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        隨機不平度激勵下公路路面交通荷載特性數(shù)值分析

        2012-09-25 07:36:00陳德奇
        重慶建筑 2012年4期
        關(guān)鍵詞:平度車速波長

        陳德奇

        (長沙理工大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 湖南 長沙 410075)

        文獻(xiàn)及測試試驗研究表明,行駛于路面的車輛對路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的交通荷載為隨機荷載,其分布規(guī)律與路面不平度密切相關(guān),而與車輛本身結(jié)構(gòu)的振動相關(guān)性不大[1]~[5]。故在不考慮交通荷載的縱向及橫向作用、只考慮垂向作用時,可認(rèn)為隨機交通荷載僅是路面不平度的函數(shù),即將路面不平度作為輸入項輸入給交通車輛產(chǎn)生隨機交通荷載,隨機交通荷載再作用于路面結(jié)構(gòu),引起路基路面結(jié)構(gòu)層的動力響應(yīng),從而產(chǎn)生動力變形及位移。而路面不平度亦為隨機分布,無法用確定的表達(dá)式來描述它,只有通過實測和計算機處理方法產(chǎn)生。如果沒有實測的理想數(shù)據(jù),通過計算機模擬一個路面不平整度隨機函數(shù),使其功率譜密度與所要求的路面功率譜密度相一致,問題就可以獲得解決,依據(jù)所有路面結(jié)構(gòu)類型的功率譜密度即可建立路面功率譜[6]~[8]。本文引入國際標(biāo)準(zhǔn)路面功率譜PSD(Power Spectral Density),并借助實測資料,采用數(shù)值方法,分析路面不平度作用下重載車輛交通隨機荷載的產(chǎn)生機理及其特性,從而為隨機交通荷載譜的建立提供依據(jù)。

        1 數(shù)值模擬方法

        1.1 數(shù)值模擬基本參數(shù)

        為探究普遍意義上的車輛動荷載變化規(guī)律,故引入兩自由度的四分之一平面車輛模型進(jìn)行求解,模型如圖1所示。圖中Ms為簧載質(zhì)量,即車身部分質(zhì)量,包括所有車身彈簧懸架的汽車部件,將其視為完全剛體來處理,如車架、車身、貨箱等,模型中忽略了人的影響;Mt為非簧載質(zhì)量,即輪胎質(zhì)量;Ks為懸架剛度;Kt為輪胎剛度;Cs為懸架阻尼;Ct為輪胎阻尼;Zs為簧載垂直位移;Zt為非簧載垂直位移,uy為路面不平度激勵[3][9]。所用的路面不平度激勵為標(biāo)準(zhǔn)路面譜密度函數(shù)(PSD),部分為不平度實測資料[6][8]。車輛模型參數(shù)采用某典型國產(chǎn)重型滿載時的車輛參數(shù),如表1所示。

        圖1 兩自由度四分之一車輛模型

        表1 某國產(chǎn)重型汽車車輛模型參數(shù)(滿載)

        為便于比較,取幾種標(biāo)準(zhǔn)路面譜密度[4][8](分別屬于A、B、C三級路面)和車速狀態(tài)進(jìn)行模擬,見表2。

        表2 路面參數(shù)及車輛狀態(tài)

        1.2 數(shù)值模擬程序

        由于MATLAB開發(fā)平臺具有強大的數(shù)值分析及數(shù)值計算能力,故本文借助于該平臺二次開發(fā)了隨機動載計算程序D-loads。該程序的編制參考了相關(guān)文獻(xiàn)[2][9]中一些近似程序。該程序適用于多自由度振動系統(tǒng),根據(jù)不同車型建立的不同車輛模型均可通過輸入?yún)?shù)的大小和多寡的改變來實現(xiàn)模擬[10]。程序可通過改變車速的設(shè)置來考察車速對路面動載的影響,車速變化設(shè)置可模擬實際行車速度檔。路面激勵可直接輸入路面不平度檢測幅值數(shù)據(jù),也可通過程序選擇系統(tǒng)輸入路面不平度譜密度參數(shù)來模擬動載時程。程序模擬過程見圖2。

        圖2 車輛隨機動載模擬程序框圖

        2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

        2.1 動態(tài)荷載時程曲線

        圖3為輸入一段已運營五年路面的不平度實測幅值數(shù)據(jù)后得到的動荷載時程曲線,圖4為新建公路荷載時程曲線。由圖中可看出,新建路面所激勵得到的動荷載明顯要比舊路小,新建路的最大動載超載率為17.1%,而舊路的最大動載超載率為35.7%,這進(jìn)一步說明路面表面狀況與車輛動載之間關(guān)系密切。

        圖3 已運營路面動載時程曲線

        圖4 新建路面動載時程曲線

        圖5 路面存在沉降高差時的動荷載

        對于舊路,如果路基發(fā)生不均勻沉降形成反射裂縫使得路面發(fā)生斷裂形成沉降差 (路橋過渡段可視為相同情況),該沉降差(縱向上形成為小陡坎)造成車輛動載的突然加大也可通過程序反映出來。如果假設(shè)A點沉降差為1.0cm,B點沉降差為2.0cm,車輛到達(dá)A、B點之前路面假設(shè)為理想平面 (無高差),則圖5為這種情況模擬結(jié)果。由圖可知,車輛通過沉降差路段時產(chǎn)生的瞬時沖擊動荷載比較大,如沉降差為2.0cm時,瞬時超載率達(dá)到了63%,并且車輛存在一個顛簸過程,動荷載在正負(fù)之間急劇變化,沉降差越大,瞬時動荷載越大,說明只要路面一旦由于不均勻沉降出現(xiàn)裂縫,其后期破壞速率主要是由車輛動荷載控制。

        2.2 激振頻率與動荷載的關(guān)系

        圖6為利用程序獲得的路面不平度激勵與動荷載功率譜密度之間的關(guān)系,其中車速為100km/h,路面不平度譜密度Su(ΩO)=30cm3。由圖可知,當(dāng)激勵處于低頻范圍時,動荷載功率譜密度達(dá)到最大值,說明路面不平度在低頻位置激振能量較高,而在高頻位置激勵能量比較低,即路面低頻段更容易產(chǎn)生較大交通荷載,從而首先成為損傷破壞區(qū)。

        圖6 動載譜密度與激勵頻率關(guān)系

        表3 車速與動荷載的關(guān)系

        2.3 車速及路面波長與動荷載的關(guān)系

        表3為根據(jù)一段新建高速公路路面譜計算后得到的不同車速下動荷載的最大值Pmax統(tǒng)計及按功率譜方法(開方)得到的動荷載的均方根值σp。由表可知,隨著車速增大,車輛動荷載呈增大趨勢,并且,動荷載峰值幾乎是均方根值的3倍,說明在研究路面結(jié)構(gòu)的損傷破壞時動荷載的最大值變化范圍值得重視。

        圖7為不同車速條件下的動荷載功率譜密度曲線,由圖可知,車速與動載功率譜密度成正比,車速的增加,相應(yīng)動載功率譜增大。并且隨著車速的提高,路面激振頻率向頻率更低方向移動,說明車速提高時,路面長波路段對車輛的激振能量增強。

        圖7 不同車速下動載功率譜圖

        圖8 動載系數(shù)隨車速的變化

        圖9 動載系數(shù)隨路面波長的變化

        圖8為車速變化時,車輛動載系數(shù)的變化趨勢,圖9為波長變化時,車輛動載系數(shù)變化趨勢。由圖可知:(1)當(dāng)車速為零時,動載系數(shù)也為零,這和實際情況是一致的,因為車輛靜止時,并不會產(chǎn)生附加動荷載。(2)當(dāng)路面波長較小時(λ=5m),隨著車速的提高,動載系數(shù)會出現(xiàn)兩個峰值,峰值位置對應(yīng)的頻率和車輛模型的固有頻率相近,說明此時車輛系統(tǒng)產(chǎn)生了共振。而隨著路面波長變長(λ=10m),動載系數(shù)出現(xiàn)峰值時的車速隨之提高,由于車速的限制,此時動載系數(shù)只出現(xiàn)一個峰值。說明動載并不隨車速呈線性增長,在某一車速時,車輛產(chǎn)生共振,動載將達(dá)最大值,而高于或低于該車速時,動載都將減小??梢灶A(yù)見,當(dāng)波長進(jìn)一步加長,動載系數(shù)的兩個峰值將都不會出現(xiàn),動載系數(shù)將變的很小,此時,路面可近似認(rèn)為是理想平整路面。 (3)一般車速常介于50~120km/h(即15~35m/s)之間。當(dāng)車速在這個范圍時,在短波長路面,動載系數(shù)處于第二個峰值附近,動載系數(shù)較大;在長波長路面,動載系數(shù)卻處于第一個峰值和第二個峰值之間的波谷位置,動載系數(shù)較小??梢姡跍p小動荷載的目的,應(yīng)對路面不平整度的波長加以控制,尤其應(yīng)控制變化幅度比較急劇的路面不平整形態(tài)。

        2.4 路面波數(shù)譜密度與動荷載的關(guān)系

        圖10 路面標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)譜密度對動載系數(shù)的影響

        圖11 不同等級路面功率譜圖

        當(dāng)路面等級不同,即其標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)譜密度不同時,在其激勵下產(chǎn)生的車輛動荷載有較大的差別,圖10表明了這種情況。圖中共繪出了五種標(biāo)準(zhǔn)路面波數(shù)譜密度條件下的動載系數(shù)變化趨勢, 當(dāng)Su(ΩO)分別為8cm3,15cm3,30cm3時,分別表示了A級路面標(biāo)準(zhǔn)譜密度的下限、平均值和上限,Su(ΩO)分別為50cm3,200cm3時,分別表示了B級和C級路面。隨著車速的提高及路面質(zhì)量(路面級別)的下降,動載系數(shù)迅速提高,特別對于C級路面,當(dāng)車速提高到100km/h以上時,動載超載率達(dá)到55%以上,說明當(dāng)車輛在該種路面上高速行駛時,空車相當(dāng)于載重車,滿載車輛相當(dāng)于超載車輛,這進(jìn)一步印證了路面表面狀況與車輛隨機動載的鏈條關(guān)系,路面越糟糕,其承受的動態(tài)荷載越大。圖11中不同等級路面的動載功率譜密度比較圖也證實了這一規(guī)律。

        3 結(jié)論

        將路面不平度作為輸入激勵,采用數(shù)值分析方法能夠比較準(zhǔn)確得出交通荷載與路面特性之間的關(guān)系。本文研究表明:

        (1)路面不平度譜密度在低頻范圍內(nèi)對車輛的激振能量最大,產(chǎn)生的動荷載也最大。

        (2)車速對路面動載存在影響,但并不表現(xiàn)為動載隨車速的提高而提高,在某一車速下車輛發(fā)生共振,動荷載可以達(dá)到最大,高于和低于該車速動載都將減小。改變車速,短波長路面動載變異較小,長波長動載變異較大,說明車速對平整度差的路面影響較大,對平整度好的路面影響較小。

        (3)動荷載的大小隨路面標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)譜密度(路面等級)的變化而變化,路面等級越高,產(chǎn)生的動荷載越小,路面等級越低,產(chǎn)生的動荷載越大。

        [1]任瑞波.瀝青路面結(jié)構(gòu)計算方法與FWD應(yīng)用技術(shù)的研究[D].哈爾濱:哈爾濱建筑大學(xué)博士學(xué)位論文,2000.

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        [3]鄧學(xué)鈞,孫璐著.車輛—地面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)動力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2000.

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