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多种疲劳损伤行为下钢桥面铺装结构分析与优化

销售价格: 150元/篇 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis 编辑:若诗 点击次数:
论文字数:0 论文编号:el2020101613142620952 日期:2020-10-18 22:43 作者:上海论文网
本文是土木工程论文,本文以武汉白沙洲大桥为研究对象,分析桥面铺装结构在车载、温度综合作用下的力学行为,并结合车辙预估模型以及疲劳寿命预估模型,分析车辙损伤、铺装层底弯拉疲劳损伤以及防水粘结层的剪切疲劳损伤效应,揭示桥面铺装结构早期病害频发的原因,并提出相应的优化措施。主要结论如下:(1)以病害频发的武汉白沙洲大桥为工程背景利用有限元软件Abaqus建立三维立体模型,并在考虑极限破坏以及疲劳破坏两种加载方式下,确定最不利荷载的加载位置为荷载以一加劲肋边为中心对称施加于正上方,并距离横隔板300mm处。

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第1章绪论

 

本文主要分为五大章节:第一章对目前国内外常用的铺装体系,铺装结构设计方法以及层间剪切疲劳性能的研究现状进行综述,提出本文的研究目的及研究内容;第二章主要针对武汉白沙洲大桥进行有限元力学分析,在考虑极限破坏及疲劳破坏两种加载方式下,对比分析铺装结构的最不利加载位置,并分析多种温度、荷载及铺装层厚度的变化对铺装结构受力的影响规律;第三章主要对试验所用的原材料进行质量检测,并对试验所用混合料进行配合比设计,确定最佳沥青用量;第四章进行铺装层弯曲疲劳试验以及防水粘结层的剪切疲劳试验,研究多种温度、荷载对铺装各层疲劳性能的影响,并得到两个疲劳寿命预估模型;第五章将结合力学分析以及建立的疲劳寿命预估模型,揭示白沙洲大桥铺装层的主要病害类型以及破坏原因,并优化结构,提出延长铺装结构使用寿命的措施。技术路线如下图1-1所示。
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第2章钢桥面铺装结构力学分析

 

2.1有限元基本参数和模型
有文献研究表明[39],钢桥面铺装层的主要破坏形式都与正交异性钢桥面板的局部变形有关,因此,荷载静力作用下的钢桥面铺装结构选用局部梁段作为有限元分析计算对象,本次研究选取钢桥面板、纵向梯形加劲肋、横隔板、防水粘结层和铺装层作为整体建立有限元模型。模型纵桥向取12m(4个横隔板,间距3m),横桥向取4.8m(7个梯形加劲肋,详细尺寸见表2-3),所有钢板均采用16Mn低合金钢。防水粘结层为钢桥面专用的柔性环氧树脂防水粘结剂,桥面铺装采用两层,上下层厚度以及材料均与大桥实际铺装所用材料一致,所有材料均采用线弹性模型,为了研究不同温度下(-10℃、15℃、25℃、50℃、70℃)铺装层应力应变的变化,根据文献[40-42],对铺装各层分别采用对应温度下的弹性模量来进行分析,铺装结构的具体参数如下表2-2所示。

 

2.2铺装结构静力特性分析
钢桥面铺装层起着承受车辆荷载并分散荷载的作用,其受力状态及其与桥面结构之间的相互关系直接影响桥梁的使用寿命;而防水粘结层作为保证桥面板和沥青铺装层的有效粘结,增加铺装整体结构稳定性的重要组成部分,在荷载的反复作用下,经常发生剪切破坏,直接影响桥面的正常使用,因此,本节主要针对铺装层以及防水粘结层的受力特点进行研究,确定两种加载方式最不利荷载的位置并分析荷载、温度、铺装层厚度的变化对铺装结构受力的影响规律,以期为钢桥面铺装结构的设计提供有益的参考。作为发展中国家,我国的超载超限现象十分严重,白沙洲大桥的设计日交通量为5万辆,但是实际日交通量已经超过9万辆,且以大货车为主,重车比例大且超载严重。超载超限车辆对于铺装层会产生结构破坏以及永久变形两大类,前者为毁灭性的破坏;后者多表现为疲劳开裂、层间脱空以及车辙等病害,严重影响桥梁的正常使用,因此非常有必要对车辆的超载问题进行研究。加载方式1施加的胎压分别为0.758MPa、0.985MPa以及1.212MPa,加载方式2施加的胎压分别为0.707MPa、0.919MPa以及1.131MPa,利用有限元软件分析荷载的变化对铺装层底最大拉应力、拉应变以及防水粘结层最大剪应力的影响规律,提取数据结果详见附表2-5~2-6,并绘制趋势图2-9,最大应力应变的云图见图2-10。
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第3章原材料的性能测试与配合比设计..............................................24
3.1原材料性能测试..................................................................................................24
3.2沥青混合料配合比设计......................................................................................26
3.3本章小结.............................................................................................................30
第4章钢桥面铺装各结构层疲劳性能研究............................................31
4.1防水粘结层剪切疲劳性能研究..........................................................................31
4.2铺装层弯曲疲劳性能研究..................................................................................48
4.3本章小结.............................................................................................................55
第5章多种疲劳损伤行为下钢桥面铺装结构分析与优化....................57
5.1武汉白沙洲大桥桥面铺装层病害分析..............................................................57
5.2延长白沙洲大桥铺装结构寿命的措施...............................................................64

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第5章多种疲劳损伤行为下钢桥面铺装结构分析与优化

 

5.1武汉白沙洲大桥桥面铺装层病害分析
本次研究主要考虑疲劳损伤,而铺装结构产生的疲劳开裂、车辙以及脱层等病害均属于铺装结构各层的疲劳性能不满足使用要求导致。其中,疲劳开裂为铺装层的抗弯曲疲劳性能不足,车辙为铺装层的抗剪切疲劳性能不足,脱层为防水粘结层抗剪切疲劳性能不足。因此,本小节将依据第四章得到的疲劳寿命预估模型以及现行规范的要求计算白沙洲大桥的各结构层在实际使用环境下的疲劳寿命,并结合实际轴载作用次数进行分析,进而判断其主要病害的类型。从图5-1中还可以看出,防水粘结层的剪切疲劳损伤率一直大于铺装层的弯曲疲劳损伤率,说明铺装结构疲劳损伤的薄弱环节在防水粘结层,其剪切疲劳损伤为主要的破坏原因,剪切疲劳损伤率在一年的时间已经达到了35%,使用2年9个月的时间就会因防水粘结层的剪切疲劳破坏而出现脱层、推移等病害而影响桥梁的正常使用,这也正是白沙洲大桥频繁维修的真正原因所在。由此可以看出,虽然防水粘结层的抗剪强度满足规范和极限设计方法下的要求,但是其抗剪切疲劳性能却很差。因此,本文建议在结构设计时不应该仅仅以极限破坏强度评价层间粘结性能,也应该将层间剪切疲劳寿命作为一项关键性指标纳入评价指标范围内,综合进行层间粘结性能的评估。

 

5.2延长白沙洲大桥铺装结构寿命的措施
根据以上研究可知,铺装层达到车辙破坏需要6年10个月,达到弯曲疲劳破坏为10年8个月,防水粘结层的剪切疲劳寿命为2年9个月,均达不到使用年限(15年)的要求,且防水粘结层的剪切疲劳寿命决定了整个铺装结构的使用寿命。在本文分析的影响因素中,铺装层厚度的增加以及荷载的减少都会使铺装结构的应力应变减小,鉴于此,本次优化将着重分析这两个因素以延长铺装结构的整体使用寿命。可以看出,铺装层的弯曲疲劳寿命以及防水粘结层的剪切疲劳寿命在铺装层厚度的影响下变化规律相同,疲劳寿命均随厚度减小而降低,随厚度增加而提高。且相比较而言,铺装层厚度的变化对弯曲疲劳寿命影响更大,当铺装层厚度由70mm增加至90mm时,其弯曲疲劳由4年8个月增至22年10个月;而防水粘结层剪切疲劳寿命由2年5个月增至3年6个月。综上所述,虽然铺装层厚度的增加会使车辙变形量增加,但是会使铺装结构的疲劳寿命得到有效延长,且车辙变形量增加幅度较小,一年仅增加0.5mm,因此,可采用增加铺装层厚度的方式优化铺装结构。

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结论与展望
鉴于目前铺装结构设计大都以控制铺装结构与材料的极限破坏强度为主,而对疲劳损伤效应的影响考虑甚少这一问题,而最大纵向拉应力逐渐下降,在某一温度相等,加载方式1下为25℃,加载方式2下大约为17℃;防水粘结层最大剪应力呈现先上升后下降的趋势,25℃时达到最大,说明如果以极限剪应力为设计标准,规范采用25℃时的抗剪强度作为指标是合理的;铺装层厚度变化的影响表现为随厚度的增加,铺装层的最大拉应力、拉应变以及防水粘结层的最大剪应力均随厚度的增加而减小。(3)铺装层底最大拉应力、拉应变均出现在横隔板附近,而防水粘结层最大剪应力出现在纵向加劲肋边附近。且就本文研究的几个力学指标而言,加载方式对它们的影响主要表现在数值上的差异,而对它们在各影响因素下的变化趋势无显著影响。
参考文献(略)
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