基于复杂应力状态的弯坡桥铺面结构特殊斜剪疲劳破坏机理研究

Under repeated load, the complex stress state of special bevel shear fatigue is the key reason to result in pavement failure of curved ramp bridges. Due to geometric effect of the structure, the working condition of such structure may be the worst and the most complex section of a road; this load effect consists of vertical load effect and assignable nyctitropic shear effect; the failure mode may be the result of mutual block and one-way accumulation of shear-tension and shear-compression; and the coexistence of deformations respectively caused by shear-tension and shear-compression is the special failure mode; this project is to focus on building the bevel shear mode under complex stress state; study the load fatigue response which is relevant to running state parameters, load parameters and geometrical structure parameters; study the bevel shear experimental methods based on the complex stress state, and the mould which could reflect the real load of pavement structures, furthermore, design the testing specimens; study the loading fatigue response of the structure in serviceability limit state under bevel shear status; the restriction mechanism of coupling of fatigue cracking and corrugation under the special oblique shear state will be investigated; provide the theoretical and experimental basis for the design methods of curved ramp bridge deck pavement.

弯坡桥铺面结构在重复荷载下的破坏是复杂应力状态下的特殊斜剪疲劳问题。由于特殊的结构几何效应，导致此类铺面结构的工作状态是所有路段中最不利的，也是最复杂的；荷载效应是竖向荷载效应与变方向的剪切效应同时作用的结果；破坏模式可能是荷载的剪拉与剪压效应相互阻滞又单向累积的结果；剪拉开裂与剪压推移同存是其破坏的特殊形态；本项目旨在构建复杂应力状态下的特殊斜剪模式；研究与行驶状态参数、荷载参数及结构参数相关的铺面结构层的荷载响应；研究基于特殊斜剪的结构正常使用极限状态的疲劳开裂与推移耦合的制约机制；研究基于复杂应力状态的特殊斜剪试验方法及反应铺面结构真实荷载响应的模具和试件及其设计方法；探讨基于复杂应力的结构多轴特殊斜剪疲劳破坏机理；为完善桥梁铺面结构破坏机理和设计方法的研究提供理论与试验依据。

本项目针对复杂应力状态混凝土弯坡桥铺面结构的力学响应规律及损伤机制进行了系统研究。基于弯坡桥的工作实际构建了复杂应力空间，研究与行驶状态参数、荷载参数及结构参数相关的铺面结构受力体系；基于该受力体系探讨了子午线轮胎三维建模方法；研究了考虑胎-桥相互作用的弯坡桥铺面结构多尺度分析建模方法；建立了可以有效预测不同温域和多因素工况下铺装结构的力学响应及其分布特征与细观损伤行为的有限元模型；探讨了结构与材料多元条件下的多尺度力学响应与性能衰变规律；探讨了特殊斜剪试验方法及反应铺面结构荷载响应的试件；结合结构所处真实破坏状态下材料客观存在的各向异性特征，分析了材料结构主应力及其方向变化，建立其与其他材料参数的关系；探讨铺面材料动态粘弹性参数模拟的优化方法，建立其与结构动态响应的关系；探讨了快速构建沥青混合料三维细观结构的方法，提出了基于逐级划分策略的高效、简洁、精确的建模方法等等。探讨了弯坡桥铺面结构的宏观-细观尺度双向耦合机制，弥补了唯象理论在解释细观损伤演化机理方面的不足，建立了一种跨尺度双向耦合计算方法等等。结构与材料损伤-破坏的行为、临界剪应力、主拉应力其及时程分析表明，这是始于流动性推移的车辙、中后期伴随轮侧疲劳开裂的复合型破坏。尽管促成这种变化的荷载应力空间始终存在，但中后期轮侧主拉应力的改变是这种特殊破坏的最后应力呈现。主拉应力及其方向改变规律可以简化这种复杂状态下损伤行为的表征方法，可以预测实际结构的损伤行为。本项目研究为完善弯坡桥铺面结构的损伤演化机制、实现弯坡桥的铺装结构与材料优化设计提供理论基础。多元环境工况下的直桥与弯桥结构响应的对比分析表明，二者在车辙与开裂损伤-破坏的行为与发展时程有较明显差异，现行设计方法宜考虑这个现实，与时俱进的进行设计理论与方法的优化。