【摘要】：瀝青路面在重復(fù)的交通荷載和復(fù)雜的自然環(huán)境作用下,其服役水平逐漸下降。由于路面結(jié)構(gòu)是一個(gè)典型的“黑箱”,工程中常用的后評(píng)估手段,如宏觀表面調(diào)查、外部無(wú)損檢測(cè)技術(shù)等,無(wú)法獲得路面內(nèi)部實(shí)際受力狀態(tài),無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)路面使用狀況。借鑒結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)理論和應(yīng)用,通過(guò)分析埋設(shè)在服役道路內(nèi)部的傳感器數(shù)據(jù),進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè),為路面性能評(píng)估提供了有效方法。但是由于交通荷載的隨機(jī)特性,造成路面內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)復(fù)雜隨機(jī),是典型的非確定性問(wèn)題,因此有必要開(kāi)展隨機(jī)荷載作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)理論求解與監(jiān)測(cè)方法研究,構(gòu)建瀝青路面健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論和方法框架,包括:開(kāi)發(fā)可內(nèi)嵌于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)且便于實(shí)時(shí)計(jì)算的瀝青路面力學(xué)模型;提出隨機(jī)荷載輸入感知與力學(xué)響應(yīng)輸出處理方法;研究融合監(jiān)測(cè)信息與力學(xué)模型的瀝青路面模量反算與性能評(píng)估方法。主要工作包括以下幾點(diǎn):首先,推導(dǎo)任意非均布移動(dòng)荷載作用下多層體系解析解。借助Galilean和Fourier變換方法,基于直角坐標(biāo)系下拉梅方程,推導(dǎo)簡(jiǎn)單形狀移動(dòng)荷載作用下彈性多層體系解析解;根據(jù)彈性-黏彈性對(duì)應(yīng)原理,推導(dǎo)簡(jiǎn)單形狀移動(dòng)荷載作用下黏彈性多層體系解析解;基于疊加原理,從而表達(dá)任意復(fù)雜形狀非均布移動(dòng)荷載作用下的彈性/黏彈性多層體系解析解;此外,提出兩種解析解數(shù)值計(jì)算方法,即可以計(jì)算單點(diǎn)任意時(shí)刻力學(xué)響應(yīng)的Gauss積分法和可以同時(shí)計(jì)算某一深度平面力學(xué)響應(yīng)分布的IFFT法;通過(guò)對(duì)比有限元法,結(jié)果表明解析解的準(zhǔn)確性和高效性,故適用于后續(xù)隨機(jī)荷載作用下瀝青路面力學(xué)行為分析和瀝青路面健康監(jiān)測(cè)研究。其次,研究隨機(jī)荷載作用下瀝青路面力學(xué)行為。在黏彈性多層體系解析解表達(dá)式中,引入隨機(jī)荷載變量(接地壓力、移動(dòng)速度、橫向偏移、瀝青層溫度),構(gòu)建非確定性力學(xué)模型,并提出響應(yīng)面方法來(lái)計(jì)算隨機(jī)移動(dòng)荷載作用下瀝青路面內(nèi)部力學(xué)響應(yīng)和使用性能的概率分布;以黏彈性三層體系為算例,對(duì)比Monte-Carlo模擬,驗(yàn)證響應(yīng)面方法計(jì)算結(jié)果,結(jié)果表明響應(yīng)面方法的準(zhǔn)確性和高效性;此外,通過(guò)公路和機(jī)場(chǎng)多種輪組荷載作用下瀝青路面力學(xué)響應(yīng)概率分布計(jì)算,分析隨機(jī)荷載變量的統(tǒng)計(jì)參數(shù)及概率分布形式、多種輪組荷載比例、輪組形式尺寸對(duì)力學(xué)響應(yīng)和使用性能概率分布的影響。由此,開(kāi)發(fā)了可內(nèi)嵌于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)且便于實(shí)時(shí)計(jì)算的隨機(jī)荷載作用下瀝青路面力學(xué)模型。再次,提出瀝青路面隨機(jī)荷載輸入感知與力學(xué)響應(yīng)輸出處理方法。考慮瀝青混合料的粒料堆積不均勻特性,通過(guò)隨機(jī)骨料堆積的四點(diǎn)彎曲梁有限元模型(夾雜不同尺寸、封裝材料的光纖光柵應(yīng)變傳感元件)模擬分析,探討傳感元件與瀝青混合料的協(xié)同變形特性,從而優(yōu)化傳感器的材料尺寸;以重慶江北機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道無(wú)線監(jiān)測(cè)和北京首都機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道有線監(jiān)測(cè)為例,優(yōu)化可識(shí)別隨機(jī)荷載輸入信息的傳感器布設(shè)方案,探討橫向偏移判定傳感器的合理布設(shè)間距,提出荷載移動(dòng)速度感知方法;應(yīng)用移動(dòng)平均濾波、小波壓縮和函數(shù)型數(shù)據(jù)分析方法,分別實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的過(guò)濾提取、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的壓縮和力學(xué)響應(yīng)關(guān)鍵信息的提取;此外,結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和理論解析解,從時(shí)頻域角度,證明速度而非頻率,是關(guān)聯(lián)瀝青面層黏彈性模量的有效參數(shù)。而后,研究融合監(jiān)測(cè)信息與力學(xué)模型的瀝青路面模量反算方法。推導(dǎo)移動(dòng)荷載作用下彈性雙層體系力學(xué)響應(yīng)與模量之間的理論關(guān)系,并構(gòu)建雙層體系模量反算流程,提出基于瀝青路面內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)信息的模量反算方法,并通過(guò)北京首都機(jī)場(chǎng)聯(lián)絡(luò)道監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),反算并驗(yàn)證此方法的有效性;以彈性雙層體系力學(xué)響應(yīng)與模量之間的理論關(guān)系為框架,初步提出彈性多層體系解耦反算流程,將反算方法推廣至多層體系;推導(dǎo)移動(dòng)荷載作用下彈性多層體系力學(xué)響應(yīng)與模量之間的理論關(guān)系,并初步構(gòu)建多層體系耦合反算流程;相比落錘式彎沉儀反算方法,此方法絕對(duì)收斂,且施加荷載為真實(shí)交通荷載,可對(duì)路面模量進(jìn)行實(shí)時(shí)評(píng)估,而不影響交通。最后,研究基于監(jiān)測(cè)信息的瀝青路面力學(xué)模型更新及性能評(píng)估方法。融合模量反算結(jié)果和隨機(jī)荷載輸入信息,并構(gòu)造Kalman濾波器,實(shí)現(xiàn)路面模量參數(shù)識(shí)別及衰減程度評(píng)價(jià),以實(shí)時(shí)更新力學(xué)模型;融合瀝青路面更新的力學(xué)模型和隨機(jī)荷載輸入信息,重構(gòu)全場(chǎng)力學(xué)響應(yīng)隨機(jī)分布,提出瀝青路面確定性疲勞和車(chē)轍累積損傷量實(shí)時(shí)計(jì)算方法;針對(duì)荷載隨機(jī)特性和模量衰減因素,提出不確定性短期使用性能預(yù)測(cè)策略和預(yù)測(cè)流程,并給出算例;此外,綜合全部研究?jī)?nèi)容,初步提出瀝青路面健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)理論和方法框架。此研究屬于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)在道路工程領(lǐng)域的拓展應(yīng)用,促進(jìn)道路工程的多學(xué)科交叉發(fā)展。研究中涉及的力學(xué)響應(yīng)理論求解和監(jiān)測(cè)方法,對(duì)瀝青路面力學(xué)行為研究和使用性能評(píng)估有一定的指導(dǎo)意義。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類(lèi)號(hào)】：U416.217
【圖文】：

2 2 2 2( ) ( ) ( )G w Gx y z z x y z t （2-19）2.2 簡(jiǎn)單形狀移動(dòng)荷載作用下彈性多層體系解析解2.2.1 簡(jiǎn)單形狀移動(dòng)荷載本節(jié)主要推導(dǎo)矩形均布、矩形余弦分布、圓形均布、橢圓形均布移動(dòng)荷載作用下的彈性多層體系解析解，移動(dòng)荷載形式如圖 2-1 所示。a) 矩形均布a) Rectangular uniformb) 矩形余弦分布b) Rectangular cosine

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工學(xué)博士學(xué)位論文1 2w( , ,0)是未知的，可通過(guò)邊界條件確定；當(dāng)深度 109）等式左側(cè)為 0 向量，故表面位移狀態(tài)1 2u ( , ,0)、表示為式（2-110）：1 2 1 21 2 1 21111 12 13 14 15 1621 22 23 24 25 262 31 32 33 34 35 36 12, , 0 , , , , 0 , , ) ( ) ( , , 0) ( , ,zxzyzF F F F F FF F F F F FF F F F F F 11 2 1 2111( , ,) ( , , )n iini ii h h T T 。

圖 2-3 廣義 Maxwell 模型Fig.2-3 Generalized Maxwell solid model/01( ) (1 (1 ))jJtjjG t G g e 切模量；剪切模量，0 0 11( )2(1 )JG E E E ；化剪切模量，02(1 )jE G；時(shí)間，jjE ；模量；彈性模量和黏度， j 1,2, ,J。荷載作用下黏彈性多層體系的解析解，時(shí)域的應(yīng)與基本方程的 Fourier變換一致，即對(duì)坐標(biāo)

【參考文獻(xiàn)】

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3 李曉寶;簡(jiǎn)水珍;彭恢湘;;壓電石英稱重傳感器在公路動(dòng)態(tài)稱重中的應(yīng)用[J];公路與汽運(yùn);2012年02期

4 董忠紅;呂彭民;;移動(dòng)荷載下粘彈性層狀瀝青路面動(dòng)力響應(yīng)模型[J];工程力學(xué);2011年12期

5 錢(qián)振東;韓光義;黃衛(wèi);尹祖超;;基于BOTDA的鋼橋面鋪裝裂縫疲勞擴(kuò)展研究[J];土木工程學(xué)報(bào);2009年10期

6 劉小云;田潤(rùn)利;;移動(dòng)載荷作用下瀝青路面穩(wěn)態(tài)響應(yīng)與計(jì)算[J];力學(xué)與實(shí)踐;2009年03期

7 張志春;王川;周智;歐進(jìn)萍;;FRP筋拉擠成型工藝過(guò)程的光纖光柵監(jiān)測(cè)與結(jié)果分析[J];東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2005年S1期

8 李秋忠,查旭東;路基含水量測(cè)定方法綜述[J];中外公路;2005年02期

9 任瑞波,譚憶秋,張肖寧;FWD動(dòng)荷載作用下瀝青路面層狀粘彈體路表彎沉的求解[J];中國(guó)公路學(xué)報(bào);2001年02期

10 倪侃;隨機(jī)疲勞累積損傷理論研究進(jìn)展[J];力學(xué)進(jìn)展;1999年01期

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4 李生龍;瀝青路面結(jié)構(gòu)信息監(jiān)測(cè)及疲勞性能預(yù)估[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2013年

5 孫宗杰;路面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)信息初步監(jiān)測(cè)及分析[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2011年

6 劉樹(shù)龍;光纖Bragg光柵在瀝青路面性能健康監(jiān)測(cè)中的試驗(yàn)研究[D];南京航空航天大學(xué);2011年

7 劉凱;瀝青路面溫度場(chǎng)分布規(guī)律研究[D];長(zhǎng)安大學(xué);2010年

8 田庚亮;光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)瀝青混合料應(yīng)變響應(yīng)有效性研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2009年

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10 劉艷萍;橡膠封裝FBG瀝青路面豎向應(yīng)變傳感器的開(kāi)發(fā)與研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2008年

本文編號(hào)：2775228