一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法技术

本发明专利技术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。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：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；步骤5：把沥青铺装层模型中的粗集料颗粒与钢板颗粒直接接触的颗粒数占沥青铺装层模型中所有与钢板模型直接接触的总颗粒数的百分比作为第一类层间接触的参数，把此参数定义为层间粗糙度，通过FISH编程控制粗集料颗粒与钢板颗粒接触颗粒单元的百分比值，最终生成多个不同层间粗糙度的钢桥面铺装复合试件模型；把沥青铺装层模型中直接与钢板模型接触的空隙单元数占层间钢板颗粒总数的百分比作为第二类层间接触的参数，并且把此参数定义为层间气泡，通过FISH编程随机删除其中的沥青铺装层模型中与钢板颗粒直接接触颗粒单元中50、100或200个数量的沥青砂浆颗粒，最终生成多个不同层间气泡的钢桥面铺装复合试件模型；步骤6：通过墙体对形成的不同层间接触装卸的钢桥面铺装复合试件模型进行剪切，通过FISH编程采集剪应力和剪切位移变量信息，绘制剪切-位移曲线，并对层间裂纹的发展、层间颗粒的接触力和位移的变量信息进行跟踪。进一步，所述步骤1中沥青铺装层区域尺寸为95mm×95mm×60mm。进一步，所述步骤2中根据颗粒单元粒径，将小于2.36mm的颗粒单元作为沥青砂浆颗粒，将大于或等于2.36mm的颗粒单元作为粗集料颗粒。进一步，所述步骤2中生成空隙单元的方法是根据孔隙率计算出需要删除的颗粒单元单元的数量，然后通过FISH编程随机在砂浆单元中将其删除，作为沥青铺装层的空隙单元。进一步，所述步骤3中钢板区域尺寸为95mm×95mm×10mm。进一步，所述步骤3中钢板颗粒的粒径与沥青铺装层的空隙单元的颗粒单元粒径保持一致。进一步，所述步骤4中粗集料颗粒内部的接触类型采用线弹性模型表示，沥青砂浆颗粒内部的接触类型采用伯格斯模型和接触粘结模型表示、粗集料颗粒与沥青砂浆颗粒之间接触类型采用伯格斯模型和接触粘结模型表示；钢板颗粒内部的接触类型采用线弹性模型表示；粗集料颗粒与钢板颗粒之间的接触类型采用线弹性模型和平行粘结模型表示、沥青砂浆颗粒与钢板颗粒之间的接触类型采用伯格斯模型和平行粘结模型表示。进一步，所述步骤5中多个层间粗糙度有三个，分别取值为20%、25%、30%，同时与三个层间粗糙度对应的层间气泡统一取值为0%。进一步，所述步骤5中多个层间气泡有三个，分别取值为2%、4%、8%，同时与三个层间气泡对应的层间粗糙度统一取值为15%。进一步，步骤6中剪切时，固定模型中组成钢板模型的所有颗粒单元，用约束墙体约束沥青铺装层模型垂直于y轴的两侧，通过加载墙体沿着x轴对铺装层施加一个剪切荷载，加载速度恒定为50mm/min。和现有技术相比较，本专利技术的优点在于：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。该方法准确有效，对从细观角度研究钢桥面铺装层间剪切破坏机理有重要意义。附图说明图1为实施例中空间区域三维尺寸示意图；图2为实施例中给定区域内生成的粗集料颗粒示意图；图3为实施例中沥青铺装层模型示意图；图4为实施例中钢板模型示意图；图5为实施例中钢桥面铺装复合试件模型示意图；图6为实施例中层间粗糙度为10%的层间接触模型示意图；图7为实施例中层间粗糙度为20%的层间接触模型示意图；图8为实施例中层间粗糙度为30%的层间接触模型示意图；图9为实施例中层间气泡为2%的层间接触模型示意图；图10为实施例中层间气泡为4%的层间接触模型示意图；图11为实施例中层间气泡为8%的层间接触模型示意图；图12为实施例中钢桥面铺装复合试件层间加载示意图。附图标记：1-粗集料颗粒；2-沥青砂浆颗粒；3-钢板颗粒；4-空隙单元；5-加载墙体；6-约束墙体。图5～11中灰色颗粒为粗集料颗粒，黑色颗粒为沥青砂浆颗粒，白色颗粒为空隙单元。具体实施方式下面通过具体的实施例子对本专利技术做进一步的详细描述。实施例1一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，根据粗集料颗粒1模型构建方法，在沥青铺装层区域投放粗集料颗粒1；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1，如果是，则识别为粗集料颗粒1，否则识别为沥青砂浆颗粒2，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于，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；步骤5：把沥青铺装层模型中的粗集料颗粒与钢板颗粒直接接触的颗粒数占沥青铺装层模型中所有与钢板模型直接接触的总颗粒数的百分比作为第一类层间接触的参数，把此参数定义为层间粗糙度，通过FISH编程控制粗集料颗粒与钢板颗粒接触颗粒单元的百分比值，最终生成多个不同层间粗糙度的钢桥面铺装复合试件模型；把沥青铺装层模型中直接与钢板模型接触的空隙单元数占层间钢板颗粒总数的百分比作为第二类层间接触的参数，并且把此参数定义为层间气泡，通过FISH编程随机删除其中的沥青铺装层模型中与钢板颗粒直接接触颗粒单元中50、100或200个数量的沥青砂浆颗粒，最终生成多个不同层间气泡的钢桥面铺装复合试件模型；步骤6：通过墙体对形成的不同层间接触装卸的钢桥面铺装复合试件模型进行剪切，通过FISH编程采集剪应力和剪切位移变量信息，绘制剪切‑位移曲线，并对层间裂纹的发展、层间颗粒的接触力和位移的变量信息进行跟踪。...

【技术特征摘要】
1.一种基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于，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；步骤5：把沥青铺装层模型中的粗集料颗粒与钢板颗粒直接接触的颗粒数占沥青铺装层模型中所有与钢板模型直接接触的总颗粒数的百分比作为第一类层间接触的参数，把此参数定义为层间粗糙度，通过FISH编程控制粗集料颗粒与钢板颗粒接触颗粒单元的百分比值，最终生成多个不同层间粗糙度的钢桥面铺装复合试件模型；把沥青铺装层模型中直接与钢板模型接触的空隙单元数占层间钢板颗粒总数的百分比作为第二类层间接触的参数，并且把此参数定义为层间气泡，通过FISH编程随机删除其中的沥青铺装层模型中与钢板颗粒直接接触颗粒单元中50、100或200个数量的沥青砂浆颗粒，最终生成多个不同层间气泡的钢桥面铺装复合试件模型；步骤6：通过墙体对形成的不同层间接触装卸的钢桥面铺装复合试件模型进行剪切，通过FISH编程采集剪应力和剪切位移变量信息，绘制剪切-位移曲线，并对层间裂纹的发展、层间颗粒的接触力和位移的变量信息进行跟踪。2.根据权利要求1所述基于离散元的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于，所述步骤1中沥青铺装层区域尺寸为95mm×95mm×60mm。3.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云，徐恭圣，
申请(专利权)人：河海大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32