雪灾冰冻下热力融冰雪路面结构优化及其疲劳行为研究

为探索一种快速有效、工作状态和耐久性好的热力融冰雪路面结构，减少雪灾冰冻下道路拥堵和安全隐患，不同于目前主要关注融冰雪路面能量储蓄、传导、融化等过程的研究思路，本项目重点关注此类结构都埋置热管的特性，从热管和路面耦合力学理论的建立、温度和温度梯度、瞬态温度和荷载耦合应力应变场、融冰雪负荷能力的角度来揭示路面最佳工作机制，优化得出用于疲劳分析的合理路面结构形式；采用热力学势疲劳损伤理论，研究特殊路面结构工作时因温差引起的"内涨外缩"变形特性，提出路面内低周温度循环和汽车荷载耦合的疲劳试验替代传统强度荷载类疲劳试验的新思路，揭示路面结构疲劳损伤行为，得出结构疲劳寿命。依据上述最佳工作状态和耐久性，运用灰决策和DEA模型优化设计最佳路面结构组合和尺寸、管网埋深和间距，研究结果不仅为设计中路面结构参数的优选提供科学依据和指导，促进自主知识产权和规范的建立，还能补充和发展热力融冰雪路面结构设计理论。

背景与科学意义：为减少雪灾冰冻下道路拥堵和安全隐患，探索一种快速有效、工作状态和耐久性好的热力融冰雪路面结构，开展路面加热系统对特殊路面结构寿命的影响规律研究，弥补目前主要研究能量储蓄、融化等方面的不足，开展特殊路面疲劳损伤行为、以及提出低周温度循环加载和汽车荷载耦合的评价试验方法等方面的研究，对科学理解和正确设计热能融冰雪路面结构，提高融冰雪效能比和路面使用寿命至关重要。研究成果能促进热能融冰雪路面动态多场耦合力学理论的建立，同时能发展疲劳损伤分析方法。..研究内容：重点分析热能融冰雪路面埋置热管的本质特性，基于管网平面应变理论与弹性地基薄板理论建立“热管—融冰雪路面”耦合力学计算和评价模型，从温度和温度梯度、瞬态温度和荷载耦合应力应变场、融冰雪负荷能力的角度来揭示路面最佳工作机制，优化得出用于疲劳分析的合理路面结构形式；据此设计和成型小足尺热能融冰雪路面试验平台，提出以路面内低周温度循环和汽车加载耦合的评价试验新方法，以此衡量热能融冰雪路面实际工作状态，试验分析各损伤量的累积效应，采用热力学势疲劳损伤理论，研究特殊路面结构工作时因温差引起的“内涨外缩”变形特性，试验修正和提出适用于热能融冰雪路面的热力学势疲劳损伤模型，揭示融冰雪路面结构疲劳机理；通过上述计算和试验，依据最佳工作状态和耐久性，运用灰决策和DEA模型优化设计最佳路面结构组合和尺寸、管网埋深和间距，研究结果为路面结构参数的优选提供科学依据和指导，能补充和发展热力融冰雪路面结构设计理论。..研究成果：申请发明专利3项，目前授权1项；指导本科生参加第八届交通科技大赛：“环保型融冰雪路面系统实现及其负荷能力设计”，获国家大学生竞赛奖，三等奖（2013.5）；发表论文12篇（SCI检索2篇，EI检索5篇），主要指导培养硕士研究生1名，辅助培养硕士研究生1名，指导两名本科生毕业论文，本项目部分研究成果转化到了实际融冰雪路面项目试验段中，减少了弯道、大纵坡处的安全隐患，产生了明显的经济和社会效益。