莫楚良

(廣西路橋工程集團有限公司,廣西 南寧 530200)

0 引言

隨著我國公路基礎建設的高速發(fā)展,瀝青路面被廣泛應用于高速公路,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構的動力響應、行車舒適度等產(chǎn)生影響,導致路面變形和破壞,威脅行車安全,造成極大的經(jīng)濟損失。因此,控制車輛合理行駛是保障行車安全和質(zhì)量的關鍵。大量學者對此展開研究,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)對路面結構動力響應的影響,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模型,研究瀝青道路在重載作用下的動力時空相應規(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重,構建了3個評價維度、11個評價指標的綜合評價體系,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,建立標準瀝青路面數(shù)值模型,探究公路瀝青路面結構的動力響應規(guī)律,并進行車輛舒適度評價。

1 模型的建立

為探究公路瀝青路面結構的響應規(guī)律并進行不同行車參數(shù)條件下的舒適度分析,參考瀝青路面設計規(guī)范,選用ANSYS軟件,建立三維標準路面有限元模型,模型全長100 m,2×11.25 m雙向六車道,模型采用分層法建立,路面結構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,設置4個接觸面。路面各結構層參數(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 瀝青路面各結構層參數(shù)表

2 瀝青路面結構動力響應

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

2.1 車重對路面結構動力響應的影響

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力幅值曲線,隨著車重增加,4種應力幅值均呈現(xiàn)上升趨勢,表明車重越大,路面結構的動力響應就越大。相比之下,其水平剪應力遠低于垂直應力和縱向應力,且增加幅度較小,但水平剪應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,路面垂直應力增長幅度最大,故道路豎向動力響應對軸重十分敏感,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力幅值曲線圖

2.2 車速對路面結構動力響應的影響

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。因路面縱向應力和橫向應力變化規(guī)律相似,僅展示橫向應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力幅值(壓應力取正值)曲線。車速對于路面結構動力響應的影響相對較小,隨行車速度增加,豎向位移幅值和橫向應力先增大后減小。其中當車速為72 km/h時,豎向位移幅值最大,為0.499 m;土基頂面橫向拉應力同樣在車速72 km/h時達到最大,為0.137 MPa;瀝青層表面橫向壓應力在車速為54 km/h時達到最大,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力幅值曲線圖

2.3 制動情況對路面結構動力響應的影響

為研究不同制動情況的影響,設置正常行駛、正常制動、緊急制動3種情況,路面設為雙向六車道,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力的影響。如圖6所示為不同制動情況路面的縱向壓應力、縱向拉應力、水平剪應力、橫向剪應力幅值曲線。隨著制動力的增加,各應力均呈增加的趨勢。其中,水平剪應力增加幅度較大,因此,車輛制動情況的變化會對路面水平方向動力響應產(chǎn)生較大影響,水平剪應力會造成瀝青面層和土基層之間的滑移破壞,對于經(jīng)常需要進行制動路段,考慮提高瀝青路面的抗剪強度。橫向剪應力呈現(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,當滿足安全性要求后,才能進行下一步的舒適度評價,車輛安全性主要是通過車輛側傾安全系數(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客觀評價指標對行車舒適度進行評價和劃分,并通過煩惱率主觀評價指標考慮人的主觀因素。

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

圖7 車體側傾計算模型圖

(1)

(2)

式中:mv——車輛重量;

d——重力力臂;

Mj——車輛側傾轉(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加速度均方根值對舒適程度進行評價和劃分,共劃分為6個等級,如表2所示,加權加速度均方根值可采用式(4)進行計算。

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)進行計算;

ki——加權系數(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)占總人數(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果如表3所示。5種車重情況的車輛側傾安全系數(shù)均滿足要求,可進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行擬合得到不同加速度下的煩惱率值,計算結果如表3所示。人體加權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準,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準。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致的追尾安全事故的發(fā)生,需要對行車重量進行限制。

表3 不同車重情況下的安全性和舒適度計算結果表

3.3 車速對舒適度的影響

為研究車速的影響,設置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果如表4所示。5種車速情況的車輛側傾安全系數(shù)均滿足要求。人體加權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準?？梢钥闯?ISO2631舒適度客觀評價標準對于舒適度的劃分更加詳細,要求相對較高,而主觀煩惱率界限評價標準相對容易滿足。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,設置雙向六車道、B級路面、車速為36 km/h、車重為15.89 t,進行人體舒適度分析。不同車速情況下的車輛安全性和舒適度計算結果如表5所示,3種行車情況的車輛側傾安全系數(shù)均滿足要求。人體加權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果表

4 結語

本文以某實際工程標準高速公路為例,選用ANSYS軟件,建立標準瀝青路面有限元模型,探究公路瀝青路面結構的動力響應規(guī)律,并采用主客觀結合的方法對不同行車參數(shù)條件下的舒適度進行分析,得到如下結論:

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

(2)瀝青路面結構豎向動力響應對車重十分敏感,車重變化會對豎向動力響應產(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產(chǎn)生較大影響;車速對路面動力響應影響較小。

(3)車輛行駛速度增大、制動力增大會增大車輛的動力響應,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,降低煩惱率,增大乘車的舒適程度,但車重過大易導致制動距離加長,引發(fā)追尾安全事故,故需對車重進行合理限制。