鋼床鈑鋪面有限元素破壞分析及較適載重位置探討

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鄭家瑋(Chia-wei Cheng) 查詢紙本館藏

畢業系所

土木工程學系

論文名稱

鋼床鈑鋪面有限元素破壞分析及較適載重位置探討

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摘要(中)

台灣地區近年來興建橋梁採用鋼橋日益增加，鋼橋常位於交通要道上，對於頻繁的交通所帶來之衝擊，橋面上鋼床鈑之鋪面必須相應地提供優良的效能，以延長鋪面之使用年限。然而，鋼床鈑鋪面目前在國內鮮少以力學理論對於其破壞行為之研究，因此本研究以此為出發點，以力學理論為基礎，利用有限元素程式ABAQUS軟體，在考慮高軸重高胎壓之重車載重下，進行不同載重位置搭配不同鋼床鈑鋪面材料組合之力學分析，以瞭解鋼床鈑鋪面破壞之原因並探討較適載重位置；接著進一步以力學-經驗準則進行鋼床鈑鋪面破壞程度之評估，藉此找出鋼床鈑鋪面可能之破壞模式以及破壞位置。
研究結果顯示，鋼床鈑鋪面單層與雙層不同載重位置造成之變化趨勢大致相同；當載重於鋼床鈑鋪面沿肋梁上方行進時，不論是單層或雙層皆可能造成最大之主應變值，其發生位置於胎印中心正下方；不論從張應變或壓應變角度來看，或者以不同載重位置造成之力學行為變化趨勢來看，對於材料配置原則本研究建議以鋼床鈑鋪面材料勁度較大者置於底層，次大者置於面層，為較佳材料配置原則。此外，比較雙軸雙輪與單軸雙輪之分析結果後，可發現雙軸雙輪其前後軸並不像傳統公路鋪面會互相影響應變場之大小，因此載重軸型之不同對於鋼床鈑鋪面結構影響不大；計算結果顯示鋼床鈑鋪面破壞模式大致上是由上至下之縱向開裂最先發生，即車轍相對於疲勞裂縫較晚發生，因此鋼床鈑鋪面破壞模式應是由疲勞裂縫控制。

摘要(英)

In recent years the construction of the steel bridges are getting more popular in Taiwan. The steel bridges are usually located on traffic artery. Hence, the pavement of the steel deck on the bridge must provide excellent efficiency to extend the service life of pavement for the traffic impact. This study utilized finite element method to analyze the mechanical response under the different load positions and various flexible pavement material combinations which heavy vehicle load with high axle load and high tire pressure were considered. And this study also used the Mechanics-Empirical guide to evaluate the extent of damage about the steel deck pavement and to identify failure mode and failure location.
The results show that, for the steel deck, both one-course pavement and two-course pavement exhibit approximately the same trend under different load position. When the vehicle load moves along the rib on steel deck pavement, either one-course or two-course causes the maximum principal strain under the center of tire trace. The traditional pavement material configuration is not suitable for use in the steel deck pavement indeed, thus this study suggested that the pavement material which has greater stiffness should be placed in the bottom, and lower one should be placed in the top. When dual-tandem wheels are applied on the traditional pavement, the mechanical behavior for the front and rear axles significantly interact with each other. However, when dual-tandem wheels are applied on the steel deck pavement, the results show that, the mechanical behavior for the front and rear axles does not influence with each other. The failure mode of the steel deck pavement, according to the numerical results is observed to be the top-down fatigue cracking.

關鍵字(中)

★ 力學-經驗準則
★ 有限元素法
★ 鋼床鈑鋪面

關鍵字(英)

★ Mechanics-Empirical guide
★ Finite element method
★ Steel deck pavement

論文目次

目錄
論文電子檔授權書 #
論文指導教授推薦書 #
論文口試委員審定書 #
摘要 i
ABSTRACT ii
致謝 iii
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xi
符號說明 xiii
第一章緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 2
1.3 研究方法與流程 3
第二章文獻回顧 5
2.1 傳統鋪面種類 5
2.1.1 柔性鋪面種類 6
2.1.2 柔性鋪面破壞原因及型態 6
2.2 鋼床鈑鋪面結構單元組成與幾何材料特性 9
2.2.1 鋼床鈑鋪面之結構單元組成 9
2.2.2 鋼床鈑鋪面各層之功能 12
2.2.3 鋼床鈑鋪面之材料 14
2.2.4 鋼床鈑鋪面材料之厚度 15
2.3 鋪面力學分析方法之背景 16
2.3.1 Boussinesq力學彈性理論 17
2.3.2 鋪面分析設計程式KENLAYER 18
2.4 有限元素法於柔性鋪面結構之應用 19
2.4.1 有限元素程式ABAQUS 20
2.4.2 鋪面幾何模擬 21
2.4.3 邊界條件 22
2.4.4 車輪荷重 22
2.4.5 瀝青混凝土回彈模數 22
2.5 早期柔性鋪面破壞之預測模式 24
2.5.1 車轍破壞之預測模式 25
2.5.2 疲勞破壞之預測模式 26
2.6 AASHTO柔性鋪面設計方法 28
2.6.1 AASHTO研究發展背景 28
2.6.2 AASHTO 2008新設計準則理念 29
2.6.3 AASHTO 2008柔性鋪面車轍破壞之預測模式 30
2.6.4 AASHTO 2008柔性鋪面疲勞破壞之預測模式 32
第三章鋼床鈑鋪面結構有限元素模型之建立 35
3.1 鋼床鈑鋪面模型材料性質 35
3.2 鋼床鈑鋪面模型車輪載重 38
3.3 鋼床鈑鋪面模型幾何模擬 45
3.4 鋼床鈑鋪面模型邊界條件 48
3.5 鋼床鈑鋪面破壞分析判斷準則 49
第四章鋼床鈑鋪面破壞分析及較適載重位置探討 51
4.1 有限元素模型網格收斂及模型驗證 51
4.1.1 有限元素模型網格收斂 51
4.1.2 有限元素模型驗證 54
4.1.3 本文分析參數組合之介紹 56
4.2 單層鋪面雙軸雙輪載重位置影響 57
4.3 雙層鋪面雙軸雙輪載重位置影響與材料配置原則探討 68
4.3.1 雙層鋪面雙軸雙輪載重位置影響 68
4.3.2 雙層鋪面材料配置原則探討 74
4.4 鋼床鈑鋪面單軸雙輪載重位置影響 79
4.5 鋼床鈑雙層鋪面MAC+GUSS材料載重位置影響 88
4.6 鋼床鈑單層鋪面GUSS材料載重位置影響 94
4.7 鋼床鈑鋪面各種材料組合綜合比較 99
4.8 小結 101
第五章鋼床鈑鋪面實例與分析結果比較 103
5.1 鋼床鈑鋪面破壞模式分析 103
5.2 鋼床鈑鋪面結構實例 109
5.2.1 客家大橋 109
5.2.2 新東大橋 111
5.3 鋼床鈑鋪面有限元素模型分析與實例之比較 114
5.4 小結 119
第六章結論與建議 121
6.1 結論 121
6.2 建議 123
參考文獻 124
附錄瀝青混凝土材料性質比較 129

參考文獻

參考文獻
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指導教授

張瑞宏

審核日期

2012-7-23

推文