CN110399661A - 基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于离散‑连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，步骤如下：首先，在PFC3D软件中建模，形成钢桥面铺装沥青铺装层三维离散元模型；其次，在FLAC3D软件中建模，形成钢桥面板三维连续模型；再次，利用PFC3D与FLAC3D软件的Socket I/O功能，实现两者模型之间的数据交换；最后，对模型进行加载剪切，改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数与钢桥面板的材料参数，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析。本方法综合离散元法与有限元法的优势，既考虑了沥青混凝土作为多相复合材料所具有的细观特征，又考虑了钢桥面板线弹性材料的特征，模拟结果更加符合工程实际，所得数据可用于指导钢桥面铺装体系复合结构的设计。

Description

基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法

技术领域

本发明属于道路工程和桥梁工程的交叉领域，尤其涉及一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法。

背景技术

钢桥面铺装是钢桥行车体系的重要组成部分，对钢桥的耐久性、行车安全性、舒适度等均具有极其重要的影响，是钢桥建设环节中的一项至关重要的技术。沥青混凝土铺装与钢桥面板紧密相连，共同承载和变形。在通车状态下，铺装体系层间承受车辆荷载的剪切作用。当钢桥面铺装的剪切强度不能满足受力要求时，就会发生铺装层剪切破坏，甚至会发生铺装层脱层破坏。所以，对钢桥面铺装复合结构层间剪切行为的研究至关重要。

目前国内外关于钢桥面铺装复合结构层间抗剪特性的测定方法主要采用数值模拟和室内试验两种方法。室内试验包括水平直剪或斜剪试验，这两种试验方法属于宏观尺度，在研究铺装与桥面界面破坏时，界面破坏情况难以测试。数值模拟方法包括有限元法与离散元法。其中有限元方法研究还处于宏观层次，不能客观反映沥青混合料的细观裂缝发展情况，离散元法不能准确反映钢板各向同性与线弹性的材料特性。

在钢桥面铺装服役期间，钢板可视为各向同性的线弹性材料，沥青混凝土铺装层具有多相复合材料的细观特征。目前关于钢桥面铺装层间抗剪特性的测定方法都存在局限性，无法同时反映两种材料的特性，使测定结果与工程实际产生较大的偏差。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法。本发明为钢桥面铺装复合结构层间剪切试验的数值模拟方法，涉及复合结构粘结界面抗剪特性，适用于钢桥面铺装体系复合结构的设计与研究。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，包括如下步骤：

(1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，在PFC3D软件中建立具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型；

(2)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒并设置边界条件，在PFC3D软件中进行耦合区域建模；

(3)利用FLAC3D软件命令建立钢桥面板三维模型，对钢桥面板三维模型合理划分网格并设置边界条件，在FLAC3D软件中建立钢桥面板三维连续模型；

(4)将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型；

(5)对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；在PFC3D软件中绘制剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；在FLAC3D软件中绘制钢桥面板的应力云图与位移云图；

(6)采用控制变量法，依次改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数以及钢桥面板的材料参数，并重复步骤(5)，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析，得到钢桥面铺装层间剪切破坏规律；直至沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效，结束剪切试验的模拟，得到最终的剪切位移曲线以及裂缝数量随时间变化曲线。

进一步，步骤(1)所述沥青铺装层三维离散元模型的建立方法如下：

(1-1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型；

(1-2)在步骤(1-1)所得模型基础上确定模型空隙单元，利用PFC3D软件命令对沥青铺装层材料进行参数赋值，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型，并确定模型中的接触本构关系。

进一步，步骤(1-1)中，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型，步骤如下：

(1-1-1)利用PFC3D软件的wall命令生成沥青铺装层的空间区域，并根据该空间区域的墙体坐标确定沥青铺装层三维模型的尺寸；模型尺寸记为X×Y×Z₁；X表示模型的长；Y表示模型的宽；Z₁表示模型的高；所述墙体是模型的组成部分，作为剪切试验中的约束装置；给墙体施加速度以模拟剪切力；

(1-1-2)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，确定需要投放的N档粗集料及各档粗集料相应的粒径范围；所述级配表根据行业规范文件查询；

(1-1-3)利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数；利用PFC3D的clump命令，将级配球单元投入沥青铺装层模型区域中；

(1-1-4)利用PFC3D的ball命令在已生成级配球单元的沥青铺装层模型区域内，投入规则排列的半径为r的小球单元；

(1-1-5)通过FISH语言编写判断算法，判断投入的规则的小球单元的球心是否在粗集料球单元内部；若小球单元的球心在粗集料球单元内部，则将该小球单元作为新的粗集料球单元，否则视为沥青砂浆球单元；

(1-1-6)判断完成后，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型。

进一步，步骤(1-1-3)所述利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数，算法如下：

S1：设第j档粗集料级配球单元的球心坐标为(x,y,z)，半径为R，体积为V，密度为ρ，质量为m，j＝1,2,...,N，则在沥青铺装层模型区域内生成的该档粗集料的级配球单元的球心坐标和半径分别为：

x＝urand*q/10

y＝urand*q/10

z＝urand*Z₁/1000

R＝(s/100-q/100)*urand+q/100

式中，urand为(0,1)中的随机数；q为j档粗集料粒径下限，s为j档粗集料粒径上限，Z₁为沥青铺装层厚度，q、s、Z₁单位为mm；

S2：计算该档粗集料的单个级配球单元的体积为：

S3：计算投放n个该档集料级配球单元的总体积为：

式中，V_sum为n个级配球单元的总体积；R_i为第i个级配球单元的半径；

S4：计算投放n个该档粗集料级配球单元的总质量为：

m_sum＝ρV_sum

式中，m_sum为n个级配球单元的总质量；

S5：若m_sum＜m_p，则令n＝n+1，继续投放级配球单元，返回执行步骤S1；若m_sum≥m_p，则停止投放级配球单元，当前n值即为该档粗集料的级配球单元个数；其中m_p为该档粗集料的质量，通过室内试验得到；

S6：根据步骤S1～S5，分别确定N档粗集料的级配球单元个数。

进一步，步骤(1-1-5)中，通过FISH语言编写判断算法，判断投入的规则的小球单元的球心是否在粗集料球单元内部；判断算法如下：

设规则小球单元的半径为r，球心坐标为(x₁,y₁,z₁)，级配球单元的半径为R，球心坐标为(x₂,y₂,z₂)，则规则小球单元与级配球单元的球心距d为：

若d＜R，则该小球单元的球心在粗集料级配球单元内部，否则，该小球单元的球心不在粗集料级配球单元内部。

进一步，步骤(1-2)中，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型，并确定模型中的接触本构关系，方法如下：

(1-2-1)利用PFC3D软件的prop命令对沥青铺装层材料进行参数赋值；所述参数包括：沥青砂浆Burgers模型参数、粗集料模量、层间粘结强度；

(1-2-2)在步骤(1-1)所得的沥青铺装层三维离散元模型中，随机选择M个沥青砂浆球单元作为空隙单元，将空隙单元力学参数赋值为零，形成具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型；

(1-2-3)为了使细观颗粒能够准确反映宏观力学行为，需要对细观颗粒间的接触赋予接触本构关系，即细观颗粒间力与变形的关系；所述细观颗粒指的是沥青砂浆球单元、粗集料球单元；为了更加准确的模拟剪切行为，通过PFC3D软件的接触本构模型，确定沥青铺装层三维离散元模型中颗粒间的接触本构关系。

PFC3D软件的接触本构模型如下表所示：

接触类型	接触本构模型
		粗集料内部单元之间的接触	接触刚度模型
相邻粗集料单元之间的接触	接触刚度模型+滑动模型
		沥青砂浆内部单元之间的接触	Burgers模型
沥青砂浆单元与粗集料单元之间的接触	Burgers模型+接触粘结模型

进一步，步骤(2)所述耦合区域建模，方法如下：

(2-1)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒；这层耦合颗粒即表示耦合区域，用于将铺装层离散元区域和钢桥面板连续元区域对应起来，即一个耦合颗粒对应一个连续元节点；耦合颗粒与对应的连续元节点进行力与位移数据的传递，二者同步力与位移状态；

(2-2)设置边界条件，即约束耦合颗粒在y和z方向的平动和转动以及在x方向的转动，完成耦合区域建模。

进一步，步骤(3)所述在FLAC3D软件建立钢桥面板三维连续模型，方法如下：

(3-1)利用FLAC3D软件中gen zone brick命令，在与沥青铺装层对应的位置即沥青铺装层的正下方建立模型；所述模型尺寸为X×Y×Z₂，X表示模型的长，Y表示模型的宽，Z₂表示模型的高；设置钢板的材料参数，所述材料参数包括：钢板弹性模量、密度、泊松比；

(3-2)为了提高计算精度，对钢桥面板三维模型合理划分网格，使网格节点即连续元节点与耦合区域的颗粒实现一一对应；设置边界条件，即约束钢桥面板模型在y和z方向的变形，以及x＝0平面上所有连续元节点在x方向上的变形；完成钢桥面板三维连续模型建模。

进一步，步骤(4)所述将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，即将PFC3D与FLAC3D软件耦合，是通过数据在Socket I/O通信接口中的传递来实现，方法如下：

(4-1)设定耦合计算的计算时间T，时间步长t_s，初始化当前计算时间t＝0；

(4-2)PFC3D计算一个时步，得到与连续元节点对应的耦合颗粒受到的力，并将其存储在Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-3)FLAC3D读取Socket I/O中PFC3D存储的力，将其施加到连续元节点上，计算一个时步，得到连续元节点的位移，将位移转化为速度后存储到Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-4)PFC3D读取Socket I/O中FLAC3D存储的速度，并将其施加到与连续元节点对应的耦合颗粒上；判断当前计算时间t是否达到设定的计算时间T，若达到所设定的计算时间，完成沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型之间的数据交换，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型；否则，返回步骤(4-2)。

进一步，所述步骤(5)中加载剪切的步骤如下：

(5-1)打开PFC3D与FLAC3D软件的数据交互窗口，对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；加载剪切的方法为：在PFC3D中赋予加载墙体一定的速度，使其沿着x轴负方向对铺装层施加剪切荷载，同时建立约束墙体以固定铺装层侧面的位移；

(5-2)通过PFC3D中history命令监测、记录铺装层层间剪切应力、剪切位移、裂缝数量信息；PFC3D软件加载剪切计算完成后，在PFC3D显示窗口显示剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；剪切位移曲线对应钢桥面板与沥青铺装层层间剪切力，裂缝是指沥青铺装层裂缝。

进一步，步骤(6)所述控制变量法是指，每次改变一个参数，并保持其他参数不变，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析；其中，在PFC3D软件中，改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数；所述细观参数包括：粗集料模量、层间粘结强度、Burgers模型参数；在FLAC3D软件中，改变钢桥面板的材料参数；所述材料参数包括：钢桥面板的弹性模量、密度、泊松比。

进一步，步骤(6)所述沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效是指，剪切位移曲线中剪应力为0，并且剪应力不随位移发生变化，同时钢桥面板在层间x方向的应力为0。

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益的技术效果：

(1)本发明通过PFC3D离散元软件建立沥青铺装层模型，考虑了沥青混凝土作为多相复合材料所具有的细观特征。通过FLAC3D有限元软件建立钢桥面板模型，发挥了有限元法快速求解铺装结构宏观弹性变形的优势，将钢板可视为各向同性的线弹性材料，更加符合实际工程。

(2)本发明可以改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数以及钢桥面板三维连续模型的材料参数进行钢桥面铺装层间剪切影响因素跨尺度分析。

附图说明

图1是本发明方法流程图；

图2是本发明沥青铺装层三维离散元模型空间区域；

图3是本发明具有级配特征的不考虑空隙沥青铺装层三维离散元模型；

图4是本发明沥青铺装层三维离散元模型空隙单元示意图；

图5是本发明耦合区域模型；

图6是本发明钢桥面板三维连续模型；

图7是本发明耦合区域局部示意图；

其中，1-粗集料，2-沥青砂浆，3-空隙单元，4-耦合颗粒，5-连续元节点，6-沥青铺装层颗粒，7-钢桥面板单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

以AC-13沥青混合料，空隙率为5％的沥青铺装层，剪切速率为60mm/min为例，本发明基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法如下：

(1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，在PFC3D软件中建立具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型。步骤如下：

(1-1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型。

(1-1-1)利用PFC3D软件的wall命令生成沥青铺装层的空间区域，并根据该空间区域的墙体坐标确定沥青铺装层三维模型的尺寸；本实施例中该模型尺寸记为100mm×100mm×50mm，如图2所示；

(1-1-2)根据AC-13沥青混合料级配表，投入四档粗集料A₁,A₂,A₃,A₄，相应的粒径范围分别为：13.2mm-16mm、9.5-13.2mm、4.75mm-9.5mm、2.36mm-4.75mm；

(1-1-3)利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数；利用PFC3D的clump命令，将级配球单元投入沥青铺装层模型区域中；

所述利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数，算法如下：

S1：以第二档粗集料A₂为例，粒径范围为9.5mm-13.2mm，设生成的级配球单元的球心坐标为(x,y,z)，半径为R，体积为V，密度为ρ，质量为m，则在沥青铺装层模型区域内生成的该档粗集料的级配球单元的球心坐标和半径分别为：

x＝urand*q/10

y＝urand*q/10

z＝urand*Z₁/1000

R＝(s/100-q/100)*urand+q/100

式中，urand为(0,1)中的随机数；q为该档粗集料粒径下限，s为该档粗集料粒径上限，Z₁为沥青铺装层厚度，q、s、Z₁单位为mm；

S2：计算该档粗集料的单个级配球单元的体积为：

S3：计算投放n个该档集料级配球单元的总体积为：

式中，V_sum为n个级配球单元的总体积；R_i为第i个级配球单元的半径；

S4：计算投放n个该档粗集料级配球单元的总质量为：

m_sum＝ρV_sum

式中，m_sum为n个级配球单元的总质量；

S5：若m_sum＜m_p，则令n＝n+1，继续投放级配球单元，返回执行步骤S1；若m_sum≥m_p，则停止投放级配球单元，当前n值即为该档粗集料的级配球单元个数；其中m_p为该档粗集料的质量，通过室内试验得到；本实施例中，以第二档粗集料为例，m_p＝0.25；

S6：根据步骤S1～S5，得到四档粗集料A₁,A₂,A₃,A₄球单元个数分别为109、570、4073、8961。

AC-13沥青混合料级配表如表1所示。

表1

筛孔尺寸/mm	16	13.2	9.5	4.75	2.36	1.18	0.6	0.3	0.15	0.075
											通过率/％	100	95	71	53	37	26.5	19	13.5	10	6

(1-1-4)利用PFC3D的ball命令在已生成级配球单元的沥青铺装层模型区域内，投入规则排列的半径为r的小球单元；r＝2mm；

(1-1-5)通过FISH语言编写判断算法，判断投入的规则的小球单元的球心是否在粗集料球单元内部；若小球单元的球心在粗集料球单元内部，则将该小球单元作为新的粗集料球单元，否则视为沥青砂浆球单元；判断算法如下：

设规则小球单元的半径为r，球心坐标为(x₁,y₁,z₁)，级配球单元的半径为R，球心坐标为(x₂,y₂,z₂)，则规则小球单元与级配球单元的球心距d为：

若d＜R，则该小球单元的球心在粗集料级配球单元内部，否则，该小球单元的球心不在粗集料级配球单元内部。

(1-1-6)判断完成后，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型，如图3所示。其中，图3(b)为图3(a)的局部放大图。

(1-2)在步骤(1-1)所得模型基础上确定模型空隙单元，利用PFC3D软件命令对沥青铺装层材料进行参数赋值，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型，并确定模型中的接触本构关系。步骤如下：

(1-2-1)利用PFC3D软件的prop命令对沥青铺装层材料进行参数赋值；所述参数包括：沥青砂浆Burgers模型参数、粗集料模量、层间粘结强度；

(1-2-2)在步骤(1-1)所得的沥青铺装层三维离散元模型中，随机选择6250个沥青砂浆球单元作为空隙单元，如图4所示，图4(b)为图4(a)的局部放大图，将空隙单元力学参数赋值为零，形成5％的空隙率，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型；

(1-2-3)为了使细观颗粒能够准确反映宏观力学行为，需要对细观颗粒间的接触赋予接触本构关系，即细观颗粒间力与变形的关系；所述细观颗粒指的是沥青砂浆球单元、粗集料球单元；为了更加准确的模拟剪切行为，通过PFC3D软件的接触本构模型，确定沥青铺装层三维离散元模型中颗粒间的接触本构关系。PFC3D软件的接触本构模型如表2所示：

表2

接触类型	接触本构模型
		粗集料内部单元之间的接触	接触刚度模型
相邻粗集料单元之间的接触	接触刚度模型+滑动模型
		沥青砂浆内部单元之间的接触	Burgers模型
沥青砂浆单元与粗集料单元之间的接触	Burgers模型+接触粘结模型

(2)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒并设置边界条件，在PFC3D软件中进行耦合区域建模。步骤如下：

(2-1)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒；这层耦合颗粒即表示耦合区域，用于将铺装层离散元区域和钢桥面板连续元区域对应起来，即一个耦合颗粒对应一个连续元节点；耦合颗粒与对应的连续元节点进行力与位移数据的传递，二者同步力与位移状态；

(2-2)设置边界条件，即约束耦合颗粒在y和z方向的平动和转动以及在x方向的转动，完成耦合区域建模，模型如图5所示。本发明耦合区域局部示意如图7所示。

(3)利用FLAC3D软件命令建立钢桥面板三维模型，对钢桥面板三维模型合理划分网格并设置边界条件，在FLAC3D软件中建立钢桥面板三维连续模型。步骤如下：

(3-1)利用FLAC3D软件中gen zone brick命令，在与沥青铺装层对应的位置即沥青铺装层的正下方建立模型；所述模型尺寸为100mm×100mm×10mm；设置钢板的材料参数，所述材料参数包括：钢板弹性模量、密度、泊松比；

(3-2)为了提高计算精度，对钢桥面板三维模型合理划分网格，使网格节点即连续元节点与耦合区域的颗粒实现一一对应；设置边界条件，即约束钢桥面板模型在y和z方向的变形，以及x＝0平面上所有连续元节点在x方向上的变形；完成钢桥面板三维连续模型建模，如图6所示。

(4)将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型。

所述将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，即将PFC3D与FLAC3D软件耦合，是通过数据在Socket I/O通信接口中的传递来实现，方法如下：

(4-1)设定耦合计算的计算时间T，时间步长t_s，初始化当前计算时间t＝0；

(4-2)PFC3D计算一个时步，得到与连续元节点对应的耦合颗粒受到的力，并将其存储在Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-3)FLAC3D读取Socket I/O中PFC3D存储的力，将其施加到连续元节点上，计算一个时步，得到连续元节点的位移，将位移转化为速度后存储到Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-4)PFC3D读取Socket I/O中FLAC3D存储的速度，并将其施加到与连续元节点对应的耦合颗粒上；判断当前计算时间t是否达到设定的计算时间T，若达到所设定的计算时间，完成沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型之间的数据交换，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型；否则，返回步骤(4-2)。

(5)对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；在PFC3D软件中绘制剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；在FLAC3D软件中绘制钢桥面板的应力云图与位移云图。加载剪切的步骤如下：

(5-1)打开PFC3D与FLAC3D软件的数据交互窗口，对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；加载剪切的方法为：在PFC3D中赋予加载墙体一定的速度，使其沿着x轴负方向对铺装层施加剪切荷载，同时建立约束墙体以固定铺装层侧面的位移，加载速度取60mm/min；

(5-2)通过PFC3D中history命令监测、记录铺装层层间剪切应力、剪切位移、裂缝数量信息；PFC3D软件加载剪切计算完成后，在PFC3D显示窗口显示剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；剪切位移曲线对应钢桥面板与沥青铺装层层间剪切力，裂缝是指沥青铺装层裂缝。

(6)采用控制变量法，依次改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数以及钢桥面板的材料参数，并重复步骤(5)，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析，得到钢桥面铺装层间剪切破坏规律；直至沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效，结束剪切试验的模拟，得到最终的剪切位移曲线以及裂缝数量随时间变化曲线。

步骤(6)所述控制变量法是指，每次改变一个参数，并保持其他参数不变，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析；其中，在PFC3D软件中，改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数；所述细观参数包括：粗集料模量、层间粘结强度、Burgers模型参数；在FLAC3D软件中，改变钢桥面板的材料参数；所述材料参数包括：钢桥面板的弹性模量、密度、泊松比。

步骤(6)所述沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效是指，剪切位移曲线中剪应力为0，并且剪应力不随位移发生变化，同时钢桥面板在层间x方向的应力为0。

本发明可用于钢桥面铺装复合结构的设计与研究。

本发明所得抗剪强度值与室内试验所得值吻合较好，数值模拟所得数据可用于指导钢桥面铺装复合结构的设计。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

(1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，在PFC3D软件中建立具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型；

(2)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒并设置边界条件，在PFC3D软件中进行耦合区域建模；

(3)利用FLAC3D软件命令建立钢桥面板三维模型，对钢桥面板三维模型合理划分网格并设置边界条件，在FLAC3D软件中建立钢桥面板三维连续模型；

(4)将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型；

(5)对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；在PFC3D软件中绘制剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；在FLAC3D软件中绘制钢桥面板的应力云图与位移云图；

(6)采用控制变量法，依次改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数以及钢桥面板的材料参数，并重复步骤(5)，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析，得到钢桥面铺装层间剪切破坏规律；直至沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效，结束剪切试验的模拟，得到最终的剪切位移曲线以及裂缝数量随时间变化曲线。

2.根据权利要求1所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(1)所述沥青铺装层三维离散元模型的建立方法如下：

(1-1)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，利用PFC3D软件命令以及FISH语言算法，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型；

(1-2)在步骤(1-1)所得模型基础上确定模型空隙单元，利用PFC3D软件命令对沥青铺装层材料进行参数赋值，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型，并确定模型中的接触本构关系。

3.根据权利要求2所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(1-1)中，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型，步骤如下：

(1-1-1)利用PFC3D软件的wall命令生成沥青铺装层的空间区域，并根据该空间区域的墙体坐标确定沥青铺装层三维模型的尺寸；模型尺寸记为X×Y×Z₁；X表示模型的长；Y表示模型的宽；Z₁表示模型的高；所述墙体是模型的组成部分，作为剪切试验中的约束装置；给墙体施加速度以模拟剪切力；

(1-1-2)根据沥青铺装层中沥青混合料的级配表，确定需要投放的N档粗集料及各档粗集料相应的粒径范围；

(1-1-3)利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数；利用PFC3D的clump命令，将级配球单元投入沥青铺装层模型区域中；

(1-1-4)利用PFC3D的ball命令在已生成级配球单元的沥青铺装层模型区域内，投入规则排列的半径为r的小球单元；

(1-1-5)通过FISH语言编写判断算法，判断投入的规则的小球单元的球心是否在粗集料级配球单元内部；若小球单元的球心在粗集料级配球单元内部，则将该小球单元作为新的粗集料级配球单元，否则视为沥青砂浆球单元；

(1-1-6)判断完成后，得到具有级配特征的不考虑空隙的沥青铺装层三维离散元模型。

4.根据权利要求3所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(1-1-3)所述利用FISH语言编写算法，确定代表各档粗集料的级配球单元个数，算法如下：

S1：设第j档粗集料级配球单元的球心坐标为(x,y,z)，半径为R，体积为V，密度为ρ，质量为m，j＝1,2,...,N，则在沥青铺装层模型区域内生成的该档粗集料的级配球单元的球心坐标和半径分别为：

x＝urand*q/10

y＝urand*q/10

z＝urand*Z₁/1000

R＝(s/100-q/100)*urand+q/100

式中，urand为(0,1)中的随机数；q为j档粗集料粒径下限，s为j档粗集料粒径上限，Z₁为沥青铺装层厚度，q、s、Z₁单位为mm；

S2：计算该档粗集料的单个级配球单元的体积为：

S3：计算投放n个该档集料级配球单元的总体积为：

式中，V_sum为n个级配球单元的总体积；R_i为第i个级配球单元的半径；

S4：计算投放n个该档粗集料级配球单元的总质量为：

m_sum＝ρV_sum

式中，m_sum为n个级配球单元的总质量；

S5：若m_sum＜m_p，则令n＝n+1，继续投放级配球单元，返回执行步骤S1；若m_sum≥m_p，则停止投放级配球单元，当前n值即为该档粗集料的级配球单元个数；其中m_p为该档粗集料的质量；

S6：根据步骤S1～S5，分别确定N档粗集料的级配球单元个数；

步骤(1-1-5)中，通过FISH语言编写判断算法，判断投入的规则的小球单元的球心是否在粗集料级配球单元内部；判断算法如下：

设规则小球单元的半径为r，球心坐标为(x₁,y₁,z₁)，级配球单元的半径为R，球心坐标为(x₂,y₂,z₂)，则规则小球单元与级配球单元的球心距d为：

若d＜R，则该小球单元的球心在粗集料级配球单元内部，否则，该小球单元的球心不在粗集料级配球单元内部。

5.根据权利要求3所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(1-2)中，得到具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型，并确定模型中的接触本构关系，方法如下：

(1-2-1)利用PFC3D软件的prop命令对沥青铺装层材料进行参数赋值；所述参数包括：沥青砂浆Burgers模型参数、粗集料模量、层间粘结强度；

(1-2-2)在步骤(1-1)所得的沥青铺装层三维离散元模型中，随机选择M个沥青砂浆球单元作为空隙单元，将空隙单元力学参数赋值为零，形成具有级配特征与一定空隙率的沥青铺装层三维离散元模型；

(1-2-3)对细观颗粒间的接触赋予接触本构关系，即细观颗粒间力与变形的关系；所述细观颗粒指的是沥青砂浆球单元、粗集料球单元；通过PFC3D软件的接触本构模型，确定沥青铺装层三维离散元模型中颗粒间的接触本构关系。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(2)所述耦合区域建模，方法如下：

(2-1)在完成沥青铺装层三维离散元建模后，在铺装层底部加铺一层耦合颗粒；这层耦合颗粒即表示耦合区域，耦合区域将铺装层离散元区域和钢桥面板连续元区域对应起来，即一个耦合颗粒对应一个连续元节点，耦合颗粒与对应的连续元节点进行力与位移数据的传递，二者同步力与位移状态；

(2-2)设置边界条件，即约束耦合颗粒在y和z方向的平动和转动以及在x方向的转动，完成耦合区域建模。

7.根据权利要求1-5任一所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(3)所述在FLAC3D软件建立钢桥面板三维连续模型，方法如下：

(3-1)利用FLAC3D软件中gen zone brick命令，在与沥青铺装层对应的位置即沥青铺装层的正下方建立钢桥面板三维模型；所述模型尺寸为X×Y×Z₂，X表示模型的长，Y表示模型的宽，Z₂表示模型的高；设置钢板的材料参数，所述材料参数包括：钢板弹性模量、密度、泊松比；

(3-2)对钢桥面板三维模型合理划分网格，使网格节点即连续元节点与耦合区域的颗粒实现一一对应；设置边界条件，即约束钢桥面板模型在y和z方向的变形，以及x＝0平面上所有连续元节点在x方向上的变形；完成钢桥面板三维连续模型建模。

8.根据权利要求1-5任一所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(4)所述将沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型耦合，即将PFC3D与FLAC3D软件耦合，是通过数据在Socket I/O通信接口中的传递来实现，方法如下：

(4-1)设定耦合计算的计算时间T，时间步长t_s，初始化当前计算时间t＝0；

(4-2)PFC3D计算一个时步，得到与连续元节点对应的耦合颗粒受到的力，并将其存储在Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-3)FLAC3D读取Socket I/O中PFC3D存储的力，将其施加到连续元节点上，计算一个时步，得到连续元节点的位移，将位移转化为速度后存储到Socket I/O中，更新当前计算时间为t＝t+t_s；

(4-4)PFC3D读取Socket I/O中FLAC3D存储的速度，并将其施加到与连续元节点对应的耦合颗粒上；判断当前计算时间t是否达到设定的计算时间T，若达到所设定的计算时间，完成沥青铺装层三维离散元模型与钢桥面板三维连续模型之间的数据交换，得到钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续模型；否则，返回步骤(4-2)。

9.根据权利要求1-5任一所述的一种基于离散-连续耦合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(5)中加载剪切的步骤如下：

(5-1)打开PFC3D与FLAC3D软件的数据交互窗口，对钢桥面铺装复合结构试件三维离散-连续耦合模型进行加载剪切；加载剪切的方法为：在PFC3D中赋予加载墙体一定的速度，使其沿着x轴负方向对铺装层施加剪切荷载，同时建立约束墙体以固定铺装层侧面的位移；

(5-2)通过PFC3D中history命令监测、记录铺装层层间剪切应力、剪切位移、裂缝数量信息；PFC3D软件加载剪切计算完成后，在PFC3D显示窗口显示剪切位移曲线、裂缝数量随时间变化曲线；剪切位移曲线对应钢桥面板与沥青铺装层层间剪切力，裂缝是指沥青铺装层裂缝。

10.根据权利要求1-5任一所述的一种基于离散-连续耦合的钢桥面铺装层间剪切试验模拟方法，其特征在于：步骤(6)所述控制变量法是指，每次改变一个参数，并保持其他参数不变，进行钢桥面铺装层间剪切影响因素分析；其中，在PFC3D软件中，改变沥青铺装层三维离散元模型的细观参数；所述细观参数包括：粗集料模量、层间粘结强度、Burgers模型参数；在FLAC3D软件中，改变钢桥面板的材料参数；所述材料参数包括：钢桥面板的弹性模量、密度、泊松比；步骤(6)所述沥青铺装层与钢桥面板的层间粘结完全失效是指，剪切位移曲线中剪应力为0，并且剪应力不随位移发生变化，同时钢桥面板在层间x方向的应力为0。