围压下环氧树脂基混凝土的动态压剪累积损伤与破坏行为研究

The lack of considering the complicated stress condition under confining pressure and flexible support while subjected to repeated compression-shear impact in the traditional design of steel bridge deck pavement materials, resulting in the destruction of bridge deck pavement long before its designed service life. Epoxy polymer concrete (EPC), with the advantages of high strength and high toughness, is expected to settle the defect of traditional steel bridge deck pavement. In this proposed project, accumulated damage and failure behaviors of EPC under dynamic compression-shear loading and confining pressure will be investigated as a promising candidate for the steel bridge deck pavement. The specific issues to be addressed include: i) Study on the accurate dynamic damage evolution equation of EPC under confining pressure. Establish the constitutive model of EPC considering strain rate and damage. ii) Investigation on the indicative methods for impact property and failure mechanisms of EPC subjected to the compression-shear impact. Represent the accumulated damage and predict the failure modes considering confining pressure, compression-shear ratio and impact energy. iii) Study on the experimental loading and measuring method to simulate wheel load, confining pressure and flexible support of steel bridge deck. A testing system will be designed and developed to simulate the dynamic compression-shear fatigue loading of vehicle wheels on EPC pavement system. New designs and evaluation method for steel bridge deck pavement could be proposed based on this study. The research work will contribute to the progress of failure theories of steel bridge deck pavement as well as the development of related testing technologies, which are also of importance for engineering applications.

传统钢箱梁桥面铺装材料设计未充分考虑钢桥面柔性支撑、围压复杂应力状态、动态压剪疲劳作用，导致桥面铺装过早破坏。高强高韧环氧树脂基混凝土（Epoxy Polymer Concrete，EPC）有望从根本上解决传统钢桥面铺装材料的不足。本项目研究EPC围压下的动态压剪累积损伤与破坏行为，为该材料在钢桥面铺装上的应用开展基础研究。具体内容包括：（1）研究准确描述EPC考虑围压的动态损伤演化方程，建立材料率型损伤本构模型；（2）研究EPC在动态压剪复合加载条件下的冲击性能表征方法和破坏机理，进行考虑围压、压剪比、冲击能量的累积损伤表征及破坏模式预测；（3）研究考虑围压和钢桥面柔性支撑的轮载实验加载与测量技术方法，研制测试系统并开展EPC铺装体系轮载动态压剪疲劳实验研究，提出钢桥面铺装材料设计和评估的新方法。该研究有利于发展钢桥面铺装材料破坏理论，丰富实验力学测试方法与技术，具有重要的实际工程意义。

本项目开展了围压下环氧树脂基混凝土的动态压剪累积损伤与破坏行为研究，进行了如下工作：.1）根据典型大跨度钢箱梁桥面铺装材料的目标性能指标，设计了环氧树脂基混凝土的基准配合比，研究了养护龄期对其弯曲和压缩力学性能的影响，建立了强度预测模型。研究了湿热和紫外光加速老化对环氧树脂基混凝土力学性能的影响，建立了老化损伤模型。.2）研究了环氧树脂基混凝土的冲击疲劳性能，结合三维CT扫描和体图像重构，对多次落锤冲击荷载下环氧树脂基混凝土内部裂缝进行了观测，研究了初始损伤对环氧树脂基混凝土冲击响应和破坏形态的影响。基于断裂理论和微裂纹扩展理论，研究了含初始损伤环氧树脂基混凝土在冲击疲劳荷载下的损伤演化规律。.3）搭建了准静态和动态压剪复合加载装置，开展了考虑不同应变率和压剪比的动静态压剪试验，研究了环氧树脂基混凝土在不同应变率和压剪比下的力学响应和破坏模式，分析了应变率和压剪比对环氧树脂基混凝土破坏机理的影响，提出了环氧树脂基混凝土在压剪复合加载下的破坏准则。.4）开展了多轴荷载下环氧树脂基混凝土损伤行为的研究，提出了结合Voronoi和take-and-place的细观建模方法，建立了超高骨料含量环氧树脂基混凝土级配三维细观模型。研究了不同加载速率比的双轴荷载下环氧树脂基混凝土的损伤演化行为，提出了双轴荷载下的失效包络曲线，并研究了其在三轴荷载下的损伤演化和失效特点。.5）搭建了含主动围压装置的分离式Hopkinson压杆装置，开展了不同应变率和围压的冲击实验，研究了围压和应变率对环氧树脂基混凝土冲击响应的影响，研究了环氧树脂混凝土基于波阻抗衰减的损伤演化行为，建立了考虑应变率和围压的损伤演化方程。.6）通过实桥工程测量和数值模拟，研究了考虑围压和钢桥面柔性支撑下环氧树脂基混凝土在轮载作用下的力学性能，建立了实桥正交异性钢桥面板的钢箱梁结构体系模型，研究了在设计载重车和超载车作用下铺装层的应力和应变，提出了钢桥面铺装材料设计和评估新方法。