué)號： XXX專業(yè)班級：土木工程X 班 計算(1式中： PQ 為臨界荷載；B 為試件寬度；W 為試件高度；a0 為初始裂縫深度； S為彎曲梁支點(diǎn)之間的距離。臨界荷載PQ和初始裂縫深度a0。的確定4/14方法見 GB 416l 一 84 。 f(為系數(shù)，按照式(2 計算(2當(dāng)裂縫尖端出現(xiàn)較大的塑性變形時，線彈性裂紋解不能描述問題的真實(shí)狀態(tài)，這時可以引入彈塑性斷裂參數(shù)，積分來描述這類問題。它反映了裂縫尖端彈塑性應(yīng)力場的場強(qiáng)，且由于積分路徑無關(guān)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(fù)雜的力學(xué)性

2、狀。大量實(shí)驗(yàn)表明，J積分可以作為裂縫起裂判據(jù)，其數(shù)據(jù)較穩(wěn)定，并與試件尺寸無關(guān)。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 區(qū)為彈性形變能U e ，區(qū)為彈塑性形變能U p。三點(diǎn)彎曲梁J積分的表達(dá)式為 曲線采用初始柔度法計算得出； 為泊松比，取為0 3； U p 可根據(jù) P-V 曲線采用 Matlab 軟件編程計算得出。測定材料的JIC 值，可采用深裂紋單試樣，由臨界點(diǎn)所對應(yīng)的位移值V C 。和載荷值PQ 按式 (4 進(jìn)行計算。當(dāng)裂紋尖端的J積分達(dá)到臨界值 JIC (J=J IC 時，裂縫開始擴(kuò)展。若P-V 曲線上升段呈線性，則U P的值很小，可以忽略。這時斷裂韌性

3、K IC 。和 JIC 可以通過式(4 轉(zhuǎn)換(45/14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(dāng)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(nèi)產(chǎn)生的最大應(yīng)力、應(yīng)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(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)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(yīng)力、應(yīng)變響應(yīng)值是進(jìn)行鋪裝層設(shè)計的主要依據(jù)，因此，進(jìn)行鋼橋面系力學(xué)分析之前首先應(yīng)該確定軸載作用的最不利荷位?，F(xiàn)有的鋼橋面系力學(xué)模型都是將鋪裝層看作無缺陷的完好結(jié)構(gòu)，針對該模型的軸載作用最不利荷位問題，許多文獻(xiàn)對此做了探討。當(dāng)鋪裝層內(nèi)存在裂縫

4、時，鋪裝層內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變狀態(tài)與無裂縫鋪裝層的情況是不同的，且所關(guān)心的力學(xué)參量也不再是鋪裝層表面的最大應(yīng)力、應(yīng)變值，而是由應(yīng)力強(qiáng)度因子所表征的裂縫尖端應(yīng)力、應(yīng)變場強(qiáng)度，對比分析不同荷位下的裂縫應(yīng)力強(qiáng)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(jìn)行分析比較。三維裂縫屬于I 、混合型開裂問題，裂縫的擴(kuò)展必須考慮3種開裂模式的綜合作用，其應(yīng)力強(qiáng)度因子也應(yīng)該是3 種應(yīng)力強(qiáng)度因子K l 、 K 、 K 的組合，目前關(guān)于混合型裂縫的斷裂判據(jù)準(zhǔn)則還不是很統(tǒng)一，工程中從偏于安全的角度出發(fā)，并參考最小應(yīng)變能密度因子理論，采用式 (5 表示等效應(yīng)力強(qiáng)度因子K e.(5由于荷載和模型都以荷

5、載面積橫向中心線為對稱軸，經(jīng)過該對稱軸的橫截面上的裂縫尖端處于平面應(yīng)變狀態(tài)，計算結(jié)果顯示，K O可忽略不計， 9 個荷位的計算結(jié)果如表1所示。表 1軸載作用于不同荷位的應(yīng)力強(qiáng)度因子值6/14從表 1的數(shù)據(jù)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(cè)邊緣緊靠裂縫線，后面將以該荷位作為標(biāo)準(zhǔn)荷位進(jìn)行裂縫疲勞擴(kuò)展壽命分析。5 鋪裝層疲勞壽命預(yù)估從現(xiàn)場觀察來看，鋪裝層表面裂縫幾乎是垂直向下擴(kuò)展的，因此，可以認(rèn)為裂縫擴(kuò)展角=0 ，描述裂縫擴(kuò)展規(guī)律最常用的是Paris 公式 :6 ） 的積分，首先要將應(yīng)力強(qiáng)度因子表示為裂縫深度a的函數(shù)，采用有限元法計算出不同深度a的裂縫應(yīng)力強(qiáng)度因子值，然后進(jìn)行曲

6、線擬合得到應(yīng)力強(qiáng)度因子與裂縫深度a的關(guān)系式。圖5是應(yīng)力強(qiáng)度因子K l 、 K 、K 隨裂縫深 a變化的曲線。7/14圖 5 應(yīng)力強(qiáng)度因子隨裂縫深度的變化曲線對圖 5 的曲線進(jìn)行擬合得到等效應(yīng)力強(qiáng)度因子為裂縫深度a的二次多項(xiàng)式8 ）。 中的被積函數(shù)太復(fù)雜，無法直接積分，只能采用數(shù)值方法求解。給定區(qū)間長度為 a，將積分區(qū)間a 0 ,ac 劃分成個小區(qū)間 a i ， ai +1 ，每口個積分小區(qū)間中點(diǎn)的被積函數(shù)值與區(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。8/14式 (7 右邊的被積函數(shù)可表達(dá)為：(9這樣式 (7 的積分值就可以表示為：(10以南京

7、長江二橋鋼橋面鋪裝層為例，基于斷裂力學(xué)預(yù)測的疲勞壽命為985 62 萬次，其他方法預(yù)測的疲勞壽命分別為：基于唯像學(xué)疲勞方程為1200 萬次、能耗法為26294 69 萬次、損傷力學(xué)方法為14844 58 萬次?；跀嗔蚜W(xué)方法預(yù)測的疲勞壽命是最小的，其主要原因有：(1 基于斷裂力學(xué)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(xiàn)這一過程的裂縫初始化壽命，而其他3種方法預(yù)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。(2 裂縫的疲勞擴(kuò)展壽命受材料的疲勞擴(kuò)展參數(shù)C、 n影響很大，本文選擇的參數(shù)值來源于相關(guān)文獻(xiàn)中相近材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這與實(shí)際材料性能有差別，工程經(jīng)驗(yàn)表明，鋼橋面

8、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，需要通過實(shí)驗(yàn)測定鋼橋面鋪裝材料的疲勞擴(kuò)展參數(shù)C 、凡的值。6 小結(jié)(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(dāng)溫度低于5 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(dāng)溫度高于5時試件產(chǎn)生彈塑性斷裂，裂縫緩慢擴(kuò)展，且擴(kuò)展路徑繞過粗集料。對于環(huán)氧瀝青混凝土材料，將5 作為斷裂特性改變的臨界點(diǎn)。(2 不同溫度下斷裂韌性K IC 和 JIC 的相互轉(zhuǎn)換關(guān)系證明了一15 5時試件發(fā)生了線彈性變形，5 25 時試件發(fā)生了明顯的彈塑性變形。(3 考慮到斷裂韌性K IC 和 JIC 不同的特點(diǎn)和使用條件，建立基于斷裂韌性和J積分的聯(lián)

9、合斷裂判據(jù)，即K-J 聯(lián)合斷裂判據(jù)：當(dāng)溫度低于5時，采用斷9/14裂韌性作為斷裂判據(jù)；當(dāng)溫度高于5時，采用J積分參數(shù)作為斷裂判據(jù)。(4 本文中實(shí)驗(yàn)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(jié)論是否能應(yīng)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(jìn)一步研究。5 ）隨著軸載作用次數(shù)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(xué)的疲勞方程將鋪裝層性能在整個使用壽命期內(nèi)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(xué)的疲勞設(shè)計方法，將鋪裝層的疲勞過程看作是裂縫的擴(kuò)展過程，能夠描述鋪裝層性能劣

10、化過程中的應(yīng)力、應(yīng)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(xué)的疲勞方程相比，更能反映鋪裝層實(shí)際受力狀況，所以計算結(jié)果更準(zhǔn)確，設(shè)計更為可靠。6 ）當(dāng)裂縫長度較小時，裂縫主要沿鋪裝層表面擴(kuò)展；當(dāng)擴(kuò)展長度達(dá)到一定值時，裂縫沿深度方向擴(kuò)展的趨勢增強(qiáng)；當(dāng)達(dá)到一定深度后，裂縫向深度方向擴(kuò)展的應(yīng)力場逐漸減弱。對于開裂深度為20mm 的裂縫，長度達(dá)到100mm 時最容易發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展；對于開裂長度為50mm 的裂縫，深度達(dá)到15mm 時進(jìn)一步擴(kuò)展的趨勢最明顯。當(dāng)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(kuò)展。隨著長度增加，鋪裝層表面裂縫尖端處發(fā)生面內(nèi)剪切的可能性增大，裂縫深度方向上易

11、發(fā)生面外剪切引起的擴(kuò)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(nèi)，裂縫長度和深度的增加，都會引起鋪裝層表面橫向拉應(yīng)力 拉應(yīng)變）、縱向拉應(yīng)力 拉應(yīng)變）的增大，隨著裂縫發(fā)展，可能引起次生裂縫的產(chǎn)生，并且裂縫數(shù)量的增加對鋪裝層的受力不利，因此鋪裝表面可能進(jìn)一步發(fā)展形成網(wǎng)狀裂紋。裂縫長度和深度的增加均會引起鋼板和鋪裝層間剪應(yīng)力的增大，特別是裂縫深度的增加對剪應(yīng)力影響較大，控制裂縫的擴(kuò)展，可以防止層間粘結(jié)層的破壞。因此對于已發(fā)生的開裂，應(yīng)該在其擴(kuò)展到最不利情況前及時修補(bǔ)。10/14參考文獻(xiàn)1洪起超 工程斷裂力學(xué)基礎(chǔ)上海交通大學(xué)出版社1986 年2錢振東，李智，陳春紅鋼橋面環(huán)氧瀝青混凝土鋪裝層I 型裂縫的斷裂判據(jù)中國公路學(xué)報 2008 ， 215 ）3 敬淼淼 鋼橋面瀝青鋪裝層裂縫病害分析 公路交通科技2007 ，2411/145林廣平，黃衛(wèi)，劉振清正交異性鋼橋面鋪裝層