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)，采用有限元法對車輛動荷載及路面結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)規(guī)律進行了模擬研究[1]。

1 動荷載試驗介紹

本次試驗在G307公路滄州崔爾莊段進行，動荷載稱重儀器采用SM2000C動態(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。

試驗車選用的是同型號三軸貨車在滿載(30 t)和超載(42 t)狀態(tài)下不同車速的動荷載情況，每次試驗車運行都是在單車道均勻車速通過動態(tài)稱重儀稱板，且在試驗前已經(jīng)通過試驗車對動態(tài)稱重儀進行了標(biāo)定設(shè)置，數(shù)據(jù)為實際車輛對路面的荷載作用值，采集的具體試驗數(shù)據(jù)如表1。

表1 動荷載試驗數(shù)據(jù)

2 動荷載有限元模擬

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力加載函數(shù)來模擬實際汽車荷載，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為振動荷載幅值，P=M0μω2[M0為車輛模型簧下質(zhì)量，ω為振動圓頻率，ω=2πv/L，v為車速，L為路面幾何曲線波長；μ為路面幾何不平順失高(按國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算參數(shù)如表2。

表2 荷載計算參數(shù)

2.2 有限元模型參數(shù)

基于彈性層狀體系理論，對滄州市典型省道路面結(jié)構(gòu)進行模擬分析，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，在保證計算精度的基礎(chǔ)上，確定了三維模型的大小尺寸分別為長(Z方向)8 m、寬(X方向)8 m、高(Y方向)5 m[7]；車速取現(xiàn)場試驗車所測實際車輛速度；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)場所測實際道路平整度值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動)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?對路面做出了相應(yīng)的平整度等級如表4。

表4 平整度等級

3 模擬結(jié)果分析

3.1 試驗車模擬結(jié)果及分析

通過對30 t和42 t試驗車與路面力學(xué)響應(yīng)模擬得到相應(yīng)的路面正壓力值，并換算成車輛動荷載值與SM2000C動態(tài)稱重儀所測現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行匹配分析。圖4(a)為30 t試驗車模擬動荷載與實際檢測數(shù)據(jù)匹配；圖4(b)為42 t試驗車模擬動荷載與實際檢測數(shù)據(jù)匹配。

圖4 試驗車動荷載Fig.4 Dynamic load of testing car

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

3.2 平整度影響模擬分析

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

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

由圖6可以得到各平整度等級下的動荷載變化情況有明顯不同。各個平整度下動荷載隨著速度的增大都還保持著原有的增減起伏特點，但當(dāng)平整度大于40 mm以后，當(dāng)速度增大到36 km/h之后，動荷載從原來的降低趨勢變?yōu)榱嗽鲩L，且隨著平整度的增長，其動荷載增長趨勢越來越大，以至于其值開始高于較低速度時的峰值。由此可以看到平整度對于貨車對道路的動荷載變化作用效果很大，平整度越好的道路同樣車況下對道路的破壞作用較小，隨著平整度的變差，對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)采用的動力曲線函數(shù)和路面有限元模型可以很好的模擬實際貨車對路面的動荷載作用情況。對于同一路面平整度下，滿載車隨著速度的增大處于勻勢的下降；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，這就造成較未超載車在較高速度時產(chǎn)生相對更大的動荷載作用，對路面產(chǎn)生更大的破壞。所以嚴(yán)格控制車輛超載對于保護路面壽命是很有必要的。

2)對于超載車在不同平整度等級道路下的動荷載變化可以看到隨著平整度的變差，貨車動荷載起初隨著速度的增大變化趨勢基本一致，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)生的動荷載開始變?yōu)橹饕目焖俚脑龃筅厔荩苑摧^好平整度下動荷載為整體下降的趨勢，而變?yōu)殡S車速增大不斷增長的情況。因此，道路的平整程度對于車輛對路面動荷載作用大小有很大的影響，特別是在高速情況下，不同平整度等級下差別很大，在道路建設(shè)時應(yīng)更加重視路面平整程度，以延長道路使用壽命和車輛行駛舒適程度。

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