路橋損傷及破壞中若干力學(xué)問(wèn)題的研究.pdf

1、水泥混凝土路面具有強(qiáng)度高、耐久性好、使用壽命長(zhǎng)、能適應(yīng)多種車輛通過(guò)的優(yōu)點(diǎn)，多年來(lái)得到了廣泛應(yīng)用。但是，在長(zhǎng)期的使用過(guò)程中，水泥混凝土路面也出現(xiàn)了各種問(wèn)題，如路面脫空問(wèn)題、路面層間接觸問(wèn)題以及路面嵌縫處理問(wèn)題等，這些問(wèn)題若不能很好解決，將嚴(yán)重影響水泥混凝土路面的使用性能乃至其使用壽命。本文首先是針對(duì)水泥混凝土路面的幾個(gè)問(wèn)題進(jìn)行深入研究，得到一系列重要結(jié)論，對(duì)工程實(shí)際有重要的指導(dǎo)意義。另一方面，船和橋墩相撞的事故不斷發(fā)生，造成嚴(yán)重的人員生命

2、、財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染，而橋墩由于遭受船舶撞擊而發(fā)生坍塌的損失是非常巨大的。本文最后對(duì)船和橋墩相撞的問(wèn)題進(jìn)行了深入研究，通過(guò)對(duì)實(shí)船與大橋主橋墩及其防護(hù)裝置的碰撞過(guò)程進(jìn)行仿真分析，為工程設(shè)計(jì)人員提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)。本文主要完成了以下幾方面的工作：
　　 ⑴采用水泥、石灰，石膏、早強(qiáng)劑、高效減水劑以及膨脹劑等材料，得到了水泥混凝土路面脫空板灌漿漿體新材料。漿體材料具有和易性好，流動(dòng)度高，凝結(jié)后具有早期強(qiáng)度高，后期彈性模量低，且有微膨脹

3、等等優(yōu)良性能，基本滿足了路面脫空板灌漿材料的一系列要求，實(shí)驗(yàn)表明，采用這種低彈性模量材料作為脫空灌漿材料將可以有效地提高水泥混凝土路面的使用壽命。
　　 ⑵利用大型動(dòng)力非線性有限元程序LS-DYNA3D對(duì)混凝土路面板脫空、灌漿后承受沖擊載荷作用下的彎沉問(wèn)題進(jìn)行了計(jì)算分析，結(jié)果表明：混凝土路面板脫空后，灌漿材料的彈性模量對(duì)混凝土路面板有較大的影響；使用中應(yīng)盡量使灌漿材料的彈性模量和原來(lái)的水泥穩(wěn)定砂礫層的彈性模量所匹配，否則會(huì)造成板

4、內(nèi)應(yīng)力分布不均勻或者偏高；當(dāng)灌漿材料的彈性模量低于無(wú)脫空時(shí)的水泥穩(wěn)定砂礫層的彈性模量時(shí)，同樣造成混凝土路面板內(nèi)的應(yīng)力增大。同時(shí)建立了具有普遍意義的彈性地基上的混凝土路面板變形的基本方程，推導(dǎo)了路基不均勻沉降時(shí)路面板彎沉的解析解。
　　 ⑶采用有限元程序ANSYS對(duì)考慮了層間接觸的普通水泥混凝土路面進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論：層間摩阻系數(shù)對(duì)面層和基層的力學(xué)響應(yīng)值均有較大影響，層間粘結(jié)作用的加強(qiáng)有利于荷載傳遞和擴(kuò)散；層間摩阻系數(shù)對(duì)

5、水泥混凝土路面早期收縮時(shí)的力學(xué)響應(yīng)有很大影響，若層間連續(xù)，板底在未開(kāi)放交通前就有大量微裂紋，這將大大降低路面使用性能，導(dǎo)致混凝土路面在低應(yīng)力水平下的斷裂破壞；將有限元分析結(jié)果和線彈性斷裂力學(xué)相結(jié)合分析水泥混凝土路面斷裂力學(xué)性能，分析結(jié)果表明：基層對(duì)面層收縮的限制是水泥混凝土路面早期裂紋產(chǎn)生的主要原因。
　　 ⑷通過(guò)有限元計(jì)算方法，分析了HX型嵌段共聚物改性瀝青砼接縫路面板在各種行車載荷作用下的動(dòng)態(tài)力學(xué)響應(yīng)、瀝青路面接縫受力變形特

6、性、路面接縫的撓度傳遞能力以及最大撓度變形等。得出如下結(jié)論：HX型嵌段共聚物改性瀝青砼具有較大的彈性承載范圍，能夠滿足路面接縫設(shè)計(jì)要求；計(jì)算發(fā)現(xiàn)，車輛緊急制動(dòng)容易造成路面發(fā)生永久破壞；超載車輛容易使路面產(chǎn)生較大的豎向彎沉和永久車轍。因此，車輛在路面行駛時(shí)，應(yīng)盡量避免緊急制動(dòng)，同時(shí)應(yīng)盡量避免超載車輛在路面上的行駛。進(jìn)一步，提出了材料的“模量”和“位移能力”的概念，通過(guò)材料性能設(shè)計(jì)，保證接縫密封無(wú)論從粘接界面還是密封膠本體都不發(fā)生破壞，同時(shí)

7、開(kāi)發(fā)了新型路用密封嵌縫材料及配套施工機(jī)具，將路面使用壽命提高了三倍。
　　 ⑸利用大型非線性動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析程序LSDYNA3D，通過(guò)對(duì)一艘50000DWT的散裝貨輪在4m/s的航速下以不同風(fēng)流壓偏角撞擊橋墩進(jìn)行數(shù)值模擬，并與橋墩無(wú)防護(hù)裝置時(shí)的結(jié)果進(jìn)行分析比較，發(fā)現(xiàn)設(shè)置防撞結(jié)構(gòu)能有效地降低對(duì)橋墩的直接破壞。結(jié)果表明，在碰撞過(guò)程中，防撞結(jié)構(gòu)能有效降低碰撞力峰值，同時(shí)通過(guò)合理設(shè)計(jì)防撞結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式及剛度，可以限制橋梁在碰撞中受到的最大碰