《Case Studies in Construction Materials》：Thermo-mechanical coupling effects and fatigue life of precast concrete pavement
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【编辑推荐】为揭示预制混凝土路面（PCP）在温度-车辆荷载耦合作用下的疲劳失效机制，本研究通过ABAQUS有限元模拟、理论分析和现场试验相结合的系统方法，对比了实心板与空心板在热力耦合条件下的应力响应。研究发现：空心板顶部应力分布更均匀但耦合应力更高；正温度梯度下疲劳损伤加剧（实心板损伤增幅达8.86×1011倍），耦合算法比叠加法更可靠；基层类型对空心板影响显著（水泥稳定基层疲劳损伤最高放大4903倍）。研究成果为预制路面结构优化与耐久性设计提供了重要理论依据。
随着道路交通量的持续增长，传统现浇混凝土路面因施工质量不稳定、周期长易出现早期损坏，难以达到设计使用寿命。预制混凝土路面（PCP）以其工厂化生产、现场快速安装的特点，能有效提升施工质量稳定性并缩短工期，在应急抢险和临时道路工程中展现出巨大应用潜力。然而，PCP系统在实际工程中的应用仍相对有限，存在工程经验不足、长期性能数据缺乏等问题。更关键的是，在长期循环交通荷载和复杂环境温度变化共同作用下，混凝土内部应力应变状态发生改变，疲劳失效机制趋于复杂，而现有研究对热力耦合效应的分析框架尚不完善。
为系统评估PCP在温度-车辆荷载耦合作用下的力学响应与疲劳损伤特性，长安大学研究团队开展了创新性研究。通过ABAQUS建立三维有限元模型，对比分析了实心板与空心板（空心率20%）在正负温度梯度（±90°C/m、±70°C/m、±50°C/m）与车辆荷载耦合作用下的应力分布规律，并采用Miner线性累积损伤理论计算疲劳寿命。研究首次将耦合算法（同步计算温度与荷载效应）与传统叠加法（线性叠加温度应力与荷载应力）进行定量对比，同时考察了不同荷载位置（纵缝边缘中部、板角）和基层类型（水泥稳定基层CSB、级配碎石基层GCSB）的影响，并通过现场试验验证了模型准确性。
关键技术方法主要包括：1）基于ABAQUS构建包含面层、基层、路基的三层路面结构有限元模型，采用隐式求解器计算热力耦合响应；2）运用自定义子程序Dload实现移动车辆荷载的动态模拟（车速10m/s）；3）通过Palmgren-Miner疲劳损伤累积理论计算疲劳寿命，结合修正的全应力水平疲劳方程（lg[S(1-R)/(1-SR)]=lga-blgN）进行评估；4）在贵州贵阳现场测试段进行实心板与空心板的静态（标准轴载、重载20t）和动态加载试验，采集144个测点的应变数据。
研究结果揭示了一系列重要规律：
热力耦合作用下PCP的力学响应分析
温度翘曲应力分析表明，空心板在正温度梯度下顶部应力分布更均匀，但持续热力耦合作用下其弯拉应力更高（最大值达1.570MPa，实心板为0.670MPa）。负温度梯度下，由于自重、基床反力和边界约束的共同作用，应力水平显著降低。耦合应力分析发现，正温度梯度下车辆荷载会放大板底拉应力，而负温度梯度下温度应力会部分抵消荷载应力。空心板空腔周围出现应力不连续现象，标识出结构薄弱区域。
温度梯度对PCP疲劳寿命的影响分析
随着温度梯度从-90°C/m升至90°C/m，实心板应力增加4.24倍，疲劳损伤激增653倍；而耦合算法下应力增幅达8.59倍，损伤变化更高达8.86×1011倍。空心板对应力变化相对不敏感，但正温度梯度下纵缝边缘中部更易损伤，负温度梯度下板角成为关键区域。基层类型影响分析显示，水泥稳定基层在高温环境下疲劳损伤显著（最高达级配碎石基层的4903倍），而级配碎石基层在负温度梯度下表现更优。
车辆荷载位置的影响
荷载作用于纵缝边缘中部时，空心板应力波动幅度比实心板大26%。重载条件下，空心板在级配碎石基层上纵缝边缘与板角的应变差显著减小，表明空腔结构和柔性基层共同促进了应力均匀分布。疲劳损伤分析确认，正温度梯度下空心板纵缝边缘损伤更严重，负温度梯度下板角损伤占主导。
现场测试验证
现场测试数据与模拟结果趋势一致：实心板在水泥稳定基层上的最大压应变为29.274με，空心板为38.971με；级配碎石基层路段应变普遍低于水泥稳定基层。三种荷载工况下，纵缝边缘中部的应变始终大于板角，验证了该位置为最不利荷载部位。
研究结论明确指出，热力耦合效应不可简化为线性叠加，耦合算法能更准确反映路面实际响应。对于冬季寒冷、夜间辐射强的地区，推荐采用实心板+水泥稳定基层（结构1）；干旱强辐射地区可考虑实心板+级配碎石基层（结构2）。空心板虽具有材料节约优势，但需针对具体温度环境进行优化设计。该研究通过多尺度仿真与现场验证相结合的系统方法，填补了预制混凝土路面热力耦合疲劳性能评估的空白，为应急抢险和临时道路工程的耐久性设计提供了重要科学依据。未来研究可进一步纳入非线性疲劳模型和长期监测数据，以完善变幅荷载下的寿命预测精度。
（论文发表于《Case Studies in Construction Materials》）
