文档介绍：沥青路面动力响应分析方法研究
报告简本
1 前言
本项目是2005年立项的西部交通建设科技项目,由长安大学承担,参加单位有:甘肃路桥公路投资有限公司、陕西省高速公路建设集团公司。
本项目自2005年9月可行性研究报告评审后,相继完成了合同签订和研究大纲的编写和审查等组织工作,并在两年多的时间里先后完成了国内外调研、车辆动荷载研究、沥青路面动力响应理论研究、沥青路面动力响应试验研究、动力荷载影响研究和报告编写等工作,按合同要求完成了规定的试验研究工作和文件资料准备。
该项目于2010年4月通过鉴定验收,鉴定委员会专家一致认为:该项目研究成果总体达到,其中移动荷载下粘弹性层状体系沥青路面动力学分析方面达到。
2项目研究背景、内容及目标
目前世界各国的沥青路面设计方法中,把车辆荷载视为静荷载或近似等效静荷载。经过多年的发展,静荷载模式路面设计方法已经较完善,使用较广,为工程设计人员所接受。同时,在车速较低、车载较小时,静荷载模式路面结构设计也是比较合适的。但从世界公路交通发展的规律看,随着国家高速公路交通网致密化,交通车辆组成必然向高速重载方向发展。我国的公路交通现已进入重交通阶段。尽管可通过采用增加轴数、轮胎数及轮胎接地面积等措施,使得重载车辆单位作用面积下的静态压强与小吨位车辆相同或接近,但由于车辆速度的提高和车辆载重的增大,使车辆在运动状态下由于振动所引起的惯性荷载和冲击荷载会大大增加。静力荷载模式与车辆行驶过程中对地面的实际作用力之间的差异越来越大,地面结构的动力特性也远非静力特性所能描述。因此,仍旧使用静载模式已不能反映路面的实际受力状况,无法解释动态荷载作用路面结构产生的各种现象。
随着交通运输业的发展,车辆类型越来越多,而且沥青路面结构属于典型的层状粘弹性体系,因此,道路结构在运动车辆荷载作用下的力学行为相当复杂,既受到车辆结构参数、车辆运行速度和车辆载重的影响,也受路面结构参数和路面平整度及周围环境的影响,同时与轮胎和路面的接触关系密切相关。必须利用大系统理论,研究路面在实际运行车辆作用下的动力响应,确定不同路面结构在不同车辆作用下的动态响应规律、车辆动荷载影响系数规律,从而为高速公路路面设计提供合理的车辆荷载,为路面结构设计评价指标合理确定提供理论依据,为路面动态设计方法乃至设计规范制定做前期准备工作,是非常必要的,也是非常迫切的。
本项目旨在建立车辆-道路系统动力学模型,研究在高速重载车辆动力荷载作用下沥青路面结构的动力响应,分析运动车辆车轮对沥青路面作用力的规律,从而提出适合重载交通条件下的沥青路面结构动态分析方法,为现有沥青路面的结构改造和新路面的结构设计提供理论依据。
研究的主要内容为:
1、车辆-路面系统动力学模型相关参数调查研究;
2、重型车辆对路面作用载荷研究;
3、沥青路面动力响应理论研究;
4、沥青路面动力响应试验研究;
5、半刚性基层沥青路面层间剪切强度研究;
6、动力载荷对沥青路面结构使用性能影响研究。
3 研究内容
车辆-路面系统动力学模型相关参数调查研究
选择4条高速公路典型路段,对交通车辆组成进行调查,通过调查得到了我国高速公路的典型重型车辆车型,在进行车辆-路面系统动力响应分析时,研究典型车辆对路面的动载荷;目前高速公路超载依然严重,进行超载下路面结构动力响应研究依然很有必要。通过数据分析,提出高速公路轴载谱。
调查了国内外沥青混合料静模量、动模量、粘度、泊松比等参数的研究方法和研究成果,分析了国内外研究成果的差异,并分析了路面材料动力特性参数的特点。
重型车辆对路面作用载荷研究
高速行驶在路面上的车辆受不平整路面的激扰,使车辆产生振动,影响车辆行驶的平顺性和舒适性,同时对路面施加一附加的振动冲击载荷,即车辆动载荷。该动载荷与车辆静载荷组成车辆对路面的动力载荷,是路面动态设计和路面结构动力响应的输入条件,是研究路面动力性能的基础。
项目组采用系统动力学方法,将车辆处理为弹簧-质量-阻尼系统,建立重型车辆动力学模型。模型中簧上质量由大小和质心位置不变的车辆本身质量与大小变化而质心位置不变的装载质量两部分组成。随着装载质量的增加,簧上质量的大小和质心位置均发生变化。前悬架刚度为常值,后悬架刚度为簧上质量的分段函数。轮胎的刚度是轴重和胎压的函数。选择典型的1+2型、1+5型和1+2+5型重型车辆为研究对象,研究车辆对路面作用的动力载荷,分析车辆轴重、速度、胎压以及路面不平度对车辆动载荷的影响。
研究结果发现,车轮动载荷随着路面不平度、轴重、车辆速度和胎压的增加而增加;动载系数随着路面不平度、车辆速度和胎压的增加而增加,随着轴重的增加而减小。相对于路面不平度、轴重和车辆速度,胎压对车轮动载荷和动载系数的影