[发明专利]一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法

说明书

本发明公开了一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法，是基于力学—热—损伤耦合控制方程，模拟沥青路面在车辆荷载和温度应力作用下的疲劳损伤，本方法包括以下步骤：选择路面构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；指定路面材料的力学参数、热力学参数和损伤参数；分别构建力学响应模组、热传导模组和损伤演化模组；针对计算结果进行后处理分析。本发明准确识别了沥青路面的车辆荷载损伤和温度应力损伤，从而表征沥青路面损伤病害在实际环境中的产生机理、分布区域和发展趋势，最终助力于改善沥青路面的服务性能和使用年限。

技术领域

本发明涉及沥青路面使用性能的预测，具体涉及一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法。

背景技术

在沥青路面的服役过程中，交通荷载和温度应力引起的路面裂缝是最为主要的病害形式。在低温寒冷地区，沥青混合料脆性的增强使得沥青面层承受了更大的路面应力，使得拉伸和温缩开裂问题尤为显著。而在高温环境中，沥青面层抗变形能力有所衰弱，这使得路表剪切开裂快速发展。由此可见，重复车辆荷载引发的疲劳开裂总是与温度损伤共同发展和演化，且外界环境对其产生了显著影响。

尽管如此，研究者的精力往往集中于上述某种荷载作用下的沥青路面开裂，仅研究其中某种损伤的作用机理和影响因素，从而忽略了车载损伤和温度损伤相伴发展的客观事实。因此，如何正确理解车载损伤和温度损伤的分布位置和产生机理，并进一步地准确表征这两种损伤共存时的沥青路面使用性能，是当前亟待解决的重要问题。

发明内容

为弥补现有路面疲劳损伤研究中的不足之处，本发明提供了一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法。通过耦合力学响应、热传导和损伤演化方程，该预测方法准确识别了沥青路面的车辆荷载损伤和温度应力损伤，从而表征沥青路面损伤病害在实际环境中的产生机理、分布区域和发展趋势，最终助力于改善沥青路面的服务性能和使用年限。

本发明为解决技术问题，采用如下技术方案：

一种基于有限元的沥青路面疲劳损伤预测方法，是在有限元数值模拟软件中按如下步骤进行：

步骤1：以实际沥青路面为依据，选择路面的构造类型和几何尺寸，定义车辆荷载和路表温度函数；

所述选择路面的构造类型和几何尺寸是指：按照待预测沥青路面的实际基层类型，将所述路面的构造类型选择为柔性基层沥青路面、刚性基层沥青路面或半刚性基层沥青路面；按照待预测的沥青路面的实际尺寸，定义路面的几何尺寸，从而构建出沥青路面的有限元数值模型；

所述车辆荷载可根据需要选择为准静态车辆荷载或移动车辆荷载；

所述路表温度函数是通过对实际路段的实测温度数据随时间的变化曲线进行拟合获得，由式(1)所表征：

其中：T_sur为路表温度；A和T₀为温度拟合系数，分别代表温度幅值和初始温度；d为天数；

步骤2：指定沥青路面的力学参数、热力学参数和损伤参数；

所述沥青路面的结构层包括沥青面层、基层和地基层；

所述力学参数包括各结构层的杨氏模量、泊松比和密度，以及结构层中沥青面层的黏弹性参数；

所述热力学参数包括各结构层的导热系数和比热容；

所述损伤参数包括沥青面层的损伤黏度参数、损伤演化参数和温度敏感参数；

步骤3：构建力学响应模组，从而表征沥青路面各结构层在车辆荷载作用下的力学特性；

所述力学响应模组由式(2)所表征：