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        路橋過(guò)渡段容許臺(tái)階高度的確定

        2015-04-17 22:17:58鄧露閆王晨朱全軍
        關(guān)鍵詞:路橋過(guò)渡段數(shù)值模擬舒適度

        鄧露 閆王晨 朱全軍

        摘要:為確定路橋過(guò)渡段的容許臺(tái)階高度,對(duì)車輛通過(guò)路橋過(guò)渡段時(shí)的整車舒適度和車橋安全性進(jìn)行了研究.以平均加權(quán)加速度均方根值作為整車舒適度指標(biāo),以車輪動(dòng)力荷載最小值作為車輛安全性指標(biāo),以局部沖擊系數(shù)作為橋梁安全性指標(biāo),提出了一種基于整車舒適度和車橋安全性的容許臺(tái)階高度確定方法.分析了車速和臺(tái)階高度等因素對(duì)整車舒適度和局部沖擊系數(shù)的影響.結(jié)果表明:對(duì)高速公路和一級(jí)公路,整車舒適度對(duì)容許臺(tái)階高度的要求更為嚴(yán)格,其次是車輛安全性.對(duì)二級(jí)公路,容許臺(tái)階高度各控制指標(biāo)的嚴(yán)格程度由高到低依次為:整車舒適度、橋梁安全性和車輛安全性.對(duì)二級(jí)以下公路,其嚴(yán)格程度由高到低依次為:橋梁安全性、整車舒適度和車輛安全性.該方法從車輛舒適度、車輛安全性及橋梁安全性對(duì)臺(tái)階高度提出了更合理的控制標(biāo)準(zhǔn).

        關(guān)鍵詞:路橋過(guò)渡段;容許臺(tái)階高度;數(shù)值模擬;局部沖擊系數(shù);舒適度;加權(quán)加速度均方根值

        中圖分類號(hào):U416.01 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        由于橋頭引道和橋臺(tái)之間不可避免地存在沉降差異,在不設(shè)橋頭搭板的路橋過(guò)渡段往往會(huì)形成一定高度的臺(tái)階,即“錯(cuò)臺(tái)型”沉降.由此引起的橋頭跳車會(huì)影響行車的舒適度和安全性,其沖擊作用也會(huì)加速橋臺(tái)、伸縮縫及支座等的破壞.

        現(xiàn)有的路面設(shè)計(jì)規(guī)范尚未針對(duì)路橋過(guò)渡段的差異沉降量提出合理的控制標(biāo)準(zhǔn).目前,國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者\[1-3\]根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)行車調(diào)查來(lái)確定容許臺(tái)階高度.但由于差異沉降受到橋臺(tái)類型、路堤填料類型和施工工藝等因素的影響,彼此得出的控制標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一,且缺乏理論支持.此外,也有學(xué)者\[4-7\]從車輛舒適度及安全性角度對(duì)臺(tái)階高度的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)理論研究,但也存在不足之處.第一,局限于評(píng)價(jià)單個(gè)位置處乘客的單軸向舒適度,未能從整體上模擬車輛多軸向的舒適度情況;第二,對(duì)安全性的考慮僅能保證車輪不脫離地面,忽略了跳車產(chǎn)生的沖擊作用對(duì)橋梁安全的影響.

        為此,本文采用半車模型模擬車輛通過(guò)路橋過(guò)渡段的振動(dòng)情況.并以平均加權(quán)加速度均方根值作為整車舒適度指標(biāo),以車輪動(dòng)力荷載最小值作為車輛安全性指標(biāo),以局部沖擊系數(shù)作為橋梁安全性指標(biāo),定量分析了車速和臺(tái)階高度等因素對(duì)舒適度和安全性指標(biāo)的影響.最后,基于整車舒適度和車橋安全性提出了更合理的容許臺(tái)階高度控制標(biāo)準(zhǔn).

        1車輛經(jīng)過(guò)路橋過(guò)渡段的振動(dòng)模擬

        1.1車輛模型選取

        路橋過(guò)渡段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與車型、車載及車速等因素有關(guān).其中,標(biāo)準(zhǔn)車輛的選取又與公路的等級(jí)和用途有關(guān).高速公路和一級(jí)公路宜以小汽車作為標(biāo)準(zhǔn)車輛\[7-8\],以車輛安全性和整車舒適度作為容許臺(tái)階高度的控制指標(biāo).二級(jí)及二級(jí)以下公路以載重汽車為主\[7\],兼有長(zhǎng)途客車,故以載重汽車和長(zhǎng)途客車作為標(biāo)準(zhǔn)車輛,并以標(biāo)準(zhǔn)車輛的安全性、長(zhǎng)途客車的整車舒適度和載重汽車對(duì)橋梁的沖擊作用(即橋梁安全性),作為容許臺(tái)階高度的控制指標(biāo).參考文獻(xiàn)\[7\]和\[9\],本文以各等級(jí)公路設(shè)計(jì)速度的最大值作為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)車速.各等級(jí)公路的標(biāo)準(zhǔn)車輛、標(biāo)準(zhǔn)車速及容許臺(tái)階高度控制標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1.

        由于路橋過(guò)渡段的“錯(cuò)臺(tái)型”沉降(見(jiàn)圖1)相比一般的道路不平整度要大,需要考慮車體的垂向振動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng);道路橫向的不平整往往可以忽略不計(jì),故不考慮車體橫向的搖擺運(yùn)動(dòng).假設(shè)車體左右兩邊質(zhì)量對(duì)稱,采用集中質(zhì)量法將載重汽車簡(jiǎn)化為7自由度半車模型(如圖2(a)所示),將客車和小汽車均簡(jiǎn)化為4自由度半車模型(如圖2(b)所示),具體的車輛模型參數(shù)見(jiàn)文獻(xiàn)\[7,10,11\].

        2.1整車舒適度水平

        ISO建議以加權(quán)加速度均方根值作為舒適度評(píng)價(jià)的基本指標(biāo)\[13\].由于車輛通過(guò)路橋過(guò)渡段的時(shí)間很短,本文采用車輛經(jīng)過(guò)路橋過(guò)渡段的“瞬時(shí)”加權(quán)加速度均方根值,結(jié)合ISO\[13\]及鄭鄖\[12\]給出的加權(quán)加速度均方根值與人體主觀感受的關(guān)系(見(jiàn)表2),綜合評(píng)定車輛通過(guò)路橋過(guò)渡段時(shí)的舒適度.

        平均加權(quán)加速度均方根值(average weighted rootmeansquare acceleration,簡(jiǎn)稱為RMS)的計(jì)算如下:

        RMS=(k2axa2wx+k2aya2wy+k2aza2wz)1/2. (6)

        式中:kax,kay和kaz分別為x,y和z軸的加權(quán)系數(shù),其值分別為1.4, 1.4和1.0;awx,awy和awz分別為x,y 和 z 軸向的“瞬時(shí)”加權(quán)加速度均方根值,計(jì)算如式(7)所示.

        awj(t0)|j=x,y,z=1τ∫t0t0-τa2wj(t)|j=x,y,zdt1/2.(7)

        式中:t0為考察時(shí)刻;τ為持續(xù)平均積分時(shí)間,這里取車輛經(jīng)過(guò)臺(tái)階前后各6 m的總時(shí)間;t為時(shí)間變量.

        表2加權(quán)加速度均方根值與人體主觀感受之間的關(guān)系

        Tab.2Relationship between weighted rootmeansquare

        acceleration and peoples feeling

        極不舒服

        馮忠居\[2\]通過(guò)實(shí)地測(cè)試和理論分析得出車輛在通過(guò)臺(tái)階前后的速度降低值Δv與臺(tái)階高度h及速度v的關(guān)系,如式(8)所示.減速度ax的計(jì)算如式(9)所示.

        Δv=0.145h1.09v0.21, (8)

        ax=Δv/τ.(9)

        簡(jiǎn)單計(jì)算可知,車輛在經(jīng)過(guò)臺(tái)階前后速度變化很小,但由于通過(guò)時(shí)間很短,減速度不可忽略,可令awx=ax;假設(shè)車輛沿直線通過(guò)路橋過(guò)渡段,則awy=0;awz可按ISO 2631—1997中的頻率加權(quán)函數(shù)ωk(f)(式(10))對(duì)a濾波后得到.

        ωk(f)=0.5,0.5

        f4,2

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