趙 千, 阮大為, 胡明偉, 陳湘生, WANG Linbing

(1.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院, 深圳 518060; 2.深圳大學(xué)未來地下城市研究院, 深圳 518060;3.極端環(huán)境巖土和隧道工程智能建養(yǎng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518060;4.深圳大學(xué)濱海基礎(chǔ)設(shè)施教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 深圳 518060;5.The Sensing and Perception Lab, University of Georgia, Athens, Georgia 30602, United States)

隨著公路智能化、電氣化發(fā)展,各類嵌入式傳感、俘能、供能裝置需求和應(yīng)用也在逐步增加,智能裝置自身的輸出特性、對(duì)路面結(jié)構(gòu)服役性能和壽命的影響,已成為道路基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)轉(zhuǎn)型的重要關(guān)注問題。交通量大、載重大、超載等問題,使我國(guó)道路交通基礎(chǔ)設(shè)施的功能性、耐久性、經(jīng)濟(jì)性和安全性都面臨著巨大挑戰(zhàn)。據(jù)統(tǒng)計(jì),2017—2019年期間[1],公路貨運(yùn)量平均占總貨運(yùn)量76.8%,達(dá)369億t/a;公路客運(yùn)量占比達(dá)76.3%。2020—2022年[2],公路貨運(yùn)量占比為74%,平均貨運(yùn)量368億t/a;客運(yùn)量占比平均為65.4%。同時(shí),全國(guó)載貨汽車的平均噸位也達(dá)到歷史新高,約為14.5 t/輛[2]。

為了緩解交通及道路運(yùn)維壓力,提升公路交通智能管理養(yǎng)護(hù)品質(zhì),越來越多的傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用到道路交通的監(jiān)測(cè)檢測(cè)領(lǐng)域。

1 研究基礎(chǔ)

1.1 文獻(xiàn)綜述

近年來,為了緩解交通及道路運(yùn)維壓力,提升公路交通智能管理養(yǎng)護(hù)品質(zhì),越來越多的傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)不斷應(yīng)用到道路交通的監(jiān)檢測(cè)領(lǐng)域[3],以應(yīng)對(duì)靈敏度、功能、尺度、存活率以及環(huán)境因素帶來的種種挑戰(zhàn),包括外置式監(jiān)檢測(cè)裝置、嵌入式監(jiān)檢測(cè)裝置以及綜合監(jiān)檢測(cè)裝置等[4]。其中,嵌入式道路監(jiān)檢測(cè)裝置通常是指為了得到路面結(jié)構(gòu)信息、交通信息等監(jiān)測(cè)目的,埋置于路面結(jié)構(gòu)淺表或內(nèi)部的傳感裝置[5]。嵌入式裝置可實(shí)現(xiàn)連續(xù)、不間斷監(jiān)測(cè),且能相對(duì)真實(shí)、準(zhǔn)確地反映路面結(jié)構(gòu)信息,實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析可提供有關(guān)道路條件的準(zhǔn)確和全面的信息,這對(duì)于制定有效的維護(hù)和修復(fù)策略至關(guān)重要。尤其在車輛動(dòng)態(tài)稱重及路面結(jié)構(gòu)狀態(tài)監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用,是外置式裝置難以替代的。隨著技術(shù)的發(fā)展,路面也從傳統(tǒng)的承載功能向感知、供能、交互等多功能集成的方向發(fā)展。因此,嵌入式系統(tǒng)對(duì)路面結(jié)構(gòu)在車輛荷載作用下動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響受到越來越多的研究關(guān)注。

國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者將車路耦合問題假定為路面移動(dòng)荷載展開研究。從不同研究簡(jiǎn)化方法來看,Lombaert等[6]通過建立數(shù)值計(jì)算模型對(duì)車輛在不平路面自由場(chǎng)垂直震蕩下進(jìn)行復(fù)雜響應(yīng)分析得到附加動(dòng)態(tài)軸荷載下的基本規(guī)律。Mhanna等[7]通過3D有限差分方法將不同交通荷載轉(zhuǎn)化為路面振動(dòng),利用現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)驗(yàn)證數(shù)值模型得到很好的效果。Cao等[8]應(yīng)用貝蒂-瑞利動(dòng)態(tài)倒易定理簡(jiǎn)化求解得到車輛移動(dòng)荷載造成路面振動(dòng)的復(fù)雜解析解,并發(fā)現(xiàn)低頻振動(dòng)為主要影響因素。董倩等[9]基于車路耦合作用分析不同車速、路面不平整度下振動(dòng)響應(yīng),通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證基層厚度對(duì)振動(dòng)頻率影響的敏感性規(guī)律。Xu等[10]利用有限元分析方法建立了考慮路面不平整性的非線性車路耦合模型并總結(jié)不同影響因素下的路面振動(dòng)響應(yīng)規(guī)律。宋曉娜[11]選取正弦循環(huán)激振模型等效表示車輛動(dòng)荷載,用于盾構(gòu)隧道動(dòng)力響應(yīng)特征規(guī)律研究。Wang等[12]通過構(gòu)建輪胎-路面的三維接觸模型研究路面不平整度激勵(lì)下的車輛振動(dòng)響應(yīng),為無人駕駛情況下車輛駕駛平順性、安全性以及路面友好性等設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。張龍威等[13]通過考慮車輪接觸面效應(yīng),分析了不同路面粗糙度下的車輛-橋梁耦合振動(dòng)響應(yīng)。謝浩等[14]通過路表縱斷面波形狀態(tài)和采用平衡懸架結(jié)構(gòu)的重載車輛模型,分析了路面不平整度下不同動(dòng)載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)影響。從不同道路分析工況來看,Lu等[15]研究了在不同道路和車輛參數(shù)下的車路耦合動(dòng)荷載并得到相應(yīng)動(dòng)荷載與動(dòng)荷載系數(shù)變化規(guī)律。張志清等[16]采用三維有限元法,分析了重載作用下瀝青路面結(jié)構(gòu)應(yīng)力和彎沉變化規(guī)律。李想等[17]分析了板底脫空對(duì)水泥混凝土路面板的動(dòng)力響應(yīng),基于流固耦合原理建立了考慮板與板相互作用的混凝土路面板脫空有限元模型。從不同車輛荷載分析工況來看,郜鑫振等[18]針對(duì)重載車輛的不同行駛狀態(tài)(勻速、制動(dòng)和加速),建立實(shí)際路面的有限元加載模型,以三向應(yīng)力和縱向剪應(yīng)力為指標(biāo)對(duì)路面各結(jié)構(gòu)層響應(yīng)進(jìn)行了分析。吳威偉等[19]采用落錘式彎沉儀(falling weight deflectometer,FWD)在實(shí)際工程試驗(yàn)路段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了FWD荷載作用下的瀝青路面隨溫度、荷載的應(yīng)變響應(yīng)規(guī)律。杜昭等[20]基于路面不平整激勵(lì)下的車身振動(dòng)響應(yīng)信號(hào),提出了一種路面縱斷面高程反演和平整度估計(jì)的數(shù)據(jù)融合算法,并利用智能網(wǎng)聯(lián)汽車的互聯(lián)通信優(yōu)勢(shì),提高了準(zhǔn)確性。樊健生等[21]提出了一種融合外觀檢測(cè)、無損檢測(cè)和健康監(jiān)測(cè)的體系,具有結(jié)構(gòu)服役性態(tài)空間與時(shí)間同時(shí)覆蓋的特征,并能夠在關(guān)鍵指標(biāo)上達(dá)到足夠的檢測(cè)深度。嚴(yán)戰(zhàn)友等[22]基于重載汽車,研究了車輛動(dòng)載和移動(dòng)恒載作用下的路面結(jié)構(gòu)層力學(xué)響應(yīng),發(fā)現(xiàn)車輛動(dòng)荷載作用下的最大縱向壓應(yīng)力普遍大于移動(dòng)恒載。魏遠(yuǎn)[23]根據(jù)彈性層狀理論提出一種針對(duì)超重載作用下的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法,為城際鐵路車輛段超重載車輛通行場(chǎng)區(qū)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了借鑒。鄧露等[24]提出了一種精細(xì)化輪胎模型,通過輪胎-路面接觸面的剛度重分布模型,提高了車輛動(dòng)力沖擊系數(shù)估計(jì)的準(zhǔn)確性。

近年來,不同類型的感知、俘能、供能裝置與路面結(jié)構(gòu)的性能研究也在迅速推進(jìn)[25-28]。大量學(xué)者采用不同類別的埋入式傳感器展開路面性能和交通信息采集的研究,程懷磊等[29]基于埋入式傳感器實(shí)測(cè)的應(yīng)變值和有限元模型反演數(shù)據(jù),擬合得出不同溫度和軸載移動(dòng)速度下的瀝青層響應(yīng)模量主曲線。Nielsen等[30]通過布置路面?zhèn)鞲衅魇占囕v通過過程中產(chǎn)生的振動(dòng)響應(yīng)反算路面屬性; Ryyn?nen等[31]開發(fā)了加速度傳感器應(yīng)用于道路運(yùn)維與管理中,形成長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)。但隨著研究深入,Arraigada等[32]發(fā)現(xiàn)加速度監(jiān)測(cè)存在一定不可避免的問題,當(dāng)經(jīng)過車輛車速過慢或遠(yuǎn)離傳感器位置時(shí)都會(huì)導(dǎo)致所測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,與實(shí)際情況偏差較大。除此以外,也涌現(xiàn)出大量新型傳感監(jiān)測(cè)裝置研究,Lajnef等[33]針對(duì)路面檢測(cè)裝置短期性和局部性提出新型無線傳感器組成,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的長(zhǎng)期智能化存儲(chǔ)、傳輸及集成;Samim等[34]利用分布式光纖傳感器檢測(cè)設(shè)備研究在最佳嵌入深度下獲取移動(dòng)負(fù)載信息的適用性和靈敏度,得到包括負(fù)載類型、速度、重量、軸數(shù)、軸距和交通流量信息。Ma等[35]提出了一種基于碳納米管和環(huán)氧樹脂(CNT/EP)復(fù)合材料的創(chuàng)新應(yīng)變傳感器,用于保證瀝青路面健康監(jiān)測(cè)中傳感器的生存能力和監(jiān)測(cè)效果。

1.2 本文研究方法

本研究采用數(shù)值計(jì)算與實(shí)測(cè)對(duì)比的方法,對(duì)車輛動(dòng)態(tài)荷載、路面結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理可靠的簡(jiǎn)化;建立三維有限元模型,對(duì)移動(dòng)非均布荷載作用下的路面結(jié)構(gòu)、嵌入式傳感系統(tǒng)的響應(yīng)分別進(jìn)行了分析和驗(yàn)證;最后,根據(jù)實(shí)際交通情況,選取了不同車輛載重(65%欠載、100%滿載、135%一般超載以及180%嚴(yán)重超載),不同行車速度(18～108 km/h)以及不同路面平整度等級(jí)(A、B、C級(jí))工況,對(duì)嵌入式傳感路面的響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)、全面的比較分析,為傳感系統(tǒng)在實(shí)際道路中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本研究的技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 本研究技術(shù)路線

2 車輛荷載-嵌入式傳感路面交互模型

2.1 考慮車輛振動(dòng)的動(dòng)態(tài)加載模型

本研究以車輛-路面的相互作用為研究對(duì)象,旨在獲取傳感裝置和路面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)規(guī)律,研究表明,1/4車輛模型可以較為充分地反映車輛垂直振動(dòng)[36],因此做出如下假設(shè):

1)車輛在對(duì)稱道路上沿直線勻速行駛;

2)路面不平度的隨機(jī)波動(dòng)可視為滿足指定譜特征的隨機(jī)過程;

3)車輛可對(duì)稱簡(jiǎn)化為1/4單輪二自由度模型。

采用濾波白噪聲法,構(gòu)建不同平整度等級(jí)路面對(duì)應(yīng)的時(shí)域模型:

(1)

(2)

式中:q(s)為表示路面不平度的隨機(jī)波動(dòng);β為擬合系數(shù);δx為路面不平度的標(biāo)準(zhǔn)差;w(s)為白噪聲信號(hào);q(t)為隨機(jī)波動(dòng)的時(shí)間狀態(tài)方程;v為車速。

根據(jù)達(dá)朗貝爾原理,1/4車輛模型的運(yùn)動(dòng)微分方程為

(3)

式中:m1、m2分別為非懸掛和懸掛質(zhì)量;k1、k2分別為非懸掛和懸掛剛度;c1、c2分別為非懸掛和懸掛阻尼;z0、z1、z2分別為地面、非懸掛和懸掛系統(tǒng)的豎向坐標(biāo)。

以10 t重的車輛為例(車輛參數(shù)見表1),采用狀態(tài)空間法,利用Simulink仿真求解,可以求得該車輛模型以不同速度通過不同等級(jí)路面時(shí)產(chǎn)生的豎向動(dòng)荷載。該貨車滿載情況下,以15 m/s通過10 m長(zhǎng)的A、B、C級(jí)路面,車輛實(shí)際荷載時(shí)程曲線如圖2所示。

表1 車輛參數(shù)

圖2 10 t貨車滿載時(shí)通過不同等級(jí)路面實(shí)際荷載時(shí)程曲線

根據(jù)圖2可以計(jì)算得到該貨車在滿載情況下以15 m/s速度通過A、B、C級(jí)路面的動(dòng)載系數(shù)((最大實(shí)際動(dòng)載-車輛靜載)/車輛靜載)分別為0.143、0.288和0.543,即隨著路面等級(jí)的下降,動(dòng)載系數(shù)顯著上升,與計(jì)算值規(guī)律一致[9]。

2.2 嵌入式傳感裝置及路面結(jié)構(gòu)的有限元模型

1) 路面結(jié)構(gòu)及材料參數(shù)

本研究依托北京科技大學(xué)國(guó)家材料服役安全科學(xué)中心特殊地域足尺加速加載試驗(yàn)場(chǎng)道路結(jié)構(gòu),結(jié)合環(huán)道試驗(yàn)直線段實(shí)際加載尺寸(縱向20 m,橫向6 m)和輪胎加載區(qū)尺寸(縱向0.200 m,橫向 0.497 m),考慮荷載的影響范圍以及降低有限邊界條件的不利影響,本研究采用有限元軟件ABAQUS建立原始路面三維模型,模型整體尺寸為10.00 m×3.00 m×3.53 m (L×W×H),其中荷載施加區(qū)域縱向長(zhǎng)度為5 m,具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示,材料參數(shù)如表2所示,面層、基層和底基層視為同一部件,底基層與土基采用Tie接觸。

表2 路面結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)

表3 嵌入式傳感器材料參數(shù)表

圖3 原始路面三維有限元模型(單位:mm)

2) 嵌入式壓電傳感器有限元模型的建立

根據(jù)課題組自研的嵌入式壓電傳感器原型裝置[37],為了探討嵌入式壓電傳感器在不同受力狀態(tài)下的輸出特點(diǎn),本文進(jìn)一步建立了傳感器系統(tǒng)的三維有限元模型。該裝置包含上蓋板、壓電單元(包含4個(gè)壓電傳感單元)、下底板三部分,整體形狀尺寸為750 mm×100 mm×60 mm(L×W×H)的立方體。為充分研究嵌入式裝置在不同荷載作用下的響應(yīng),本模型將金屬片封裝的壓電傳感單元視為整體,忽略導(dǎo)線;將壓電陶瓷材料視為正交各向同性,采用C3D8E單位,剛度矩陣ce、壓電常數(shù)矩陣eT和介電常數(shù)矩陣εT分別表示為

(4)

(5)

(6)

其余材料均視作各向同性線彈性,采用C3D8R單元,各材料參數(shù)如表 3所示。各壓電單元結(jié)構(gòu)的下表面電勢(shì)設(shè)為0,上表面設(shè)為等勢(shì)面。傳感器系統(tǒng)內(nèi)部各元件采用Tie約束。

3)嵌入式傳感器-路面結(jié)構(gòu)模型的建立

根據(jù)傳感器系統(tǒng)布置的實(shí)際位置,本研究建立了嵌入式傳感器路面的有限元模型,即從原始路面上面層和中面層結(jié)構(gòu)中間部位挖去750 mm×100 mm×60 mm(L×W×H)的立方體,再將多傳感器系統(tǒng)放入被挖空的部分,該系統(tǒng)四周和底部與路面結(jié)構(gòu)間的接觸均設(shè)置為Tie連接。將路面結(jié)構(gòu)模型中面層底部(監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp1)和下面層底部(監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp2)作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn),如圖4所示。

圖4 嵌入式傳感路面模型(單位:mm)

4)邊界條件及加載方式

模型四周法向固定,底部完全固定。路面結(jié)構(gòu)四周法向約束,底部完全約束。載荷的時(shí)程曲線,根據(jù)2.1中的車輛振動(dòng)模型,得到不同載重工況下的動(dòng)荷載,再將這些動(dòng)荷載通過Fortran寫成載荷文件,用Dload子程序?qū)崿F(xiàn)調(diào)用。

2.3 移動(dòng)非均布荷載下路面模型的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述車輛-路面模型的合理性與可靠性,分別對(duì)比了豎向應(yīng)變的實(shí)測(cè)值與模擬值(如圖5所示)、豎向振動(dòng)加速度的實(shí)測(cè)值與模擬值(見圖6)。其中,豎向應(yīng)變的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來自本模型所依托的足尺試驗(yàn)場(chǎng)的埋入式豎向應(yīng)變計(jì)在軸載10 t、速度20 km/h下的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)[38],峰值為352×10-6;仿真計(jì)算值來自2.2所建立的原始路面模型在相同荷載及車速下的豎向應(yīng)變響應(yīng),峰值為331×10-6。

圖5 瀝青路面豎向應(yīng)變的模擬值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比

圖6 瀝青路面豎向加速度的模擬值與文獻(xiàn)實(shí)測(cè)值對(duì)比

瀝青路面結(jié)構(gòu)豎向加速度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[39],加載工況為軸載10 t、速度35 km/h下,采集自云南昆明國(guó)道G320路面振動(dòng)數(shù)據(jù),峰值為84.1×10-3g;仿真數(shù)據(jù)來自對(duì)應(yīng)工況下原始路面的豎向振動(dòng)響應(yīng),峰值為77.8×10-3g。

圖5、6的對(duì)比結(jié)果顯示,盡管由于本研究的路面結(jié)構(gòu)選用了線彈性材料,無法反映出真實(shí)情況下瀝青路面的遲滯性和黏彈性,但仿真響應(yīng)峰值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)或文獻(xiàn)實(shí)測(cè)都較為接近,說明該三維路面有限元模型的響應(yīng)峰值符合實(shí)際,較為可靠。

3 多工況下嵌入式傳感路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

3.1 不同車輛載重下嵌入式傳感路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

以車輛54 km/h的行駛速度為基準(zhǔn),車輛載荷65 kN為欠載工況,100 kN為滿載工況,135 kN為一般超載工況以及180 kN為嚴(yán)重超載工況,對(duì)嵌入式傳感路面中面層底部中點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp1)和下面層底部中點(diǎn)(監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp2)的振動(dòng)加速度、三向應(yīng)變情況以及壓電傳感系統(tǒng)的輸出電壓進(jìn)行響應(yīng)分析。

3.1.1 三向振動(dòng)加速度響應(yīng)

監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp1、Mp2在不同軸載作用下的三向加速度時(shí)程曲線如圖7所示。

圖7 不同車載作用下路面結(jié)構(gòu)三向加速度變化

分析可得:1) 4種軸載作用下,豎向加速度響應(yīng)都是最明顯的,峰值為50×10-3～110×10-3g,遠(yuǎn)大于縱向加速度(不超過25×10-3g)和橫向加速度(不超過3×10-3g);2) 中面層與下面層的豎向加速度時(shí)程曲線規(guī)律一致,峰值受荷載影響明顯,說明中面層和下面層的豎向加速度峰值可作為荷載監(jiān)測(cè)的指標(biāo);3) 嚴(yán)重超載情況下,中面層和下面層的縱向加速度和橫向加速度均表現(xiàn)出最為突出的正負(fù)峰震蕩,需結(jié)合對(duì)應(yīng)方向應(yīng)力和剪應(yīng)力共同分析影響。

根據(jù)上述分析,以中面層和下面層監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度峰值為指標(biāo),可得不同軸載作用下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度峰值變化趨勢(shì)(如圖8所示),即:隨著軸載的增加,監(jiān)測(cè)點(diǎn)Mp1、Mp2的豎向加速度峰值基本線性增加;Mp1點(diǎn)豎向加速度峰值大于Mp2點(diǎn)。

圖8 不同載重作用下豎向加速度峰值變化趨勢(shì)

3.1.2 三向應(yīng)變響應(yīng)

以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的橫向應(yīng)變和豎向應(yīng)變?yōu)橹笜?biāo),可得如圖9所示的變化趨勢(shì),即:隨著載荷增加,中面層和下面層的橫向應(yīng)變峰值和豎向應(yīng)變峰值都隨之增加;對(duì)于中面層底部,需考慮超載帶來的橫向應(yīng)變峰值變化和豎向應(yīng)變拉壓交替峰峰值變化;對(duì)于下面層底部的Mp2點(diǎn),當(dāng)車輛嚴(yán)重超載(負(fù)載180 kN)時(shí),豎向應(yīng)變峰值達(dá)84.1×10-6,約為滿載情況下的1.6倍。

圖9 不同車載作用的橫向應(yīng)變及豎向應(yīng)變

3.1.3 嵌入式傳感系統(tǒng)的輸出電壓

不同軸載作用下嵌入式壓電系統(tǒng)的輸出電壓峰值如圖10所示。隨著加載載荷的增加,各壓電單元的輸出以及總輸出也隨之線性增加,說明該傳感系統(tǒng)的電壓輸出峰值可有效反映加載荷載,可用于車輛荷載監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)或動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)。

圖10 不同軸載作用下嵌入式壓電系統(tǒng)的輸出電壓峰值

3.2 不同行車速度下嵌入式傳感路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

在車輛滿載(即實(shí)際負(fù)載=額定負(fù)載×100%)情況下,分別以速度18、36、54、72、90、108 km/h行駛時(shí),根據(jù)3.1.1和3.1.2的指標(biāo)分析結(jié)果,以監(jiān)測(cè)點(diǎn)的豎向加速度峰值、豎向應(yīng)變峰值與橫向應(yīng)變峰值為指標(biāo),分析嵌入式傳感路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng),見圖11。

圖11 不同速度下監(jiān)測(cè)點(diǎn)的峰值輸出

由圖11可知:

1) 路面中面層和下面層的豎向應(yīng)變峰值和橫向應(yīng)變峰值響應(yīng),受行車速度影響明顯,且不為單調(diào)變化;在本研究選取的速度范圍內(nèi),存在2個(gè)極大值,極值一發(fā)生在40 km/h以內(nèi),極值二位于90 km/h處。豎向應(yīng)變峰值位于90 km/h處,下面層Mp2點(diǎn)的豎向應(yīng)變峰值為176×10-6,約為中面層Mp1點(diǎn)(226×10-6)的77.9%;橫向應(yīng)變峰值發(fā)生在18 km/h處,中面層Mp1點(diǎn)的峰值高達(dá)246×10-6。

2) 當(dāng)車速增加時(shí),路面中面層和下面層的豎向加速度峰值總體上呈現(xiàn)增加的趨勢(shì),但當(dāng)v=90 km/h時(shí),豎向加速度達(dá)到最大值,Mp1點(diǎn)峰值為178×10-3g,Mp2點(diǎn)峰值為 80.3×10-3g,僅為Mp1點(diǎn)峰值的45%,說明該速度下路面的豎向振動(dòng)響應(yīng)隨深度衰減較為明顯。

3.3 不同路面平整度下嵌入式傳感路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

為了進(jìn)一步探究路面不平整程度對(duì)于嵌入式壓電傳感路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響,在A、B、C三個(gè)路面等級(jí)下,10 t貨車在相同的滿載情況下以相同的速度(54 km/h(15 m/s))行駛于5 m長(zhǎng)的嵌入式傳感路面,以路面中心處各深度位置的三向振動(dòng)加速度為指標(biāo),進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析,見圖12。

圖12 不同等級(jí)路面下路面各深度的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

由圖12可以看出,深度在600 mm以內(nèi)的路面結(jié)構(gòu)三向振動(dòng)加速度響應(yīng)變化對(duì)路面等級(jí)的下降較為明顯。隨著路面等級(jí)下降,路面不平整度增加,各深度的豎向加速度變化最明顯,A級(jí)路面時(shí),路面結(jié)構(gòu)不同深度的平均豎向加速度為-10×10-3g,B級(jí)時(shí)為-18×10-3g,C級(jí)時(shí)為-39×10-3g;峰值豎向加速度由-30×10-3g增加至62×10-3g。表明,路面不平整度的增加,會(huì)導(dǎo)致路面各結(jié)構(gòu)層豎向振動(dòng)的普遍增加,加大內(nèi)部發(fā)生變形破壞的風(fēng)險(xiǎn)。從橫向加速度和縱向加速度變化來看,路面等級(jí)下降主要影響200 mm以內(nèi)結(jié)構(gòu)層的振動(dòng)響應(yīng),一般為面層。

4 結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)變數(shù)據(jù)和振動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比,本研究建立的路面有限元模型響應(yīng)峰值符合實(shí)際,較為可靠。

2) 隨著車輛荷載的增加,路面結(jié)構(gòu)的豎向加速度峰值隨之線性增加;當(dāng)車輛嚴(yán)重超載時(shí),中、下面層的橫縱向加速度正負(fù)峰震蕩明顯,下面層底部的豎向應(yīng)變峰值達(dá)84.1×10-6,約為滿載情況下的1.6倍;需重點(diǎn)考慮超載帶來的橫向應(yīng)變峰值變化和豎向應(yīng)變拉壓交替峰峰值變化;嵌入式壓電系統(tǒng)的輸出峰值隨荷載增加而線性增加,且線性度良好。

3) 行駛速度對(duì)路面的振動(dòng)和應(yīng)變響應(yīng)影響明顯,均不為單調(diào)變化。中面層與下面層應(yīng)變峰值響應(yīng)規(guī)律一致,在低于40 km/h處和90 km/h處出現(xiàn)2個(gè)極值,應(yīng)變峰值隨深度的增加而減小,下面層應(yīng)變峰值約為中面層的78%;當(dāng)v=90 km/h時(shí),中、下面層豎向加速度峰值達(dá)到最大值,下面層峰值僅為中面層的45%,振動(dòng)響應(yīng)隨深度衰減較為明顯。

4) 隨著路面等級(jí)從A級(jí)降為C級(jí),路面各結(jié)構(gòu)層平均豎向加速度從-10×10-3g增加到-39×10-3g,其中深度200 mm以內(nèi)的三向振動(dòng)增幅最為突出。