沥青路面粘弹性疲劳损伤分析

1、第卷第期年月湖南科技大学学报（自然科学版）（）沥青路面粘弹性疲劳损伤分析关宏信，郑健龙（长沙理工大学公路工程学院，湖南长沙）摘要：沥青混合料是一种粘弹性材料，而目前的沥青路面疲劳损伤分析方法大都采用传统的线弹性疲劳方程，无法反映环境行车速度和轴载影响的沥青混合料粘弹性疲劳损伤演化模型的基础上，温度、加载历史的影响在分析作者提出的能够反映温度、提出了沥青混合料粘弹性疲劳损伤演化模型参数的试验方法和沥青路面粘弹性疲劳损伤分析简化方法，运用该方法分析了沥青路面在重复汽车荷载作用下疲劳损伤的演化进程，结果表明该粘弹性疲劳损伤演化模型是可以用来分析沥青路面疲劳寿命的图，表，参关键词：沥青路面；粘弹性；疲

2、劳损伤中图分类号：文献标识码：文章编号：（）疲劳开裂是沥青路面结构的主要破坏形式之一，损伤演化则是伴随疲劳过程发生的，而沥青混合料具有明显的粘弹性性质，因此综合考虑材料的粘弹性性质和疲劳损伤演化来分析沥青路面的疲劳开裂将具有重要意义国外在这方面已经做了不少研究，提出了多个粘弹性疲劳损伤演化模型，并进行了沥青混合料和沥青路面的疲劳损伤分析，但疲劳损伤分析对路面的实际行驶条件考虑不够国内在分析沥青路面疲劳损伤问题时，大都直接利用经典的疲劳损伤模型，没有考虑材料的粘弹性性质笔者曾分析了行车荷载周期作用下沥青路面的力学响应，并基于此提出了沥青混合料的粘弹性疲劳损伤演化模型，经定性分析，该模型适合用于进

3、行沥青路面的行车荷载疲劳分析由于路面承受成百上千万次的车辆重复作用，考虑沥青混合料粘弹特性时，任意时刻的应力应变响应均与之前的加载历史和现时的环境温度密切相关，如果再考虑疲劳过程中的损伤问题，问题将变得更加复杂本文将在文献，的基础上，探讨沥青路面粘弹性疲劳损伤数值计算方法，并预估沥青路面疲劳寿命沥青路面粘弹性疲劳损伤分析简化方法沥青混合料粘弹性疲劳损伤演化模型文献，从粘弹性本构方程出发基于耗散能提出的粘弹性疲劳损伤演化模型为积分可得：（）其中疲劳寿命方程为!（）（）式中：）为（，为温频等效因子；（复蠕变柔量的虚部；为应力幅值由于沥青混合料具有粘弹性性质，当前应力与环境温度和加载历史密切相关，要

4、利用式（）开展疲劳收稿日期：基金项目：国家自然科学基金项目（）作者简介：关宏信（），男，湖北潜江人，博士，副教授，主要从事道路工程方面的研究损伤分析，必须分析式（）的损伤累积规律疲劳损伤累积规律分析考虑在两级工况先后作用下，即工况先重复作用次，然后工况重复作用次导致材料破坏，达到损伤量，那么由!则有（）；若将上述加载顺序颠倒，即工况先重复作用次，然后工况重复作用次，此时的累积损伤为（），那么仅在时（对应于是材料常数的情况）；若则；若则这表明参数恒定时，式（）的疲劳损伤遵循线性累积规律在参数恒定时，若将式（）积分，可得单周期损伤增量：（）（）（）损伤的累积：!）!（）从式（）也可以看出，只要参数

5、恒定，无论计算时刻以前的加载顺序如何变化，所得到的损伤值都相等，即疲劳损伤遵循线性累积规律，与前述判断结果一致粘弹性疲劳损伤分析方法前面分析表明，式（）中参数恒定时，损伤遵循线性累积规律那么，利用式（）分析沥青路面疲劳损伤问题时，相应步骤如下：（）按照文献的结论，可以用单周期的应力响应代替考虑多周期加载历史下的应力响应，那么可以直接计算沥青路面结构不同工况（不同环境温度、不同荷载作用（包括轴重、行驶速度）下所产生的应力应变；（）不考虑工况组合顺序，利用步骤（）得到的应力应变计算各工况作用相应次数所产生的损伤增量，累加得到当前损伤值；（）判断损伤是否达到临界值，如果达到临界值，则停止计算，得到疲

6、劳寿命参数试验沥青混合料的粘弹性参数试验试验采用沥青混凝土，结合料为泰普克沥青沥青混合料试件大小为，级配组成如表所示，沥青含量为采用标准的碾压成型试验方法制备成车辙试验所用的试件，然后切割成的小梁试件表沥青混凝土级配粒径通过率粒径通过率采用进行沥青混合料的应力松弛试验来确定沥青混合料的粘弹性参数对同一试件按照、和的顺序开展松弛实验，施加轴向拉力并使变形分别保持为、和每次松弛时间，每次实验间歇采用由个单元并联而成的广义模型来模拟沥青混合料的粘弹性质，其松弛模量为（）!，其中松弛时间，、为模型参数试验得到下的粘弹性参数试验结果如表所示，以为参考温度的时间温度等效移位因子参数为表广义模型参数参数实验

7、结果参数实验结果（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）粘弹性疲劳损伤模型参数试验对于直接拉伸疲劳试验，沥青混合料试件受（）（半周期）轴向拉力作用，其弹性理论解：应力（），根据粘弹性弹性对应性原理，那么在粘弹性时：#（），拉氏逆变换得（）（），其中为试件截面积可见，此时沥青混合料内的应力与荷载的变化规律完全相同，只要保持每周期加载荷载波形恒定，那么不仅周期应力按照正弦波精确变化，而且每周期的应力幅值也保持恒定本文利用进行了直接拉伸疲劳实验，实验采用控制应力方式加载实验温度选择了、和，加载频率选择了和，应力幅值选择、对实验数据按照式（）进行非线性拟合，得到粘弹性疲劳损伤模型参数为那么，由本文所建

8、立的粘弹性疲劳损伤演化方程为!（）（）（）疲劳寿命方程为：!（）（）损伤表达式为：!（）（其中），（）可以按照文献的方法求解沥青路面粘弹性疲劳损伤分析算例路面结构分析模型路面结构计算模型为：从上往下依次为沥青混凝土面层、水泥稳定碎石基层、水泥稳定石屑底基层利用做三维分析时，宽度取为（约两个车道宽），沿道路纵向取，土基取厚，底部固定约束轴载作用在主车道中间，横向宽度方向为自由边，沿道路纵向个方向都受到约束计算时将沥青面层视为粘弹性材料（材料参数见表），计算时采用单元；其余结构层材料为线弹性材料，计算时采用单元；其中基层弹性模量，泊松比为，底基层弹性模量，泊松比为，路基弹性模量，泊松比为；假定相邻

9、结构层之间完全连续，没有采用接触面单元车轮荷载按照（）的方式施加，并且是将一根轴两侧的个轮载同时施加到沥青面层表面，以尽可能真实地模拟行车荷载对道路的作用荷载按标准轴载考虑，即单轮接地面积承受均匀分布的压力分析模型如图所示有限元计算结果作者利用对上述路面结构开展了静态受力计算，分析了沥青面层不同温度、各类车辆、车辆不同行驶速度时的等效应力，然后自编程序进行了前述温度和荷载条件下沥青面层的疲劳裂纹形成阶段的疲劳寿命预估结果如图所示从图中可以看出：图分析模型（）损伤演化速度受温度影响比较大由图可见，冬季损伤发展平缓，而夏季损伤则增长比较迅速，这主要是由于温度的影响所致夏季高温时沥青混凝土承载能力降

10、低，引起损伤增量比较大，而冬季低温时沥青混凝土承载能力较高，而且材料性质更接近弹性，周期荷载作用产生的耗散能比较小，而本文所采用的粘弹性疲劳损伤模型是基于耗散能的，所以导致低温时的损伤增量比较小大量的沥青混合料室内疲劳试验结果也表明，低温时疲劳寿命长（损伤演化慢），高温时疲劳寿命短（损伤演化快），本文计算结果也正好反映了这种规律（）加载顺序对损伤演化的进程没有影响图中共有条损伤演化曲线，分别对应不同的起始计算月份由于本文的计算分析所采用的轴载日分布相同，图中的横坐标是以月为单位，每月均按照天考虑而工况是温度、荷载和频率的组合，虽然后两者在以日为单位情况下不会发生变化了，但由于同一时刻对应不同曲

11、线的温度是不同的，也就不同了所以这条曲线实际上代表种不同的加载顺序由图可见，种不同的加载顺序在一年后的损伤值是相等的这也就说明以年为单位的加载顺序对损伤演化进程没有影响，实际上表明了本文所采用的粘弹性疲劳损伤模型（参数为材料常数）的疲劳损伤累积遵循线性累积规律，这也与前面关于疲劳损伤累积规律的判断是吻合的，（）：，（）：，唐雪松，蒋持平，郑健龙青混合料疲劳过程的损伤力学分析应（）：用力学学报，周志刚交通荷载下沥青类路面疲劳损伤断裂研究长沙：中南大学，（）：，结论利用作者提出的粘弹性疲劳损伤模型，分析沥青：，王金昌，赵颖华含反射裂缝沥青路面的疲劳变温损伤分析岩（）：土工程学报，路面的疲劳损伤演化，一方面提出了该模型的参数试验方法和沥青路面疲劳损伤分析的简化方法，另一方面也通过计算说明作者提出的粘弹性疲劳损伤模型用于沥青路面疲劳损伤分析是可行的当然，出于简化计算的考虑，本文在计算中对轴载的时间分布和对应温度的变化做了假定，如果按照实际的交通状况开展粘弹性疲劳损伤数值分析，将面临计