公路瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)及車輛舒適度分析

莫楚良

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國公路基礎(chǔ)建設(shè)的高速發(fā)展,瀝青路面被廣泛應(yīng)用于高速公路,車輛行駛速度越來越高,載重越來越大,車輛不合理行駛會對瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)、行車舒適度等產(chǎn)生影響,導(dǎo)致路面變形和破壞,威脅行車安全,造成極大的經(jīng)濟(jì)損失。因此,控制車輛合理行駛是保障行車安全和質(zhì)量的關(guān)鍵。大量學(xué)者對此展開研究,李江等[1]基于ABAQUS軟件,建立瀝青公路數(shù)值模型,分析了車輛不同行駛速度和制動狀態(tài)對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,并通過增強面層及層間接觸面抗剪抗彎強度的方法,減少公路病害的產(chǎn)生。吳金民等[2]基于ADINA軟件,建立非均布移動重載作用下橡膠瀝青公路動力學(xué)模型,研究瀝青道路在重載作用下的動力時空相應(yīng)規(guī)律,驗證了橡膠瀝青路面的優(yōu)勢。趙銳軍[3]采用客觀測量和主觀感覺相結(jié)合的方法探究了振動頻率對高速公路行車舒適度的影響,對于行車舒適度評價具有一定的指導(dǎo)意義。王海濤等[4]提出了廣義舒適度的概念,利用層次分析法確定權(quán)重,構(gòu)建了3個評價維度、11個評價指標(biāo)的綜合評價體系,并通過實際運用案例驗證綜合評價體系的合理性。本文基于ANSYS軟件,建立標(biāo)準(zhǔn)瀝青路面數(shù)值模型,探究公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律,并進(jìn)行車輛舒適度評價。

1 模型的建立

為探究公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律并進(jìn)行不同行車參數(shù)條件下的舒適度分析,參考瀝青路面設(shè)計規(guī)范,選用ANSYS軟件,建立三維標(biāo)準(zhǔn)路面有限元模型,模型全長100 m,2×11.25 m雙向六車道,模型采用分層法建立,路面結(jié)構(gòu)從上到下依次為瀝青路面上層、瀝青路面下層、基層、底基層和土基層,層與層之間存在接觸,設(shè)置4個接觸面。路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)如表1所示?？紤]車輛荷載影響巖深度減弱,網(wǎng)格劃分沿深度由密到稀,沿長度和路寬方向均勻劃分,最終劃分單元數(shù)為162 000個,節(jié)點數(shù)為1 780 000個。路面設(shè)為完全自由邊界,道路縱橫向施加對稱約束,底面采用全部約束,建立瀝青路面有限元模型如圖1所示。

圖1 瀝青路面有限元模型圖

表1 瀝青路面各結(jié)構(gòu)層參數(shù)表

2 瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)

考慮不同行車參數(shù)對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響,主要包括車重、行車速度和制動情況3個方面。

2.1 車重對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響

為研究不同車重的影響,考慮路面等級為B級,車速為36 km/h,5個等級的車重(11.57 t、13.73 t、15.89 t、16.97 t和18.05 t)。如圖2所示為不同車重條件下的路面豎向位移幅值曲線,豎向位移隨車重增加而增加,且增長幅度很大,因此車重對于路面豎向位移具有較大的影響。如圖3所示為不同車重情況下的應(yīng)力幅值曲線,隨著車重增加,4種應(yīng)力幅值均呈現(xiàn)上升趨勢,表明車重越大,路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)就越大。相比之下,其水平剪應(yīng)力遠(yuǎn)低于垂直應(yīng)力和縱向應(yīng)力,且增加幅度較小,但水平剪應(yīng)力易引起公路路面的疲勞破壞,其影響不容忽視。隨著車重增加,路面垂直應(yīng)力增長幅度最大,故道路豎向動力響應(yīng)對軸重十分敏感,軸重對道路穩(wěn)定具有較大的影響,需要針對不同道路采取限重措施。

圖2 不同車重情況下的豎向位移幅值曲線圖

圖3 不同車重情況下的應(yīng)力幅值曲線圖

2.2 車速對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響

為研究不同行車速度的影響,參考高速公路限速要求,選取6種增長梯度為18 km/h的車速(18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h和108 km/h),道路等級為B,車重為15.89 t。因路面縱向應(yīng)力和橫向應(yīng)力變化規(guī)律相似,僅展示橫向應(yīng)力隨車速的變化情況。如圖4所示為不同車速情況下路面的豎向位移幅值曲線,如圖5所示為不同車速情況下路面橫向拉壓應(yīng)力幅值(壓應(yīng)力取正值)曲線。車速對于路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響相對較小,隨行車速度增加,豎向位移幅值和橫向應(yīng)力先增大后減小。其中當(dāng)車速為72 km/h時,豎向位移幅值最大,為0.499 m;土基頂面橫向拉應(yīng)力同樣在車速72 km/h時達(dá)到最大,為0.137 MPa;瀝青層表面橫向壓應(yīng)力在車速為54 km/h時達(dá)到最大,為0.443 MPa。究其原因,車速變快,車輛到點并作用于測點的時間縮短,會降低測點的豎向位移和拉壓應(yīng)力,同時過快的行車速度會產(chǎn)生上浮力,從而減小豎向位移。

圖4 不同車速情況下路面豎向位移幅值曲線圖

圖5 不同車速情況下路面橫向拉壓應(yīng)力幅值曲線圖

2.3 制動情況對路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的影響

為研究不同制動情況的影響,設(shè)置正常行駛、正常制動、緊急制動3種情況,路面設(shè)為雙向六車道,車速為36 km/h,B級道路,車重為15.89 t。不同制動情況不會對路面位移造成明顯的影響,主要考慮不同制動力對路面應(yīng)力的影響。如圖6所示為不同制動情況路面的縱向壓應(yīng)力、縱向拉應(yīng)力、水平剪應(yīng)力、橫向剪應(yīng)力幅值曲線。隨著制動力的增加,各應(yīng)力均呈增加的趨勢。其中,水平剪應(yīng)力增加幅度較大,因此,車輛制動情況的變化會對路面水平方向動力響應(yīng)產(chǎn)生較大影響,水平剪應(yīng)力會造成瀝青面層和土基層之間的滑移破壞,對于經(jīng)常需要進(jìn)行制動路段,考慮提高瀝青路面的抗剪強度。橫向剪應(yīng)力呈現(xiàn)直線增長的趨勢,變化幅度不大,但易引起公路破壞,不能忽略。

圖6 不同制動情況下的路面應(yīng)力幅值曲線圖

3 車輛舒適度分析

3.1 舒適度評價原理

車輛行駛狀態(tài)評價主要包括車輛安全性判斷和人體舒適度評價兩個方面。車輛安全性判斷是舒適度評價的前提,當(dāng)滿足安全性要求后,才能進(jìn)行下一步的舒適度評價,車輛安全性主要是通過車輛側(cè)傾安全系數(shù)來評價。舒適度評價主要采用客觀評價和主觀評價兩種方法,采用ISO2631客觀評價指標(biāo)對行車舒適度進(jìn)行評價和劃分,并通過煩惱率主觀評價指標(biāo)考慮人的主觀因素。

車體側(cè)傾計算模型如圖7所示。車輛側(cè)傾安全系數(shù)可以通過車輛抗側(cè)傾力矩與車輛側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣性力矩之比計算,如式(1)所示。當(dāng)S>1時,車輛處于安全狀態(tài);當(dāng)S=1時,車輛處于臨界不穩(wěn)定狀態(tài);當(dāng)S<1時,車輛發(fā)生側(cè)翻。

圖7 車體側(cè)傾計算模型圖

(1)

(2)

式中:mv——車輛重量;

d——重力力臂;

Mj——車輛側(cè)傾轉(zhuǎn)動慣性力矩,可由式(3)表示。

(3)

ac——車輛離心加速度。

ISO2631客觀評價方法采用加權(quán)加速度均方根值對舒適程度進(jìn)行評價和劃分,共劃分為6個等級,如表2所示,加權(quán)加速度均方根值可采用式(4)進(jìn)行計算。

表2 舒適程度劃分表

(4)

式中:N——總體自由度;

aω——軸向加速度均方根值,通過式(4)或式(5)進(jìn)行計算;

ki——加權(quán)系數(shù),參考ISO2631-1:1997[5]。

時域范圍內(nèi)軸向加速度均方根值如式(5)所示:

(5)

式中:T——振動的總時間;

aωi(t)——加權(quán)加速度時間歷程。

頻域范圍內(nèi)軸向加速度均方根值如式(6)所示:

(6)

式中:G(f)——及速度自功率密度函數(shù)。

煩惱率為感覺煩惱(包括不可接受)人數(shù)占總?cè)藬?shù)的比例,煩惱率曲線計算公式如式(7)所示,采用對數(shù)正態(tài)分布曲線對煩惱率曲線進(jìn)行擬合可以得到不同加速度下的煩惱率值。定義煩惱界限,采用二值邏輯法定義可接受和不接受人數(shù)各占一半,取煩惱界限對應(yīng)的煩惱率為0.5[6]。

(7)

式中:σ2——方差;

u——振動強度;

x——u的期望值。

3.2 車重對舒適度的影響

為研究路面等級的影響,設(shè)置5種車重(11.57 t、13.73 t、15.89 t、16.97 t、18.05 t)、雙向六車道、B級路面、車速為36 km/h,不同車重情況下的安全性計算結(jié)果如表3所示。5種車重情況的車輛側(cè)傾安全系數(shù)均滿足要求,可進(jìn)行接下來的舒適度分析?；谇拔乃鍪孢m度評價原理,采用式(4)計算不同車重情況下的人體的加權(quán)加速度均方根值,然后代入煩惱率公式(7),采用對數(shù)正態(tài)分布曲線對煩惱率曲線進(jìn)行擬合得到不同加速度下的煩惱率值,計算結(jié)果如表3所示。人體加權(quán)加速度均方根和煩惱率隨車重增加而降低,即車重越高,舒適度越高。最高的兩種車重表現(xiàn)為沒有不舒適,另外3個車重均表現(xiàn)出一定程度的不舒適現(xiàn)象,所有車重情況下人體煩惱率均滿足煩惱界限要求。16.97 t和18.05 t車重情況表現(xiàn)為沒有不舒適,并且滿足煩惱率界限評價標(biāo)準(zhǔn),具有一定的舒適度保障,但16.97 t車重情況煩惱率為3.27%,不能完全忽略對舒適度的重視。11.57 t、13.73 t和15.89 t車重情況客觀上表現(xiàn)為一定程度的不舒適,主觀上均滿足煩惱界限評價標(biāo)準(zhǔn)。上述分析表明,隨著車重增大,人體舒適度不斷提高,煩惱率不斷減少,車重能有效提高車輛的舒適程度,但車重增大會引起制動距離加長而導(dǎo)致的追尾安全事故的發(fā)生,需要對行車重量進(jìn)行限制。

表3 不同車重情況下的安全性和舒適度計算結(jié)果表

3.3 車速對舒適度的影響

為研究車速的影響,設(shè)置6種車速(18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h、108 km/h)、雙向六車道、B級路面、車重為15.89 t,進(jìn)行人體舒適度分析。不同車速情況下的車輛安全性和舒適度計算結(jié)果如表4所示。5種車速情況的車輛側(cè)傾安全系數(shù)均滿足要求。人體加權(quán)加速度均方根和煩惱率隨車速增加而增加,客觀上5種車速情況均表現(xiàn)出一定程度的不舒適,車速越高,不舒適程度越高;主觀上煩惱率隨車速不斷增加,在108 km/h的最高車速情況下,不滿足煩惱率界限評價標(biāo)準(zhǔn)。可以看出,ISO2631舒適度客觀評價標(biāo)準(zhǔn)對于舒適度的劃分更加詳細(xì),要求相對較高,而主觀煩惱率界限評價標(biāo)準(zhǔn)相對容易滿足。車速對人體舒適度的影響程度較大,僅次于路面等級對舒適度的影響,因此需要嚴(yán)格控制路面平整性和行車速度來有效提升行車舒適度。

表4 不同車速情況下的安全性和舒適度計算結(jié)果表

3.4 制動力對舒適度的影響

為研究制動力的影響,考慮正常行駛、正常制動和緊急情況3種行車情況,設(shè)置雙向六車道、B級路面、車速為36 km/h、車重為15.89 t,進(jìn)行人體舒適度分析。不同車速情況下的車輛安全性和舒適度計算結(jié)果如表5所示,3種行車情況的車輛側(cè)傾安全系數(shù)均滿足要求。人體加權(quán)加速度均方根和煩惱率隨制動力的增加而增加,制動力越大,舒適度越低。正常行駛和正常制動情況的加權(quán)加速度均方根和煩惱率小于均值,緊急制動情況大于均值,說明制動力對人體舒適度影響明顯,緊急制動會引起一定程度的不適,在行駛過程中需注意行駛要求和規(guī)范,減少緊急制動情況的發(fā)生。

表5 不同制動情況下的安全性和舒適度計算結(jié)果表

4 結(jié)語

本文以某實際工程標(biāo)準(zhǔn)高速公路為例,選用ANSYS軟件,建立標(biāo)準(zhǔn)瀝青路面有限元模型,探究公路瀝青路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)規(guī)律,并采用主客觀結(jié)合的方法對不同行車參數(shù)條件下的舒適度進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:

(1)車重和制動力的增大,會增大路面結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng);瀝青路面的動力響應(yīng)隨車速增加呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。

(2)瀝青路面結(jié)構(gòu)豎向動力響應(yīng)對車重十分敏感,車重變化會對豎向動力響應(yīng)產(chǎn)生明顯的影響;車輛制動情況的變化會對路面水平方向動力響應(yīng)產(chǎn)生較大影響;車速對路面動力響應(yīng)影響較小。

(3)車輛行駛速度增大、制動力增大會增大車輛的動力響應(yīng),提高煩惱率,降低乘車人員的舒適度;增加車重會減少車輛的動力響應(yīng),降低煩惱率,增大乘車的舒適程度,但車重過大易導(dǎo)致制動距離加長,引發(fā)追尾安全事故,故需對車重進(jìn)行合理限制。