[发明专利]一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法

说明书

本发明是一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，属于钢桥面铺装技术领域，具体步骤为：参照钢桥面铺装室内试验复合试件，在PFC3D软件中生成与室内试验试件尺寸和级配都相同的三维离散元复合试件；给钢桥面铺装复合试件中的粗集料颗粒内部、沥青砂浆颗粒内部、钢板颗粒内部、粗集料颗粒与沥青砂浆颗粒之间、粗集料颗粒与钢板颗粒之间、沥青砂浆颗粒与钢板颗粒之间赋予相应的接触类型；引入层间粗糙度和层间气泡两个概念，通过FISH编程，建立考虑不同层间接触状态的钢桥面铺装复合试件模型；通过墙体对钢桥面铺装复合试件模型进行剪切，分析不同层间接触状态对钢桥面铺装层间剪切破坏机理的影响，具有准确有效的优点。

技术领域

本发明涉及钢桥面铺装工程领域，尤其涉及一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法。

背景技术

在钢桥面铺装体系复合结构中，沥青混凝土铺装层与钢桥面板通过粘结层紧密相连，共同承载与变形。在车辆荷载及环境条件的作用下，当铺装层与钢桥面板之间的抗剪强度不能满足受力要求时，就会发生层间剪切破坏，产生层间裂缝，严重影响交通，所以对钢桥面铺装层间剪切特性的研究显得尤为重要。

查找现有的成果和文献资料，在用有限元数值模拟方法分析钢桥面铺装复合结构抗剪切性能时，多采用各类有限单元，例如夹层单元、连接单元、界面单元、薄膜单元来模拟铺装与桥面板之间不同的接触状态，计算得出层间完全连续、完全光滑及半连续半光滑等各种接触状态下的力学响应，而较难分析得出外载作用下层间界面剪切破坏的细观脱粘过程，再加上沥青混凝土作为多相复合材料所具有的细观特征，使得复合结构抗剪切行为不能单纯从宏观角度加以解释，而需要从细观尺度去探究。在离散元数值模拟方法应用于分析沥青混凝土各项力学性能时，研究对象基本都集中在沥青混凝土试件的劈裂试验、单轴压缩试验等，较少涉及复合结构层间剪切性能。无论是数值模拟还是试验研究，在分析钢桥面铺装复合结构层间抗剪切性能时，都没有考虑层间界面细观构造的影响，例如层间区域中几乎始终存在的气泡、铺装层与钢板相连接界面的不平度和初始裂纹等因素，而这些因素都会影响破坏路径和产生应力集中，对层间抗剪切性能产生不利影响。

离散单元法凭借其能够处理应力不连续、大变形等方面问题的优势，在道路材料领域的应用越来越广泛。申请人借鉴离散元法在沥青混合料研究中的成功经验，将离散元法运用到钢桥面铺装层间剪切破坏机理研究中。

发明内容

本发明的目的在于：针对有限元法在钢桥面铺装层间剪切破坏过程研究中的不足，提供一种基于三维离散元法的考虑层间接触状态的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，能够从细观层次研究钢桥面铺装层间剪切破坏机理。

一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，包括以下步骤：

步骤1：用PFC3D软件中的“wall”命令生成给定的沥青铺装层区域，根据粗集料模型构建方法，在沥青铺装层区域投放粗集料颗粒；

步骤2：在沥青铺装层区域内按矩形排列方式，规则地生成若干个粗集料颗粒，填满整个区域，通过FISH编程判断颗粒单元是否属于粗集料颗粒，如果是，则识别为粗集料颗粒，否则识别为沥青砂浆颗粒，并根据空隙模型构建方法，删除其中的沥青砂浆颗粒，形成沥青铺装层的空隙单元，从而生成沥青铺装层模型；

步骤3：用“wall”命令生成给定的钢板区域，按矩形排列方式规则地生成若干个钢板颗粒构成钢板模型，并且与生成的沥青铺装层模型组合成为钢桥面铺装复合试件模型；

步骤4：对钢桥面铺装复合试件模型中的粗集料颗粒内部、沥青砂浆颗粒内部、钢板颗粒内部、粗集料颗粒与沥青砂浆颗粒之间、粗集料颗粒与钢板颗粒之间、沥青砂浆颗粒与钢板颗粒之间赋予相应的接触类型，并且通过相应的本构模型表示；