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

1、疲勞開裂病害是鋼橋面鋪裝的一種最常見病害，也是其他鋪裝系繼生病害產(chǎn)生的主要誘因。鋼橋面鋪裝疲勞開裂產(chǎn)生的原因與普通公路路面疲勞開裂有很大區(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。本文依托國家科技支撐計劃項目課題“超大跨連續(xù)大柔度橋道系結構行為特性及其鋪裝關鍵技術研究”(2009BAG15B03)，引入?yún)f(xié)同優(yōu)化方法，將鋼橋面鋪裝抗疲勞設計作為一個系統(tǒng)級的優(yōu)化問題，并根據(jù)協(xié)同優(yōu)化原理，將該系統(tǒng)

2、級優(yōu)化問題分解為兩個學科級的優(yōu)化問題:鋪裝材料抗疲勞設計（學科1）和復合結構受力優(yōu)化設計（學科2）;根據(jù)并行設計方法，完成各學科級優(yōu)化設計;選取合適的協(xié)同優(yōu)化策略，協(xié)調(diào)各學科優(yōu)化結果，構建鋼橋面鋪裝抗疲勞設計協(xié)同優(yōu)化模型，通過模型求解，最終實現(xiàn)系統(tǒng)級優(yōu)化問題鋼橋面鋪裝抗疲勞優(yōu)化設計。
　　首先研究了瀝青混凝土鋪裝材料的疲勞開裂特性，探索了瀝青混凝土鋪裝材料的疲勞開裂機理。引入HMFractureMechanicsModel（本文簡

3、稱Florida模型）和SuperpaveIDT試驗方法，通過耗散蠕變應變能（DCSE）指標和閾值概念（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℃條件下的疲勞開裂特性，分析了鋼橋面鋪裝疲勞開裂的材料學機理。研究成果可為鋪裝材料優(yōu)選提供依據(jù)，并為構建鋼橋面鋪裝抗疲勞設計的協(xié)同優(yōu)化模型提供材料參數(shù)。
　　然后研究了瀝青粘結料的抗剪行為特性，提出了基于粘結材料抗剪行為特性的層間粘結

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

5、依據(jù)。
　　接著研究了多塔連跨懸索結構的鋼橋面鋪裝力學響應特征，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倫摩擦模型，建立了考慮多塔連跨懸索結構整橋效應和層間粘結狀態(tài)的鋼橋面鋪裝有限元分析模型，分析了整橋效應和層間粘結狀態(tài)對鋼橋面鋪裝力學響應的影響。根據(jù)相似原理推導了鋼橋面鋪裝復合結構模型與實橋原型的相似條件，設計了鋼橋面鋪裝復合結構實體模型試驗方案，并采用大型門式MTS液壓試驗系統(tǒng)開展試驗研究，根據(jù)試驗結果分

6、析驗證了有限元模型的準確性。然后結合正交試驗設計方法，通過81次有限元虛擬試驗，分析了鋪裝系與橋面板協(xié)同作用的特征及規(guī)律。研究成果可為構建鋼橋面鋪裝抗疲勞設計的協(xié)同優(yōu)化模型提供結構受力參數(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)的鋪裝材料與結構組合及橋面板構造形式。引入能量比（EnergyRatio，ER）的概念作為鋼橋面鋪裝抗疲勞設計的協(xié)同優(yōu)化策略，協(xié)調(diào)鋪裝材料抗疲勞設計與復合結構受力