車輛動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動響應(yīng)分析(最后)

車輛動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析交通運輸工程龐曉磊120147620研究現(xiàn)狀現(xiàn)有的瀝青路面結(jié)構(gòu)設(shè)計理論中，通常采用靜態(tài)加載模式設(shè)計路面各結(jié)構(gòu)層厚度。這種方法適用于車速較低、車載較小的情況，但隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車輛的速度越來越快，重型汽車也越來越多，因此研究行駛的車輛對路面產(chǎn)生動荷載作用下路面結(jié)構(gòu)的力學響應(yīng)具有重要的理論意義和潛在的應(yīng)用前景。路面平整度概念：

是指修筑完成的道路表面相對于設(shè)計平面的偏差。這樣的定義包括影響車輛行駛質(zhì)量、車輛動力性能和車輛對路面附加動力荷載的特點。路面平整度的檢測指標：

主要包括：IRI指數(shù)（國際）、PSI指數(shù)（加拿大）、APL指數(shù)（法國）和NAASAR指數(shù)（澳大利亞）、PSD（汽車行業(yè)）等，其中IRI指數(shù)和PSD指數(shù)是世界性國際組織通用的監(jiān)測指數(shù)。

《公路路基路面現(xiàn)場測試規(guī)程(JTJ059-95)》規(guī)范中規(guī)定，我國采用三種路面平整度檢測手段，分別為三米直尺量測的最大間隙、標準差δ

和單向位移累積值VBI。以下就分別介紹這三種方法。1、三米直尺測量的最大間隙三米直尺法測量路面平整度2、標準差δ

標準差δ

是由連續(xù)式平整度儀測試輸出的路面平整度數(shù)據(jù)。連續(xù)式平整度儀3、單向位移累積值VBI

單向位移累積值VBI是車輛在路面上行駛時后軸與車廂之間的單向位移累積的總和與行駛的路面總長度之比，測試車輛在路面上行駛時與路面相互作用產(chǎn)生振動，引起車廂和車軸的相對位移，這樣就可以通過感應(yīng)器測量出汽車在行駛一段距離后相對位移的總和，進而得出VBI值，單位cm/km。模擬路面平整度的結(jié)論按照頻譜表示法模擬路面平整度的理論，編制生成隨機路面的matlab程序，分別對A、B和C級路面進行時域仿真，假設(shè)行車速度分別為5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，仿真時間取200s，即模擬1000m、2000m、3000m和4000m長度的路面的平整度時域模型，得到不同速度下的路面平整度時域模型，通過分析我們可以得出這種結(jié)論：(1)道路等級越低路面平整度值越大，即路面平整性越差;(2)隨著車速的增加路面平整度越差，同一道路等級時，車速越大路面給車輛的激勵越大，這也就導(dǎo)致車輛振動越強烈，這符合力學規(guī)律。

瀝青路面結(jié)構(gòu)交通荷載作用下瀝青路面動位移由圖可知，瀝青表面層車輪底部彎沉最大，隨著路面結(jié)構(gòu)深度，從瀝青路面層頂部至底基層底部依次減小，位移彎沉傳遞到達底基層底部時，接近于零，在基層與底基層結(jié)合部，由于相鄰層之間材料彈性模量存在差異，結(jié)構(gòu)最脆弱，容易產(chǎn)生彎沉變化，使路面產(chǎn)生裂縫等損壞。豎向位移的時程曲線圖可以看出，動態(tài)載荷作用下引起的路面路表彎沉形狀大致呈半圓形，并且輪載作用中心點處有最大動位移，隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加位移逐漸減少，但輪載作用點后方分布范圍較大，是以輪載作用點為圓心，半徑不斷增加的同心圓，反映了車輛動載作用需要時間恢復(fù)。垂直動位移沿y方向分布圖交通荷載作用下瀝青路面動應(yīng)力1、瀝青路面各層動態(tài)響應(yīng)的垂直動應(yīng)力垂直動應(yīng)力主要產(chǎn)生壓應(yīng)力，最大壓應(yīng)力在瀝青路面層頂部（0-4cm）范圍內(nèi)出現(xiàn)，并且隨著深度的增加而減小的。如果有行車荷載時，會出現(xiàn)極小的拉應(yīng)力波動。垂直動應(yīng)力σz時程曲線圖垂直動應(yīng)力σz沿橫向距離的變化規(guī)律左圖為垂直動應(yīng)力σz在瀝青面層層底和底基層頂面沿垂直于行車方向的橫向路面變化曲線，輪軸加載點處的會直接產(chǎn)生最大的垂直壓應(yīng)力，沿著橫向距離，動應(yīng)力很快衰減，遠離加載點處，會首先產(chǎn)生最大拉應(yīng)力峰值，而后，慢慢遞減，垂直動應(yīng)力為零時已是路肩上的點。2、瀝青路面各層動態(tài)響應(yīng)的水平動應(yīng)力荷載作用下，瀝青路面響應(yīng)主要有壓應(yīng)力和拉應(yīng)力，而且是交替變化著。路面層產(chǎn)生壓應(yīng)力，在路面層頂部有最大壓應(yīng)力，而后隨深度增加從上往下逐漸減小，到達底基層時，壓應(yīng)力趨于零，拉應(yīng)力慢慢增大，在基層與底基層結(jié)合部拉應(yīng)力達到較大值，到達底基層底部時拉應(yīng)力最大。水平動應(yīng)力時程曲線圖3、瀝青路面各層動態(tài)響應(yīng)的橫向動應(yīng)力橫向應(yīng)力時程曲線圖路面動態(tài)荷載引起的橫向最大壓應(yīng)力發(fā)生在瀝青路面層頂部，在各層結(jié)合處存在大量拉應(yīng)力，如基層與底基層結(jié)合處，且得到的結(jié)果顯示，底基層底部拉應(yīng)力是最大的。與水平拉應(yīng)力相比，底基層底部的最大橫向拉應(yīng)力要大很多。所以，橫向應(yīng)力也是造成瀝青路面疲勞破壞的重要因子之一，這對于瀝青路面設(shè)計及施工意義不可小覷。交通荷載作用下瀝青路面動應(yīng)變在瀝青面層頂部，容易有滑移破壞問題出現(xiàn)，主要是因為在頂部存在垂直動應(yīng)變的拉應(yīng)變與壓應(yīng)變的交替，極易與基層錯位。路面結(jié)構(gòu)的位移彎沉，主要是由于存在垂直壓應(yīng)變的緣故，除面層外，垂直動應(yīng)變均為壓應(yīng)變，且最大值出現(xiàn)在在基層與底基層結(jié)合部。瀝青路面結(jié)構(gòu)各層在同一層內(nèi)水平應(yīng)變也是交變的，既有拉應(yīng)變也有壓應(yīng)變，與橫向應(yīng)變一樣，最大拉應(yīng)力均在基層與底基層結(jié)合部產(chǎn)生，然橫向應(yīng)變各層都是拉應(yīng)變，除了瀝青路面層頂部的壓應(yīng)變以外。垂直動應(yīng)變時程曲線圖水平動應(yīng)變時程曲線圖橫向動應(yīng)變時程曲線圖交通荷載作用下瀝青路面剪應(yīng)力水平剪應(yīng)力時程曲線圖如圖可知，在時間點約0．1秒前后，水平剪應(yīng)力的值出現(xiàn)明顯正負之分，車輪作用下路面上的過程本身也只有0．01秒～0．1秒的時間，這充分表明，瀝青路面結(jié)構(gòu)各層在車輪作用之前是正的剪應(yīng)力，車輪作用之后受到負的剪應(yīng)力。橫向剪應(yīng)力時程曲線圖在瀝青路面層中間部位即0～4cm，剪應(yīng)力非常小，隨路面深度增加變化很小，在瀝青路面層的中面層與底面層之間，也就是4～10cm之間，剪應(yīng)力增長迅速，在面層底部有最大剪應(yīng)力峰值。但是，由于深度的繼續(xù)增加，剪應(yīng)力并沒有增加，而是急劇下降，在基層與底基層結(jié)合部部出現(xiàn)最小剪應(yīng)力值。載重對瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響分析1、載重對豎向位移響應(yīng)影響對于瀝青路面層同一深度，載重的增加與瀝青路面豎向位移的增加呈正比例關(guān)系。豎向位移隨載重變化曲線2、載重對垂直動應(yīng)力的影響垂直動應(yīng)力隨載重的變化曲線瀝青路面層4cm處垂直動應(yīng)力隨超載率的變化曲線3、載重對動應(yīng)變的影響

彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變是組成動應(yīng)變的最主要的兩個部分，不同輪載作用，動應(yīng)變將隨之發(fā)生變化。由圖可知，路面路基的應(yīng)變，隨著荷載的增加，都在增加。路面彈性應(yīng)變隨載重的變化曲線路面塑形應(yīng)變隨載重的變化曲線路基彈性應(yīng)變隨載重的變化曲線路基塑形應(yīng)變隨載重的變化曲線路基路面塑形應(yīng)變隨載重的變化曲線行車速度對瀝青路面結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響分析1、速度對豎向位移的影響以下分析時，以輪軸400kN，給出行車速度為60km／h、80km／h、100km／h、120km／h，研究不同行駛速度對豎向位移、最大垂直壓應(yīng)力、最大水平拉應(yīng)力、最大剪應(yīng)力的響應(yīng)分析。在荷載一定的情況下，隨著車速的增加，瀝青路面層頂部豎向位移，即彎沉下降幅度較大。隨著車速的加快，導(dǎo)致瀝青路面層產(chǎn)生的豎向位移越來越小，在路面設(shè)計中，設(shè)置適宜的行車速度，可提高瀝青路面的使用壽命。不同車速時瀝青路面層頂部最大豎向位移2、速度對垂直動應(yīng)力的影響不同車速時瀝青路面層頂部最大垂直壓應(yīng)力3、速度對水平拉應(yīng)力的影響荷載在瀝青路面層底基層與路基結(jié)合部產(chǎn)生的水平及橫向拉應(yīng)力最大。不同車速時底基層最大水平拉應(yīng)力4、速度對剪應(yīng)力的影響不同車速時瀝青路面層頂部最大剪應(yīng)力結(jié)論

分析路面結(jié)構(gòu)在車輛動態(tài)荷載作用下的豎向位移、動應(yīng)力、動應(yīng)變、剪應(yīng)力響應(yīng)，得到以下結(jié)論：

(1)在車輛動荷載作用下，隨著路面深度的增加，瀝青路面的動態(tài)響應(yīng)峰值都在減小。

(2)瀝青表面層車輪底部彎沉最大，隨著路面結(jié)構(gòu)深度增加，從瀝青路面層頂部至路基上部依次減小，位移彎沉傳遞到達路基時，接近于零。

(3)瀝青路面結(jié)構(gòu)存在三向動應(yīng)力，即垂直動應(yīng)力σz、水平動應(yīng)力σY及橫向動應(yīng)力σx，它們的共同作用引起路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞，使路面結(jié)構(gòu)發(fā)生早期疲勞破壞最主要的原因還是水平動應(yīng)力和橫向動應(yīng)力的壓應(yīng)變及拉應(yīng)變的交替變化作用。

(4)瀝青路面結(jié)構(gòu)處于三向受壓狀態(tài)，產(chǎn)生破壞主要原因是層間存在大量的剪應(yīng)力；瀝青路面結(jié)構(gòu)層底拉應(yīng)力是引起疲勞破壞的最主要因素，且最大水平和橫向拉應(yīng)力均發(fā)生在底基層底部，因此，路面結(jié)構(gòu)的疲勞破壞將沿著路面結(jié)構(gòu)深度從底基

層到基層，逐漸向上擴散，開始在基層產(chǎn)生疲勞破壞，最終，瀝青路面結(jié)構(gòu)由于層間產(chǎn)生的疲勞反射裂縫使得整個路面提前損壞。(5)車輛載重、車速、對豎向位移、動應(yīng)力、動應(yīng)變都有影響。瀝青路面層同一深度，載重的增加與瀝青路面豎向位移、動應(yīng)力的增加均呈正比例關(guān)系。在瀝青路面深度4cm以下，荷載不同，豎向位移下降幅度越來越慢。車輛輪載增加，動應(yīng)力增大，路基路面都存在彈性應(yīng)變，路