三維譜單元及其在路面檢測(cè)中的應(yīng)用和路面材料本構(gòu)模型研究.pdf

1、在現(xiàn)今的道路路面工程中,FWD (Falling Weight Deflectometer) 路面動(dòng)力無(wú)損檢測(cè)和路面路基材料的試驗(yàn)檢測(cè)是路面檢測(cè)的兩個(gè)重要內(nèi)容.FWD是近年來(lái)流行的先進(jìn)的無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,由于能很好地模擬行車荷載對(duì)路面的作用,因而比起其它靜態(tài)檢測(cè)技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì).而試驗(yàn)檢測(cè)可以顯示不同環(huán)境條件下,某材料試件從加載到破壞的全過(guò)程,因此以上兩種檢測(cè)在路面工程中相輔相成,相互補(bǔ)充. 針對(duì)FWD無(wú)損檢測(cè)設(shè)備,本文開(kāi)發(fā)了適于反

2、演的三維譜單元?jiǎng)恿δＰ?此模型利用譜單元原理,提出了三維兩節(jié)點(diǎn)譜單元和三維一節(jié)點(diǎn)譜單元這兩種新的單元,用于計(jì)算三維層狀系統(tǒng)受到?jīng)_擊荷載的動(dòng)力解.一層為一個(gè)單元,其中層單元用于描述層結(jié)構(gòu),節(jié)點(diǎn)單元用于描述半無(wú)限的地基.三維譜單元的勁度矩陣是由三維系統(tǒng)的動(dòng)力精確解推導(dǎo)出來(lái)的,單元之間的連接類似有限單元法.動(dòng)力解通過(guò)基于頻率上波數(shù)的疊加而得到,有效地避免了無(wú)窮積分?jǐn)?shù)值方法帶來(lái)的效率不高的問(wèn)題.從時(shí)域到頻率域的轉(zhuǎn)換,使用的方法是快速傅立葉變換(

3、FFT).本研究編制了基于三維譜單元的程序,對(duì)沖擊荷載下的層狀系統(tǒng)進(jìn)行分析.通過(guò)與三維有限元結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的比較,驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)的正確性;同時(shí)通過(guò)計(jì)算時(shí)間的對(duì)比,證明了三維譜單元系統(tǒng)的高效性. 粘彈性三維譜單元模型將粘彈性本構(gòu)關(guān)系與三維譜單元模型聯(lián)系在一起.為解決這類動(dòng)力問(wèn)題,選用四參量Burgers粘彈性模型.其微分算子的數(shù)學(xué)表達(dá)直接與譜單元力學(xué)模型相聯(lián)系.將Burgers的微分算子代入運(yùn)動(dòng)微分方程,使得譜單元的計(jì)算摸在頻率域

4、內(nèi)進(jìn)行.依據(jù)文中原理,編制了粘彈性三維譜單元程序.通過(guò)彈性材料和粘彈性材料受到相同荷載時(shí)位移反應(yīng)的比較,說(shuō)明了粘彈性材料的粘滯回復(fù)現(xiàn)象對(duì)位移的影響. 基于三維譜單元的力學(xué)模型,本文開(kāi)發(fā)了動(dòng)力全程反分析系統(tǒng).反分析的輸入是各個(gè)傳感器全程的位移反應(yīng)數(shù)據(jù),輸出是層系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物理量.因?yàn)閯?dòng)力方程為非線性的,所以采用無(wú)約束非線性優(yōu)化方法--改進(jìn)的Powell方法,優(yōu)化迭代過(guò)程在頻率域內(nèi)進(jìn)行,優(yōu)化目標(biāo)是理論和實(shí)測(cè)位移的差值最小.三維粘彈性譜

5、單元的全程反分析系統(tǒng)根據(jù)正分析模型,使用非線性優(yōu)化,直接反演出粘彈性層體的復(fù)彈性模量.相應(yīng)的程序使用FORTRAN語(yǔ)言編寫,通過(guò)對(duì)三層或四層剛性、柔性路面體系和粘彈性的層狀體系的反演結(jié)果證明,反算過(guò)程穩(wěn)定收斂且效率高. 本文同時(shí)應(yīng)用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN),開(kāi)發(fā)了基于三維譜單元系統(tǒng)的動(dòng)力峰值反分析系統(tǒng).人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選用誤差反向傳播算法(BP網(wǎng)絡(luò)).各個(gè)傳感器的峰值位移作為系統(tǒng)輸入,結(jié)構(gòu)參量作為系統(tǒng)輸出,通過(guò)訓(xùn)練學(xué)習(xí)建立輸入單元和輸

6、出單元之間的非線性映射.由三維動(dòng)力譜單元法計(jì)算得到的峰值位移作為學(xué)習(xí)樣本.反分析系統(tǒng)可以同時(shí)反演層彈性模量和層厚.典型的三層路面體系反演結(jié)果證明,系統(tǒng)誤差符合工程要求. 應(yīng)用動(dòng)態(tài)全程反分析系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)峰值反分析系統(tǒng)對(duì)連續(xù)配筋水泥混凝土路面(CRCP)的FWD實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行反演.并且與靜力反分析的結(jié)果作比較,證明了所開(kāi)發(fā)的動(dòng)力全程反分析法的精度較高,所開(kāi)發(fā)的動(dòng)力峰值反分析法實(shí)用且精度滿足工程要求. 針對(duì)檢測(cè)荷載和車輛荷載下路面

7、材料出現(xiàn)的非線性問(wèn)題,本文對(duì)路面材料不同應(yīng)變率下的檢測(cè)進(jìn)行了非線性分析.瀝青混凝土材料試驗(yàn)檢測(cè)的數(shù)值分析應(yīng)用Desai塑性理論中的重要本構(gòu)模型HISS模型,對(duì)模型參數(shù)與屈服面方程的關(guān)系進(jìn)行了研究.利用單軸試驗(yàn)數(shù)據(jù)的特點(diǎn)確定HISS模型中的參量,通過(guò)調(diào)整參量來(lái)模擬本構(gòu)關(guān)系中的軟化段和硬化段.HISS本構(gòu)模型和三維有限元的結(jié)合,開(kāi)發(fā)了基于Desai模型的三維非線性有限元程序. 引入瀝青混凝土的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),將應(yīng)變率要素作為變量放入確定模