貨車對(duì)不平整路面的動(dòng)荷載分析

魏連雨，楊政龍，李思倩

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401)

隨著中大型貨車比例的不斷增加，且車輛超載現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，由路面不平度所引起的不同速度下的動(dòng)態(tài)荷載成為了道路使用性能和壽命所必須考慮的因素之一。筆者采用多層彈性路面結(jié)構(gòu)，采用有限元法對(duì)車輛動(dòng)荷載及路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了模擬研究[1]。

1 動(dòng)荷載試驗(yàn)介紹

本次試驗(yàn)在G307公路滄州崔爾莊段進(jìn)行，動(dòng)荷載稱重儀器采用SM2000C動(dòng)態(tài)稱重儀，該儀器主要由道路稱板和內(nèi)部采集輸出設(shè)備兩部分組成。

試驗(yàn)車選用的是同型號(hào)三軸貨車在滿載(30 t)和超載(42 t)狀態(tài)下不同車速的動(dòng)荷載情況，每次試驗(yàn)車運(yùn)行都是在單車道均勻車速通過動(dòng)態(tài)稱重儀稱板，且在試驗(yàn)前已經(jīng)通過試驗(yàn)車對(duì)動(dòng)態(tài)稱重儀進(jìn)行了標(biāo)定設(shè)置，數(shù)據(jù)為實(shí)際車輛對(duì)路面的荷載作用值，采集的具體試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1。

表1 動(dòng)荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 動(dòng)荷載有限元模擬

2.1 荷載模型及參數(shù)

采用連續(xù)的半波正弦曲線作為動(dòng)力加載函數(shù)來模擬實(shí)際汽車荷載，其表達(dá)式為[2-6]：

P(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中：P0為車輛靜載，取車輛單邊輪載，kN；P為振動(dòng)荷載幅值，P=M0μω2[M0為車輛模型簧下質(zhì)量，ω為振動(dòng)圓頻率，ω=2πv/L，v為車速，L為路面幾何曲線波長(zhǎng)；μ為路面幾何不平順失高(按國(guó)際高速公路平整度指數(shù)取值)]。

滿載30 t(超載42 t)三軸貨車其具體荷載計(jì)算參數(shù)如表2。

表2 荷載計(jì)算參數(shù)

2.2 有限元模型參數(shù)

基于彈性層狀體系理論，對(duì)滄州市典型省道路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，路面結(jié)構(gòu)和相應(yīng)材料參數(shù)如表3。

表3 路面結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

2.3 模型的建立

經(jīng)過多次調(diào)試比較后，在保證計(jì)算精度的基礎(chǔ)上，確定了三維模型的大小尺寸分別為長(zhǎng)(Z方向)8 m、寬(X方向)8 m、高(Y方向)5 m[7]；車速取現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)車所測(cè)實(shí)際車輛速度；單側(cè)雙輪輪胎當(dāng)量接觸[8]為0.24 m2，輪胎接地壓力[9]為0.7 MPa；平整度為現(xiàn)場(chǎng)所測(cè)實(shí)際道路平整度值15 mm/3 m，具體路面有限元結(jié)構(gòu)模型如圖3。

圖3 路面結(jié)構(gòu)模型Fig.3 Pavement structure model

平整度按照國(guó)際平整度指數(shù)IRI來表示，根據(jù)道路表面形狀和缺陷(凹陷、搓板和坑槽)，行駛感覺(可感受到的起伏不平和劇烈運(yùn)動(dòng))和行駛速度(在干燥和直路上無交通擁擠狀況下通?？尚旭偟乃俣?對(duì)路面做出了相應(yīng)的平整度等級(jí)如表4。

表4 平整度等級(jí)

3 模擬結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)車模擬結(jié)果及分析

通過對(duì)30 t和42 t試驗(yàn)車與路面力學(xué)響應(yīng)模擬得到相應(yīng)的路面正壓力值，并換算成車輛動(dòng)荷載值與SM2000C動(dòng)態(tài)稱重儀所測(cè)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配分析。圖4(a)為30 t試驗(yàn)車模擬動(dòng)荷載與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)匹配；圖4(b)為42 t試驗(yàn)車模擬動(dòng)荷載與實(shí)際檢測(cè)數(shù)據(jù)匹配。

圖4 試驗(yàn)車動(dòng)荷載Fig.4 Dynamic load of testing car

由圖4可知，模擬與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本吻合，文中有限元模型可以很準(zhǔn)確的模擬實(shí)際貨車行駛時(shí)對(duì)道路的動(dòng)荷載情況。對(duì)于不同車速下動(dòng)荷載的變化情況，30 t試驗(yàn)車動(dòng)荷載在20 km/h之前是隨著車速增大而增長(zhǎng)的，在其之后隨著速度增大動(dòng)荷載基本保持一定范圍內(nèi)的速率降低的趨勢(shì)，動(dòng)荷載總共降低了約24.8%；42 t超載試驗(yàn)車在27 km/h之前和36 km/h之后動(dòng)荷載經(jīng)歷了多次增減起伏，表現(xiàn)較為不穩(wěn)定，但動(dòng)荷載在整體上是隨著速度增大而起伏減小的，動(dòng)荷載總共降低了約7%。由此可以看到，超載車對(duì)路面的動(dòng)荷載隨著速度的變化比滿載車要不穩(wěn)定的多，且降低的比例要小，必然對(duì)路面造成的破壞作用要大。

3.2 平整度影響模擬分析

對(duì)試驗(yàn)道路固定平整度(15 mm/3 m)下的模擬分析，現(xiàn)按照前面介紹的平整度等級(jí)不斷改變道路的平整度，分析42 t超載試驗(yàn)車在不同平整度情況道路上行駛時(shí)的動(dòng)荷載變化情況，具體動(dòng)荷載隨著平整度等級(jí)的變化如圖5。

圖5 平整度影響下動(dòng)荷載變化情況Fig.5 Dynamic load changes under the influence of flatness

由圖6可以得到各平整度等級(jí)下的動(dòng)荷載變化情況有明顯不同。各個(gè)平整度下動(dòng)荷載隨著速度的增大都還保持著原有的增減起伏特點(diǎn)，但當(dāng)平整度大于40 mm以后，當(dāng)速度增大到36 km/h之后，動(dòng)荷載從原來的降低趨勢(shì)變?yōu)榱嗽鲩L(zhǎng)，且隨著平整度的增長(zhǎng)，其動(dòng)荷載增長(zhǎng)趨勢(shì)越來越大，以至于其值開始高于較低速度時(shí)的峰值。由此可以看到平整度對(duì)于貨車對(duì)道路的動(dòng)荷載變化作用效果很大，平整度越好的道路同樣車況下對(duì)道路的破壞作用較小，隨著平整度的變差，對(duì)路面的破壞也就慢慢變大，由原來的速度越大荷載作用越小變?yōu)樗俣仍酱蠛奢d作用越大的情況，所以保持道路平整度平順是很有必要的。

4 結(jié) 論

1)采用的動(dòng)力曲線函數(shù)和路面有限元模型可以很好的模擬實(shí)際貨車對(duì)路面的動(dòng)荷載作用情況。對(duì)于同一路面平整度下，滿載車隨著速度的增大處于勻勢(shì)的下降；而超載車隨著速度的增大不斷的出現(xiàn)增減起伏的不穩(wěn)定趨勢(shì)，這就造成較未超載車在較高速度時(shí)產(chǎn)生相對(duì)更大的動(dòng)荷載作用，對(duì)路面產(chǎn)生更大的破壞。所以嚴(yán)格控制車輛超載對(duì)于保護(hù)路面壽命是很有必要的。

2)對(duì)于超載車在不同平整度等級(jí)道路下的動(dòng)荷載變化可以看到隨著平整度的變差，貨車動(dòng)荷載起初隨著速度的增大變化趨勢(shì)基本一致，但當(dāng)增大到36 km/h之后隨著速度增大，平整度差的道路所產(chǎn)生的動(dòng)荷載開始變?yōu)橹饕目焖俚脑龃筅厔?shì)，以反較好平整度下動(dòng)荷載為整體下降的趨勢(shì)，而變?yōu)殡S車速增大不斷增長(zhǎng)的情況。因此，道路的平整程度對(duì)于車輛對(duì)路面動(dòng)荷載作用大小有很大的影響，特別是在高速情況下，不同平整度等級(jí)下差別很大，在道路建設(shè)時(shí)應(yīng)更加重視路面平整程度，以延長(zhǎng)道路使用壽命和車輛行駛舒適程度。

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