温-车耦合下黏弹性沥青路面结构力学响应分析

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沥青路面在使用过程中会受到温度和汽车荷载等多种因素的耦合作用,路面在短期内便出现车辙、裂缝等病害。为了更加合理准确地分析实际中多个因素影响下的沥青路面问题,开展温-车耦合下黏弹性沥青路面问题的研究具有一定的工程意义。针对上述问题本文基于弹性层状理论和热应力理论等建立数学模型,采用较为新颖高效的DVP方法进行求解,利用所得到的解析结果结合有限元结果对耦合作用下黏弹性沥青路面问题相关力学响应进行分析。主要研究内容如下:(1)基于层状弹性体系和热应力理论,利用层间结合模型反映沥青路面各层之间的连接状况,同时引入经典黏弹性模型表征沥青面层材料特性,建立温度-车辆耦合下黏弹性沥青路面问题的数学模型,进而从基本控制方程出发,使用Laplace积分变换以及基于正交向量函数系的DVP方法,建立物理域和转换域之间的关系,推导得到温-车耦合下黏弹性沥青路面问题的解析解,最后结合逆变换数值积分方法得到耦合路面问题的最终结果。(2)应用MATLAB软件编写耦合作用下黏弹性沥青路面问题解析解程序,将计算结果与文献结果进行对比,验证本文所得结果的正确性与合理性,进而分析了耦合作用下温度、轴载等因素对沥青路面力学响应的影响。结果表明:路表温度和温度应力随气温变化幅度最明显,温度及温度应力在各结构层的分布随着深度增加而滞后,并且温度对路面结构产生的应力主要集中在水平方向上;轴载增加是导致沥青路面发生破坏的重要因素,随着轴载的增大,路面位移和应力都显著的增大,并且在一定深度范围内,轴载的增加对路面结构的作用依然明显;面层厚度的增加可以减小表面位移和应力,并且面层厚度增加对各力学响应的影响主要集中在峰值处;层间界面条件的变化对路面力学响应影响较大,随着层间界面系数的增大,力学响应也会逐渐趋近于稳定。(3)基于求解温-车耦合下黏弹性沥青路面问题解析解的理论模型,采用ABAQUS软件建立相应的黏弹性沥青路面结构有限元模型,将所得有限元结果与解析结果进行对比,并进一步讨论不同影响因素对路面结构的影响,分析了温度、轴载等因素对路面力学响应的影响,最终比较两种方法所得结果的异同。结果表明:沥青路面温度场模型计算结果与解析结果随着时间增加温度变化趋势一致,在路表两者最高温度出现时间相同且数值上相近,随着深度的不断增加解析结果逐渐大于有限元结果;两者对于温度应力的计算结果变化趋势相同且最大温度应力出现时间相同,解析结果与有限元结果在初期吻合较好,随着时间增加两者逐渐出现差值,但随着深度增加两者的计算结果差值逐渐变小;随着轴载不断增加有限元结果与解析结果变化趋势相同,在一定作用范围内位移和应力均显著增大;随着面层厚度增加两者数值及趋势接近,且竖向位移变化集中在峰值处。
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