[发明专利]一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法

权利要求书

1.一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：根据预设尺寸生成沥青铺装层空间区域，根据沥青混合料的级配组成，将具有级配特征的粗集料单元投入到沥青铺装层区域；

步骤2：在步骤1得到的生成粗集料单元的沥青铺装层空间区域模型内生成规则排列，布满整个区域的预设尺寸的小球单元，通过计算小球单元与粗集料单元的球心距，逐一判断小球单元的球心是否在粗集料单元内部，如果球心距小于粗集料单元半径，则该小球单元看作新的粗集料单元，否则视为沥青砂浆单元，判断完成后，删除步骤1中生成的原有粗集料单元；

步骤3：根据沥青混合料的空隙率，随机删除对应数量的沥青砂浆单元作为空隙，完成沥青铺装层离散元建模；

步骤4：根据钢桥面板预设尺寸生成钢桥面板空间区域，在该区域布满规则排列的预设尺寸的小球单元，得到钢桥面板离散元模型，与沥青铺装层模型组合生成钢桥面铺装复合结构模型；

步骤5：对于步骤4中生成的复合结构模型，需对其中的粗集料单元、沥青砂浆单元以及钢桥面板单元三者之间相互的接触黏结赋予相应的细观力学参数，通过变形和强度细观参数表示；

步骤6：在PFC3D中利用FISH语言控制加载墙体的剪切速度，使其满足对钢桥面铺装复合结构进行不同形式的周期疲劳剪切作用；

步骤7：在模拟过程中实时采集疲劳加载的次数、剪切的变形量以及层间裂纹发展的数量和路径，当剪切变形量达到极限数值后，结束模拟并导出上述采集的数据结果。

2.根据权利要求1所述一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，所述步骤1中，首先，利用PFC中的“Wall”命令生成给定的空间区域；

其次，根据生成的空间区域尺寸，利用生成小于1的随机数在既定区域内随机生成不同粒径范围、不同位置的粗集料单元，不同粒径范围的粗集料球单元投放的数量n通过该粒径范围粗集料的质量参数来确定，即满足式(1)时，停止投放；

公式(1)中，m_sum代表某一粒径范围n个粗集料球单元的总质量，单位kg，ρ代表某一粒径范围粗集料的密度，单位kg/m³，r_i代表第i个球的半径，单位m,m_shiji代表沥青混合料某一粒径范围粗集料的质量，单位kg。

3.根据权利要求1所述一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，所述步骤2中，生成的小球单元半径为amm，根据区域内小球单元与粗集料单元的球心距，将球心距小于bmm的球单元视为粗集料单元，将球心距大于等于bmm的球单元视为沥青砂浆单元。

4.根据权利要求1所述一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，所述步骤4中钢桥面板球单元的半径为cmm，在沥青铺装层和钢桥面板之间采用平行粘结模型来表示两者之间的接触本构模型，代替粘结层。

5.根据权利要求1所述一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，所述步骤5中，首先，粗集料内部单元、钢桥面板内部单元以及粗集料单元与钢桥面板单元之间的变形参数选用法向和切向接触刚度，强度参数选用法向和切向粘结强度；

其次，沥青砂浆单元间的粘弹性接触本构模型采用Burger’s模型，沥青砂浆内部单元、沥青砂浆与粗集料单元以及沥青砂浆与钢桥面板单元之间的细观参数选用法向和切向的Burger’s模型的刚度和粘度参数。

6.根据权利要求1所述一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切疲劳行为模拟方法，其特征在于，所述步骤6中，首先，加载墙体是不断调整剪切速度V_w实现周期疲劳剪切的，墙体的速度方程由式(2)确定：

公式(2)中，α代表安全系数，S代表墙体的面积，单位m²，N_c代表了与加载墙体接触的球单元的数目，代表了与加载墙体接触的球单元的平均刚度，单位N/m²，σ_celiang代表该墙体单位面积上的应力，单位Pa，σ_guiding代表加载的周期荷载应力，单位Pa，Δt代表单位时间步；其次，对于周期荷载，分别选用不同的波形、峰值、频率以及不同间歇时间的重复荷载。