傳統(tǒng)混凝土路面破損程度對車輛動荷載的影響

朱 俊

(寧夏鐵發(fā)人力資源服務(wù)有限公司，寧夏銀川 750003)

我國道路交通網(wǎng)絡(luò)越來越廣泛，但是隨之而來的是道路病害范圍和程度也越來越廣，混凝土路面常見的病害類型有錯臺和凹坑等[1-2]，這對車輛的行車安全和舒適性都將產(chǎn)生不利的影響，加之車輛的增加和超載車輛的違規(guī)行駛，導(dǎo)致上述路面病害的加劇發(fā)生，嚴(yán)重降低路面的使用壽命。

在以往車輛動力荷載與路面系統(tǒng)之間關(guān)系研究中，眾多學(xué)者以瀝青路面為研究對象，從不同方向進行了研究，伊學(xué)智[3]從線性和非線性2個角度考慮車輛是否超載對瀝青路面的彎沉幅度的影響，得出了車輛荷載與彎沉幅度成冪指數(shù)函數(shù)關(guān)系的結(jié)論；有學(xué)者[4-6]通過數(shù)值模擬軟件，以實際工程為背景建立三維模型，研究了路面結(jié)構(gòu)、路面材料以及車輛荷載等級與路面不同層級的動力響應(yīng)關(guān)系。還有學(xué)者以混凝土路面為研究對象，以數(shù)值模擬和數(shù)據(jù)統(tǒng)計等研究手段，研究了路面結(jié)構(gòu)和荷載作用形式對路面動力響應(yīng)的影響[7-9]。還有部分學(xué)者研究了動荷載作用下路面的壽命預(yù)測[10-11]。

雖然目前瀝青混凝土的應(yīng)用范圍越來越廣，但是混凝土還是具有強度高和抗腐蝕性能強等諸多優(yōu)點，在部分工程中仍然在使用。本文以錯臺模型模擬道路破損，通過ADAMS數(shù)值模擬軟件建立車輛動力學(xué)模型，研究混凝土路面的破損程度對于車輛動荷載的影響，對于行車安全性和舒適性具有重要的理論意義。

1 模型建立及分析

1.1 模型建立

四自由度的車輛在不平整的道路上行駛時，其振動模型能更好地反映前后輪的振動情況，因此，本文的研究對象是福田歐馬可S5雙軸車。根據(jù)相關(guān)定義，混凝土路面的銜接縫出現(xiàn)大于5mm的路面差即可定義為錯臺，示意圖如圖1所示。

圖1 路面錯臺示意

1.2 錯臺對動荷載的分析

重型車輛在水泥路面上行駛時，其動荷載變化趨勢一般以穩(wěn)態(tài)均值為基準(zhǔn)隨機波動，主要變化參數(shù)是幅度和頻率。以動荷載系數(shù)為研究指標(biāo)，函數(shù)關(guān)系式為式(1)。

(1)

式中：PD為輪胎振動時相對路面的動荷載，kN；Pd為輪胎靜止時相對路面的靜荷載，kN。

當(dāng)路面不平整，即存在錯臺時，車輛前后輪經(jīng)過錯臺存在時間差，且軸距不同，時間差也存在差距，經(jīng)過相關(guān)推導(dǎo)，得到前后車輪動荷載系數(shù)為：

(2)

(3)

式中：Dq為前車輪動荷載系數(shù)，Dh為后車輪動荷載系數(shù)，Pad和Pbd分別為前后輪相對地面的靜荷載(kN)；P1和P2分別為前后輪相對地面的動荷載(kN)；m1、m2和m3分別為車輛、前輪和后輪重量(kg)；a和b分別為前后輪距離軸心的距離(mm)；d為軸距(mm)；g為重力加速度。

2 錯臺對車輛動荷載影響分析

2.1 不同錯臺高度對前后輪動荷載影響

由于研究的車輛前輪為單輪胎結(jié)構(gòu)，后輪為雙輪胎結(jié)構(gòu)，因此需要對前后輪進行在不同錯臺高度下行駛時的動荷載研究，規(guī)定車輛為滿載狀態(tài)，車速設(shè)計為60km/h，錯臺高度以5mm為一個等級，一共設(shè)置6個不同高度的錯臺，仿真時間設(shè)置為10s，步長設(shè)置為800步，通過仿真得到的動荷載數(shù)據(jù)，可以得出不同錯臺高度與前后輪動荷載系數(shù)之間的關(guān)系，如圖2所示。

從圖2中可以看出，隨著錯臺高度的增加，前后輪的動荷載系數(shù)變化趨勢相似，即均是表現(xiàn)為不斷增長的趨勢，當(dāng)錯臺高度從5mm增長到30mm時，前輪的動荷載系數(shù)從1.35增長至2.34，后輪的動荷載系數(shù)從1.20增長至1.98；在相同的錯臺高度情況下，前輪的動荷載系數(shù)均比后輪要高，這是因為即使貨物的主要承載結(jié)構(gòu)在車輛后部，但是后輪采用了雙輪胎的結(jié)構(gòu)，且后橋的承載能力遠遠高于前橋，因此能有效地減輕錯臺高度對車輛產(chǎn)生的振動影響。

從圖2中還可以看出，當(dāng)錯臺高度達到30mm時，汽車前輪的動荷載系數(shù)高達2.34，此時錯臺已經(jīng)嚴(yán)重影響到了車輛的行駛過程中的安全及舒適性。同時由于力的相互作用效果，車輛所受的動荷載會反作用在路面上，從而使得路面受到較大的沖擊力，間接地加劇了路面的破損程度和速度。

2.2 不同錯臺高度及車速對車輛動荷載影響

同理，通過仿真得到的動荷載數(shù)據(jù)，可以得出不同錯臺高度及車速與車輛動荷載系數(shù)之間的關(guān)系，如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)錯臺高度不變時，車輛的動荷載系數(shù)會隨著行駛速度增加，且當(dāng)錯臺高度不大于10mm時，隨著車速增加，但是車輛動荷載系數(shù)增大的幅度較小，說明錯臺較小時對車輛的行駛安全性和舒適性影響較小。

圖3 車輛動荷載系數(shù)與錯臺高度及車速關(guān)系曲線

從圖3中還可以看出，當(dāng)錯臺高度為10～20mm區(qū)間時，隨著汽車行駛速度的提高，汽車動荷載系數(shù)的變化最大；當(dāng)錯臺高度為25mm和30mm時，車輛的行駛速度達到100km/h，車輛的動荷載系數(shù)分別為2.63和2.65，相差極小，說明當(dāng)錯臺的高度增加至一定量時，在一定的車速下，車輛的動荷載系數(shù)變化不太明顯。

2.3 不同錯臺高度及載重對車輛動荷載影響

同理，通過仿真得到的動荷載數(shù)據(jù)，可以得出不同錯臺高度及載重與車輛動荷載系數(shù)之間的關(guān)系，如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)錯臺高度一定時，車輛的動荷載系數(shù)隨著車輛的載重增加而減小，且當(dāng)錯臺高度小于等于10mm時，載重的增加導(dǎo)致車輛動荷載系數(shù)減小的幅度較小，說明錯臺較小時對車輛的行駛安全性和舒適性影響較小。從圖中還可以看出，當(dāng)車輛的載重超過200kN時，即屬于超載狀態(tài)下，車輛的動荷載系數(shù)有顯著降低的趨勢。

圖4 車輛動荷載系數(shù)與錯臺高度及載重關(guān)系曲線

從圖4中還可以看出，當(dāng)錯臺高度為10～30mm區(qū)間時，隨著車輛載重的增加，車輛的動荷載系數(shù)變化幅度有明顯的增大趨勢；當(dāng)錯臺高度為30mm時，車輛的載重從80kN增大到250kN時，車輛的動荷載系數(shù)分別為2.55和1.98。且在載重不變的情況下，隨著錯臺高度的增加，車輛的動荷載系數(shù)顯著增加。

3 結(jié)論

本文以錯臺模型模擬道路破損，通過ADAMS數(shù)值模擬軟件建立車輛動力學(xué)模型，研究了錯臺路面與重載車輛動荷載系數(shù)的關(guān)系，得到結(jié)論：

(1)車輛動荷載系數(shù)與錯臺高度基本呈線性增長關(guān)系。當(dāng)錯臺高度達到30mm時，動荷載最大系數(shù)高達2.34，嚴(yán)重影響車輛行駛安全性和舒適性，同時力的相互作用導(dǎo)致路面錯臺的破損程度。

(2)錯臺高度一定時，車輛動荷載系數(shù)與車速成正比；當(dāng)錯臺達到一定值時，車速對車輛動荷載系數(shù)影響較小，錯臺高度成車輛動荷載系數(shù)主要影響因素。

(3)錯臺高度一定時，車輛動荷載系數(shù)與載重成反比，且在車輛超載時，動荷載系數(shù)有顯著降低的趨勢。