树脂沥青类钢桥面铺装层疲劳开裂内聚力模型与CT重构仿真分析

Based on semi-circular bending test, epoxy resin modified asphalt concrete (EAC)and cold-mixing resin asphalt concrete (RA) used in steel decks pavement will betested for their fatigue properties. By utilizing digital image correlation (DIC)and digital image processing (DIP) technology, the micro-cracks initiation and visible crack propagation can be identified automatic and observed in real time,and cohesive zone model (CZM) can be built for describing fatigue cracking behavior, and programed for numerical analysis, and CZM can be merged into finite element method (FEM) then. Combined with CT scanning three-dimensional reconstruction modeling technique, pavement mixture mesostructure can be built into FE model, cohesive element will be inserted into FE model by user-defined matlab program. Then, 3D pavement mixture fatigue simulation model can be generated automatically and the effectiveness can be verified by SCB fatigue test results. Making numerical fatigue cracking simulation for EAC and RA concrete, studying the application condition and cracking mechanism for current surfacing materials, the surfacing cracking condition evaluation indexes can be proposed and the reasonable maintenance time can be determined. In the meantime, the research and improvement directions for steel decks surfacing anti-fatigue cracking performance can be determined by optimizing parameters and strategy profiling based on fatigue cracking simulation tests.

本研究利用半圆弯曲SCB试验，对钢桥面铺装层环氧树脂沥青混凝土EAC及冷拌RA树脂沥青混凝土进行疲劳特性试验，借助图像相关DIC及图像处理DIP技术对材料的裂纹萌生及裂缝扩展行为进行自动识别与跟踪观测，建立能够准确描述铺装层材料疲劳开裂行为的内聚力模型并数值程序化；结合CT扫描三维重构建模技术，利用网格拓扑方法建立铺装层混合料细观异质结构三维有限元模型，并利用自定义matlab程序实现内聚力模型与有限元方法的交互融合，提出疲劳开裂仿真分析方法，并对比SCB疲劳试验结果进行有效性验证。通过构建室内试验方法，观测钢桥面铺装层实际工作状态下的材料疲劳行为特征，并进行数值仿真分析，研究树脂沥青类铺装层材料在钢桥面铺装中的适用条件与开裂机理，提出疲劳性能指标参数。同时基于仿真模拟试验，通过优化参数，策略组合的方式明确树脂沥青类铺装层材料抗疲劳开裂性能的改进与提升方向。

本研究基于大跨径钢箱梁桥实体结构建立有限元模型，对考虑整桥变形影响的铺装层力学响应进行分析，计算获得代表铺装层实际工作状态的代表性力学指标。调研并分析江阴、润扬两座长江大桥铺装层病害及养护维修历史数据，确定了多达18种铺装层材料的性能发展特点及实际使用寿命。聚焦铺装层材料细观尺度裂缝萌生与扩展机理研究，基于混合料细观结构图像，利用自定义程序实现了图像处理、网格生成、零厚度粘聚单元插入等功能，生成了能够模拟沥青混合料细观结构开裂及裂缝随机扩展的二维、三维有限元分析模型。利用动态频率扫描试验，对树脂沥青砂浆的粘弹性特征进行测试并获得参数；利用半圆弯曲试验进行断裂性能测试，拟合获取了双线性内聚力模型参数。针对二维与三维仿真分析计算精度与计算效率难以平衡的痛点，通过对比不同图像生成二维模型的断裂参数，提出了代表性二维图像序列的筛选方法，并在此基础上，建立代表性二维仿真分析模型序列，实现了计算效率与精度的平衡目标。利用离散元软件前处理程序进行混合料细观结果建模，沿着离散元模型→虚拟扫描切片图像→有限元模型的路线，提出并完善了计算机生成建模方法，规避了CT扫描图像获取成本高、应用限制大的缺点。同时开发了精细化三角网格加密方法，提升了有限元模型计算精度，增加了裂缝扩展的潜在路径，实现了沥青混合料内部细观结构材质边缘的平顺化处理。利用改进型三点弯曲疲劳试验，观测材料在钢桥面受力环境下的性能衰减趋势，提出了性能衰减三阶段模型。利用CT扫描技术对铺装层内部裂纹进行扫描，并提出裂纹像素值统计指标，评价裂纹沿试件深度方向的分布。综合所有铺装层性能实测数据、实验室试验结果、仿真分析结果等研究成果，明确了树脂沥青累铺装层疲劳性能的改善与提升策略，能够指导钢桥面铺装层材料的研究与设计。