[发明专利]一种钢桥面铺装层碾压施工模拟方法

说明书

本发明公开了一种钢桥面铺装层碾压施工模拟方法，采用三维建模软件参照粗集料颗粒实际的形貌特征绘制典型粗集料颗粒三维模型并以此建立铺装层模型；使用FLAC3D软件建立带焊缝的钢桥面板模型；对铺装层模型和钢桥面板模型进行耦合；采用传送带式荷载模拟方式进行加载，模拟钢桥面铺装层碾压施工；采用单个颗粒平行粘结模型接触个数计算碾压完成后的压实度。本发明能够更加准确真实地模拟粗集料颗粒的真实形貌以及铺装层和钢桥面板的组合结构；考虑了焊缝、碾压工艺、结团料等施工质量影响因素，可有效模拟钢桥面铺装层碾压施工过程中的复杂工况；通过压实度的接触数法能够定量分析上述因素对铺装层压实效果的影响，实用性强，计算更加简便。

技术领域

本发明属于钢桥面铺装工程技术领域，涉及一种钢桥面铺装层碾压施工模拟方法。

背景技术

目前，我国大跨径桥梁建设项目日益增多，钢桥面铺装技术快速发展，碾压作为钢桥面铺装施工过程中重要的一环，碾压施工的好坏对铺装层质量有直接影响，因此有必要对碾压施工进行严格的质量监控。然而在钢桥面碾压施工过程中往往会出现过度压实、压实度不足、混合料固化不均匀出现结团料、碾压焊缝时出现裂缝等问题，若采取试验段或室内试验的方式探究上述问题出现的原因以及造成的影响，需要耗费大量时间和经济成本，且很难获得深层次细观方面的结论，数值模拟方法为解决这类问题开辟了新的思路。

在道路工程沥青混合料模拟试验方面，常采用的数值模拟方法有有限元法和离散元法。有限元法主要是将离散介质材料构成的沥青混合料视为连续介质材料，赋予其连续本构模型来分析道路工程中的相关问题，但是有限元法的连续介质假设与沥青混合料非匀质、不连续的特点不符，无法准确地描述集料颗粒和砂浆颗粒之间的相互作用，难以进一步揭示沥青混合料的压实机理；离散元法对于研究集料颗粒和砂浆颗粒之间的相互作用则具有独到的优势，该方法可以方便地描述集料颗粒、砂浆内部以及不同沥青混合料界面的接触过程，更适用于沥青混合料的压实模拟研究。钢桥面铺装层的复合结构包含了铺装下层沥青混合料和钢桥面板，沥青混合料属于离散介质材料，钢桥面板是各向同性的线弹性连续介质材料，单纯使用一种数值模拟方法并不能准确反映二者的性质。调研相关数值模拟文献，发现道路工程中常用的有限元软件，例如Abaqus和Ansys，建立的钢桥面板模型与PFC3D软件建立的模型并不能够进行耦合分析，因此仍需对钢桥面复合结构数值模拟方法作进一步的探索。

此外，在离散元软件中通常使用规则形状的离散单元小球模拟沥青混合料中的粗集料颗粒，该方法不能够体现粗集料颗粒实际形貌特征对沥青混合料的影响。有研究者采用CT扫描技术和随机生成算法来解决上述问题，但基于CT扫描的三维图像重构技术操作繁琐，需要处理大量数据，难度大，成本高，费时费力，且仅限于已压实成型的沥青混合料的三维重构，无法描述松散状态的沥青混合料空间结构；使用随机生成方法常常会对粗集料颗粒进行简化，假定粗集料颗粒均为凸面体，这样会使建模变得简单但并不能很好的表征粗集料凹凸不平的特征。因此，设计一种快速有效的粗集料颗粒建模方法也显得十分必要。

在离散元软件中使用传统密度法计算压实度，需要统计粗集料颗粒和沥青砂浆颗粒的个数，并按照粗集料颗粒和沥青砂浆颗粒的密度分别计算质量，然后再进行密度计算；此外，还需要进行室内试验成型沥青混合料马歇尔试件，计算实验室标准密度，需要处理大量数据，试验操作繁琐，费时费力，因此，亟需提出一种针对于模拟试验计算压实度的方法。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，进一步探寻粗集料颗粒建模和钢桥面铺装复合结构碾压施工模拟的新方法，本发明调研大量数值模拟文献资料，提出采用三维建模软件参照粗集料颗粒的实际形貌特征绘制典型粗集料颗粒三维模型的方法，在此基础上采用离散介质和连续介质耦合的方法进行钢桥面铺装层碾压施工模拟，同时考虑了焊缝、碾压工艺以及结团料对铺装层碾压施工质量的影响，并提出采用单个颗粒平行粘结模型接触个数计算碾压完成后的压实度的方法，实用性强，操作简便，对现场施工具有重要的指导意义。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：