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沥青路面动态弯沉及反算模量的温度修正研究

作　者: 郑元勋
导　师: 康海贵；蔡迎春
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口海岸及近海工程
关键词: 温度修正动态弯沉反算模量落锤式弯沉仪(FWD) 沥青路面温度场
分类号: U416.217
类　型: 博士论文
年　份: 2009年
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引　用: 4次
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内容摘要

众所周知,沥青混合料是一种感温性材料,其刚度和强度随着温度的变化而有较大的差异。路面动态弯沉作为沥青路面检测及设计的重要参考指数是路面整体强度的反映,因此常规弯沉测试结果需根据研究及应用的需要修正到标准温度或其它代表温度下的弯沉值。同理,反算模量也需要修正到标准温度下的模量值。目前沥青路面弯沉及反算模量的温度修正关系多数建立在有限数据或早期弯沉检测设备（如贝克曼梁）所测弯沉数据之上,尤其是我国尚未建立基于落锤式弯沉仪（FWD）的沥青路面动态弯沉及反算模量的温度修正关系,急需开展该方面的研究。对沥青路面动态弯沉及反算模量进行温度修正研究首先要解决沥青路面温度的确定问题。由于沥青路面暴露在自然界中,时刻经受自然条件尤其是气温的影响,导致沥青路面温度场的分布较为复杂,所以对沥青路面温度场进行研究并建立其基于气温的预估模型是进行沥青路面动态弯沉及反算模量温度修正的前提。因此本文在对沥青路面温度场进行长期观测试验以及数值模拟研究的基础上,分别通过实验和有限元模拟方法研究了不同厚度沥青路面动态弯沉及其反算模量与路面温度间的对应关系,最后建立了我国基于FWD的沥青路面动态弯沉及其反算模量的温度修正关系。本文主要做了以下工作:（1）沥青路面温度场数值模拟研究利用建立的沥青路面温度场有限元模型对沥青路面温度场的分布规律进行了研究,通过将计算结果与实测温度场数据进行对比与分析,验证了模型的有效性。（2）沥青路面温度场长期观测试验研究对运营中的沥青道路温度场及周边环境进行长期观测,在此基础上研究了沥青路面温度场及其与气温之间的相关关系。考虑到气温升温阶段和降温阶段对沥青路面温度影响的差异,分别利用两个正弦函数模拟气温的升温和降温阶段,最后建立基于气温的沥青路面温度预估模型。（3）基于FWD的沥青路面动态弯沉的温度修正研究利用落锤式弯沉仪（FWD）对不同厚度沥青路面进行周期一年的弯沉测试实验,同时对沥青路面结构层温度进行实时观测,研究了沥青路面动态弯沉（最大弯沉值d₀、弯沉盆面积因子Area、F-1形状系数、以及弯沉差因子（Delta2））与路面温度间的关系,进而建立了其温度修正公式。（4）基于FWD的沥青路面反算模量及其温度修正研究在实测沥青路面弯沉盆数据的基础上,利用系统识别原理反算沥青路面模量,研究了沥青路面模量与沥青路面温度的关系,进而建立了其温度修正关系。（5）FWD作用下沥青路面动态弯沉有限元分析及其与温度场耦合研究建立了沥青路面三维有限元模型,在此基础上分别分析了面层厚度、面层模量、基层厚度、基层模量、土基强度以及加载时间对FWD作用下沥青路面动态弯沉的影响。在考虑沥青路面材料参数如路面模量、温缩系数和泊松比等与温度之间函数关系的前提下,建立了沥青路面三维热—结构耦合有限元模型,在此基础之上分析了沥青路面结构及材料参数对路面弯沉温度修正的影响,最后建立了不同厚度沥青路面动态弯沉的温度修正关系,通过比较发现通过有限元模型建立的温度修正关系与实验结果吻合较好。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
1 绪论  13-31
  1.1 选题背景  13-14
  1.2 沥青路面结构力学研究概述  14-20
    1.2.1 沥青路面结构力学解析方法研究  14-16
    1.2.2 有限元分析技术在路面力学研究中的应用  16-17
    1.2.3 路基路面动力响应试验研究综述  17-20
  1.3 沥青路面温度场研究概述  20-27
    1.3.1 路面温度场研究方法简述  20
    1.3.2 沥青路面温度场国内外研究现状  20-27
  1.4 沥青路面动态弯沉及反算模量的温度修正研究概述  27-29
  1.5 本文主要工作  29-31
2 沥青路面温度场数值模拟研究  31-50
  2.1 道路结构温度场研究基本理论  31-38
    2.1.1 传热学基本概念  31-33
    2.1.2 热传导微分方程的建立  33-35
    2.1.3 热传导微分方程的定解条件  35-38
  2.2 道路结构温度场边界条件及材料参数  38-44
    2.2.1 自然边界条件  38-43
    2.2.2 材料热物理参数  43-44
  2.3 沥青路面非线性瞬态温度场数值计算  44-49
    2.3.1 相关假定及定解条件  44
    2.3.2 沥青路面模型热物理参数取值  44-45
    2.3.3 沥青路面有限元模型的建立及边界条件处理  45
    2.3.4 沥青路面瞬态温度场计算  45-49
  2.4 小结  49-50
3 实测沥青路面温度场试验研究  50-66
  3.1 试验目的及意义  50
  3.2 试验方案设计  50-52
    3.2.1 场地布置  50
    3.2.2 仪器设备  50-51
    3.2.3 温度传感器布置方案  51-52
    3.2.4 温度传感器的埋设  52
  3.3 沥青路面温度与气温实测结果分析  52-59
    3.3.1 气温变化规律研究  52-54
    3.3.2 沥青路面温度分布规律研究  54-57
    3.3.3 沥青路面温度与气温间的相关关系研究  57-59
  3.4 基于不同温变阶段的沥青路面温度预估公式  59-64
    3.4.1 降温阶段沥青路面温度预估公式  59-60
    3.4.2 升温阶段沥青路面温度预估公式  60-61
    3.4.3 基于不同温变阶段建立的预估公式精度比较  61
    3.4.4 基于气温的沥青路面预估公式的建立  61-64
  3.5 小结  64-66
4 FWD作用下沥青路面动态弯沉的温度修正试验研究  66-94
  4.1 重力式落锤弯沉仪(FWD)工作原理介绍  67-74
    4.1.1 弯沉的相关概念及定义  67-68
    4.1.2 FWD弯沉检测仪器工作性能及工作原理介绍  68-74
  4.2 不同厚度沥青路面动态弯沉长期测试试验研究  74-77
    4.2.1 沥青路面动态弯沉测试试验路段选择及方案设计  74-76
    4.2.2 基于FWD的沥青路面实测弯沉盆曲线分析  76-77
  4.3 沥青路面动态弯沉试验数据处理及其与沥青路面温度相关性分析  77-84
    4.3.1 沥青路面温度的确定及比较  78-79
    4.3.2 沥青路面动态弯沉盆形状因子分析  79-81
    4.3.3 沥青路面动态弯沉与路面温度相关性研究  81-84
  4.4 基于FWD的沥青路面动态弯沉的温度修正试验研究  84-93
    4.4.1 沥青路面弯沉温度修正的研究方法  85-86
    4.4.2 基于FWD的沥青路面动态弯沉的温度修正研究  86-88
    4.4.3 不同沥青路面弯沉温度修正曲线间的比较  88-91
    4.4.4 工程应用  91-93
  4.5 小结  93-94
5 基于FWD的沥青路面模量反算及其温度修正研究  94-105
  5.1 路面模量反算问题的基本思想原理及其发展  94-96
    5.1.1 路面模量反算问题的基本思想及原理  94-95
    5.1.2 路面模量反算问题的发展  95-96
  5.2 模量反算方法目标函数的确定及系统识别在模量反算中的应用  96-100
    5.2.1 路面模量反算方法目标函数的确定  96
    5.2.2 系统识别理论在路面模量反算中的应用  96-100
  5.3 基于FWD的沥青路面反算模量及其温度修正  100-103
    5.3.1 基于FWD实测弯沉盆的沥青路面反算模量及其与路面温度的关系  100-101
    5.3.2 沥青路面反算模量的温度修正研究  101-103
    5.3.3 工程应用  103
  5.4 小结  103-105
6 FWD作用下沥青路面动态弯沉及其温度修正数值模拟研究  105-139
  6.1 沥青路面动力加载有限元模型的建立及验证  105-111
    6.1.1 有限元法在道路力学分析中的应用  105-106
    6.1.2 基于ANSYS的沥青路面三维有限元模型的建立  106-107
    6.1.3 沥青路面有限元三维模型精确性验证  107-111
  6.2 FWD作用下沥青路面动态响应数值研究  111-126
    6.2.1 沥青路面面层厚度对路面动态响应的影响  116-118
    6.2.2 沥青路面面层模量对路面动态响应的影响及其相关性研究  118-120
    6.2.3 沥青道路基层厚度对路面动态响应的影响  120-121
    6.2.4 沥青路面基层模量对路面动态响应的影响  121-123
    6.2.5 土基模量对沥青路面动态响应的影响  123-125
    6.2.6 加载时间对沥青路面动态响应的影响  125-126
  6.3 基于有限元模型的沥青路面动态弯沉与温度场的耦合研究  126-136
    6.3.1 计算假定及沥青路面材料参数的选取  126-127
    6.3.2 沥青路面结构ANSYS热—结构耦合分析过程  127-128
    6.3.3 热—结构耦合作用下沥青路面动态弯沉研究  128-132
    6.3.4 沥青路面结构参数对动态弯沉温度修正系数影响的敏感性分析  132-135
    6.3.5 基于热—结构耦合模型的沥青路面动态弯沉温度修正系数研究  135-136
  6.4 小结  136-139
结论  139-142
参考文献  142-154
攻读博士学位期间发表学术论文及参加科研项目情况  154-157
致谢  157-159
作者简介  159-160

沥青路面动态弯沉及反算模量的温度修正研究

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