基于協(xié)同優(yōu)化方法的鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)及鋪裝系與橋面板協(xié)同作用研究.pdf

1、疲勞開(kāi)裂病害是鋼橋面鋪裝的一種最常見(jiàn)病害，也是其他鋪裝系繼生病害產(chǎn)生的主要誘因。鋼橋面鋪裝疲勞開(kāi)裂產(chǎn)生的原因與普通公路路面疲勞開(kāi)裂有很大區(qū)別，它不僅取決于鋪裝系的材料抗疲勞性能，而且還同鋪裝系與橋面板的協(xié)同作用特性等密切相關(guān)。本文依托國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目課題“超大跨連續(xù)大柔度橋道系結(jié)構(gòu)行為特性及其鋪裝關(guān)鍵技術(shù)研究”(2009BAG15B03)，引入?yún)f(xié)同優(yōu)化方法，將鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)作為一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化問(wèn)題，并根據(jù)協(xié)同優(yōu)化原理，將該系統(tǒng)

2、級(jí)優(yōu)化問(wèn)題分解為兩個(gè)學(xué)科級(jí)的優(yōu)化問(wèn)題:鋪裝材料抗疲勞設(shè)計(jì)（學(xué)科1）和復(fù)合結(jié)構(gòu)受力優(yōu)化設(shè)計(jì)（學(xué)科2）;根據(jù)并行設(shè)計(jì)方法，完成各學(xué)科級(jí)優(yōu)化設(shè)計(jì);選取合適的協(xié)同優(yōu)化策略，協(xié)調(diào)各學(xué)科優(yōu)化結(jié)果，構(gòu)建鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)協(xié)同優(yōu)化模型，通過(guò)模型求解，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)優(yōu)化問(wèn)題鋼橋面鋪裝抗疲勞優(yōu)化設(shè)計(jì)。
　　首先研究了瀝青混凝土鋪裝材料的疲勞開(kāi)裂特性，探索了瀝青混凝土鋪裝材料的疲勞開(kāi)裂機(jī)理。引入HMFractureMechanicsModel（本文簡(jiǎn)

3、稱Florida模型）和SuperpaveIDT試驗(yàn)方法，通過(guò)耗散蠕變應(yīng)變能（DCSE）指標(biāo)和閾值概念（ThresholdConcept），分別研究了環(huán)氧瀝青混凝土和改性瀝青SMA在4℃、10℃和20℃條件下的疲勞開(kāi)裂特性，分析了鋼橋面鋪裝疲勞開(kāi)裂的材料學(xué)機(jī)理。研究成果可為鋪裝材料優(yōu)選提供依據(jù)，并為構(gòu)建鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化模型提供材料參數(shù)。
　　然后研究了瀝青粘結(jié)料的抗剪行為特性，提出了基于粘結(jié)材料抗剪行為特性的層間粘結(jié)

4、狀態(tài)量化判據(jù)。采用直剪試驗(yàn)方法，測(cè)試了環(huán)氧瀝青粘結(jié)料和SBS改性乳化瀝青粘結(jié)料的抗剪性能，總結(jié)歸納了粘結(jié)材料的典型剪應(yīng)力-滑移量曲線，并定義了啟滑點(diǎn)和破壞點(diǎn)的概念分析該曲線，得到兩種粘結(jié)材料的抗剪行為特性。采用剪切彈性柔量（AK）和滑動(dòng)系數(shù)（α）的概念，分析了粘結(jié)材料抗剪行為特性與鋼橋面鋪裝層間粘結(jié)狀態(tài)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，建立了基于粘結(jié)材料抗剪行為特性的鋼橋面鋪裝層間粘結(jié)狀態(tài)量化判據(jù)。研究成果可為鋼橋面鋪裝有限元建模時(shí)層間粘結(jié)狀態(tài)的選取提供

5、依據(jù)。
　　接著研究了多塔連跨懸索結(jié)構(gòu)的鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)特征，探索了鋪裝系與橋面板協(xié)同作用特征與規(guī)律。分別采用子模型方法和庫(kù)倫摩擦模型，建立了考慮多塔連跨懸索結(jié)構(gòu)整橋效應(yīng)和層間粘結(jié)狀態(tài)的鋼橋面鋪裝有限元分析模型，分析了整橋效應(yīng)和層間粘結(jié)狀態(tài)對(duì)鋼橋面鋪裝力學(xué)響應(yīng)的影響。根據(jù)相似原理推導(dǎo)了鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)模型與實(shí)橋原型的相似條件，設(shè)計(jì)了鋼橋面鋪裝復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)體模型試驗(yàn)方案，并采用大型門(mén)式MTS液壓試驗(yàn)系統(tǒng)開(kāi)展試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分

6、析驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。然后結(jié)合正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，通過(guò)81次有限元虛擬試驗(yàn)，分析了鋪裝系與橋面板協(xié)同作用的特征及規(guī)律。研究成果可為構(gòu)建鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化模型提供結(jié)構(gòu)受力參數(shù)。
　　最后建立了鋼橋面鋪裝抗疲勞協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，研究了使鋼橋面鋪裝抗疲勞性能最優(yōu)的鋪裝材料與結(jié)構(gòu)組合及橋面板構(gòu)造形式。引入能量比（EnergyRatio，ER）的概念作為鋼橋面鋪裝抗疲勞設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化策略，協(xié)調(diào)鋪裝材料抗疲勞設(shè)計(jì)與復(fù)合結(jié)構(gòu)受力