（道路与铁道工程专业论文）基于人—车—路相互作用的沥青路面平整度评价方法研究.pdf

摘要 路面平整度对人的舒适性、车辆振动和路面使用寿命有显著影响。但分析现有的各 种沥青路面平整度评价指标发现，人均没有包括在车辆模型中，评价指标与人的舒适性 仅通过与主观评价试验相对照进行证明。因此，本文提出以人的加权加速度均方根值为 评价方法研究沥青路面平整度具有重要的理论和现实意义。 论文分析几种平稳g a u s s i a n 随机过程模拟路面高程的方法，从节约成本和缩短研 究周期考虑，采用随机正弦波叠加法模拟1 0 0 0 m 的路面长度，离散间隔为0 2 5 m 的a 、 b 、c 和d 四个等级的路面，并对所模拟的路面模型进行验证，结果表明模拟路面高程 在国标所要求的范围内。采用国际标准i s 0 2 6 3 1 标准中推荐的加权加速度均方根值对乘 客振动进行评价，同时作为沥青路面平整度的评价指标。接着从研究的目的、计算简化 和与实际情况接近等方面考虑，将车辆模型简化为三自由度车辆振动模型和五自由度车 辆振动模型，同时依据牛顿法分别给出三自由度和五自由度车辆振动微分方程。采用传 递矩阵法详细分析三自由度和五自由度车辆模型振动微分方程的计算过程，并用 m a t l a b 编制成程序以便于计算；同时，分析三自由度和五自由度车辆模型参数对计 算结果的影响。另外，选择国内外使用广泛的三种沥青路面平整度评价指标与加权加速 度均方根值进行相关性研究，结果表明，加权加速度均方根值与国际平整度指数、功率 谱密度和平整度标准差的相关系数r 2 分别为：0 9 2 6 3 、0 8 4 8 4 和0 8 7 1 3 。最后，论文给 出沥青路面平整度评价方法的步骤：首先获得路面纵断面高程、确定车辆模型和结构参 数；其次，通过计算得到路段人的加权加速度均方根值，确定该路段人的舒适性，由此 确定沥青路面平整度情况。同时，在模拟路面高程基础上，按照此步骤分析三自由度和 五自由度车辆模型的沥青路面平整度评价算例。 关键词：路面，平整度，振动，评价方法，加权加速度均方根值 a b s t r a c t p a v e m e n tr o u g h n e s so nh u m a nc o m f o r t 、v e h i c l ev i b r a t i o na n ds e r v i c el i f eo fr o a dh a sa s i g n i f i c a n ti m p a c t h o w e v e r ，a n a l y s i so fe x i s t i n ga s p h a l tp a v e m e n te v a l u a t i o n f o u n dt h a t p e r s o nw a sn o ti n c l u d e di nt h ev e h i c l em o d e l ，t h ee v a l u a t i o ni n d e xo fc o m f o r tw i t hp e o p l e o n l yt h r o u g ht h ec o n t r a s t 、访t 1 1t h es u b j e c t i v ee v a l u a t i o nt e s t t op r o v et h a t t h e r e f o r e ，t h e p e o p l eo ft h ew e i g h t e dr o o t - m e a n - s q u a r e ( r m s ) a c c e l e r a t i o nm e t h o df o re v a l u a t i n gt h e r o u g h n e s so fa s p h a l tp a v e m e n to fg r e a tt h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e t h ea u t h o ra n a l y z e ds e v e r a ls m o o t hg a u s s i a nr a n d o mp r o c e s ss i m u l a t i o nm e t h o d so f p a v e m e n te l e v a t i o n f r o mc o s ts a v i n g sa n ds h o r t e nt h er e s e a r c hc y c l ec o n s i d e r a t i o n s ，a s u i t a b l ef o rr a n d o ms u p e r p o s i t i o nm e t h o do fs i n ew a v ew a ss i m u l a t e dp a v e m e n tm o d e ld a t a t h ea u t h o rs i m u l a t e dar o a dl e n g t ho fl0 0 0 m ，0 2 5 md i s c r e t ei n t e r v a lo fa ，b ，ca n ddf o u r g r a d e so f t h er o a d s i m u l a t i o no ft h er o a dm o d e lv a l i d a t i o n ，s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h e s u r f a c ee l e v a t i o nr e q u i r e di nt h eg br a n g e u s eo fi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d sr e c o m m e n d e db y t h ei s 0 2 6 31s t a n d a r dr o o t m e a n - s q u a r ev a l u eo fw e i g h t e da c c e l e r a t i o no fv i b r a t i o nt ot h e p a s s e n g e r st oe v a l u a t e ，a tt h es a m et i m ea st h er o u g h n e s so fa s p h a l tp a v e m e n te v a l u a t i o n t h e n ，f r o mt h es t u d ya i m st os i m p l i f yt h ec a l c u l a t i o na n dt h ea c t u a ls i t u a t i o ni nt h ea r e a s c l o s et oc o n s i d e rt h ev e h i c l em o d e lw o u l db er e d u c e dt o3a n d5d e g r e e so ff r e e d o m ( d o f ) v i b r a t i o nm o d e lv e h i c l e s a tt h es a m et i m e ，b a s e do nn e w t o n sl a ww a sg i v e n3 ，r e s p e c t i v e l y , a n d5d o fv e h i c l ev i b r a t i o nd i f f e r e n t i a le q u a t i o n s t r a n s f e rm a t r i xm e t h o du s i n gad e t a i l e d a n a l y s i so f3a n d5d o f v e h i c l em o d e l sf o rc a l c u l a t i n gt h ep r o c e s so fv i b r a t i o nd i f f e r e n t i a l e q u a t i o n s ，a n dm a t l a bp r o g r a mi no r d e rt op r e p a r eac a l c u l a t i o n ；a tt h es a m et i m e ，a n a l y s i s o f3a n d5d o fv e h i c l em o d e lp a r a m e t e r so nt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t s i na d d i t i o n ，t h eu s eo fa w i d er a n g eo fc h o i c e sa th o m ea n da b r o a dt h r e ea s p h a l tp a v e m e n te v a l u a t i o nw i t ht h e w e i g h t e dr m sv a l u eo ft h ea s s o c i a t e da c c e l e r a t i o no fr e s e a r c h ，r e s u l t ss h o w e dt h a tt h e i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ，p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y , a n ds t a n d a r dd e v i a t i o no f r o u g h n e s st h e c o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t ( r 2 ) w e r ea sf o l l o w s ：0 9 2 6 3 、o 8 4 8 4a n do 8 7 1 3 f i n a l l y , t h et h e s i s g i v e nt h er o u g h n e s so fa s p h a l tp a v e m e n te v a l u a t i o ns t e p s ：f i r s t ，a c c e s st ot h er o a dv e r t i c a l s e c t i o ne l e v a t i o nt od e t e r m i n et h ev e h i c l em o d e la n dt h es t r u c t u r a lp a r a m e t e r s ；s e c o n d , s e c t i o n sw e r eo b t a i n e db yc a l c u l a t i n gt h ew e i g h t e dr o o tm e a ns q u a r ea c c e l e r a t i o nv a l u et o d e t e r m i n et h es e c t i o n so fp e o p l e sc o m f o r t ，w h i c hd e t e r m i n e dt h es i t u a t i o no ft h er o u g h n e s so f a s p h a l tp a v e m e n t a tt h es a m et i m e ，i nas i m u l a t e dr o a ds u r f a c ee l e v a t i o nb a s e do nt h e a n a l y s i so ft h i ss t e pi na c c o r d a n c ew i t h3a n d5d o f v e h i c l em o d e le v a l u a t i o na s p h a l t p a v e m e n te x a m p l e k e y w o r d s ：p a v e m e n t ，r o u g h n e s s ，v i b r a t i o n , m e t h o d o f e v a l u a t i o n , w e i g h e d r o o t - m e a n s q u a r ea c c e l e r a t i o n ，d e g r e e so f f r e e d o m 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 耘压柿矽厂年岁月芗日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：栖死桶 。岬年箩月芗日 导师签名： i 嘭匕。 甜哼年5 月刁e l 长安大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 路面平整度【l 】定义：路面表面相对于理想平面的竖向偏差，而这种偏差会影响到车 辆动力特性、行驶质量、路面所受到的动荷载和排水。路面平整度是评价路面使用品质 的一个重要指标，直接影响着道路的使用性能。1 9 6 0 年a a s h t o ( a m e r i c a na s s o c i a t i o n o fs t a t eh i g h w a ya n dt r a n s p o r t a t i o no f f i c i a l s ) 道路试验研究表明大约9 5 的路面服务性 能来自于道路表面的平整度【2 1 。l t p p ( l o n gt e r mp a v e m e n tp e r f o r m a n c e ) 的研究表明，路 面平整度特别是初始路面平整度，严重影响路面使用寿命【3 1 。n c h r p ( n a t i o n a l c o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 的2 7 5 号研究报告中指出，车辆的行驶品质和舒 适度都与平整度有关【4 1 ；除此之外，平整度对于道面的使用寿命有明显的影响【4 】：降低 平整度值1 0 ，即可增加路面使用年限约5 ，若平整度降低2 5 ，则路面的使用寿命 将可增加1 0 一2 0 。a a s h t 0 2 0 0 2 设计指南正式将路面不平整度作为设计验算指标之 一，不只作为路面施工验收控制指标，而是设计阶段控制指标。因此，研究路面平整度 具有重要的实际意义。 人们对路面平整度认识大多是根据经验从施工角度控制路面不平整度，而对路面不 平整度引发路一车相互振动及对人体的影响等深层次的理论研究较少，故无法掌握其发 展规律，也就无法真正控制路面平整度。目前世界各国路面平整度的测定方法与指标各 异，至今都没有得到一个统一的指标与测定方法。世界银行于1 9 8 2 年在巴西等国家进 行路面平整度试验的基础上提出的国际平整度评价指标i r i 5 , 6 ( i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s s i n d e x ) 。i r i 指1 4 车辆模型以规定速度( 8 0 k m h ) 行驶在路面断面上，车身悬架的总 位移与行驶距离之比。由于i r i 具有多种优点，美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南和大部分 欧洲国家均采用i r i 作为平整度验收指标。它目前已经成为国际上运用最广泛的平整度 评价指标。但许多学者研究发现，i r i 用于评价路面平整度具有不少缺陷：i r i 和行驶舒 适性相关性较差【7 。9 1 ，i r i 的分级临界值不能适于所有等级的公路【1 o 1 1 1 。 路面平整度不仅影响驾驶员及乘客行驶舒适性，而且还与车辆振动、运行速度、轮 胎摩擦与磨损及车辆运营费用等有关，是个涉及人、车、路三方面的指标。显而易见， 从道路使用者的因素来考虑路面平整度指标将更具合理性。但是，到目前为止，路面平 第一章绪论 整度评价指标所建立的模型都均未包括人在内。如果将人考虑在内，可以直接以人的振 动加速度等直接与舒适性相关的指标作为路面平整度评价指标，自然会是各种平整度指 标中最佳的。故周晓青和孙立军等【1 2 】提出，根据平整度评价由路到车一路的发展趋势， 今后发展的方向应该是在评价指标中包含人一车一路3 方面的相关信息。因此，考虑人 体在内路面平整度的研究更具有重要的理论和现实意义。本文将考虑人的因素进行人、 车、路三者相互影响的分析，研究路面平整度。 1 2 路面平整度重要性 1 2 1 路面平整度定义 路面平整度【1 3 。1 5 】是一个非物理量，是约定可计量的量，这类量的定义与计量方法有 关，相互之间不存在确定的换算关系。因此，不同的定义、不同的测量方法会得出不同 的结果。在这种情况下，为路面平整度下一个十分明确的、唯一的、可定量化的、为各 方都接受的概念确实比较困难。因此，路面平整度是一个复杂的概念，至今还没有完整 而准确的定义。随着对路面平整度研究的深入，发现它可由三种剖面的竖向变形构成： 纵向、横向和水平的。纵向变形是路面表面沿行车方向高低起伏变化，横向变形是路面 表面沿路面横断面方向的高低起伏的变化，水平方向变形为纵向和横向变形的合成。路 面表面的变形一般影响车辆侧向和垂直方向的加速度：侧向加速度影响车辆的摇晃，摇 晃的原因来自竖轴；垂直方向的加速度对使用者行驶和行驶的舒适性影响极大。而车辆 垂直方向的加速度主要有纵向变形所引发，故目前路面平整度研究的主要对象是纵向变 形；横向变形是路面车辙和横断面的不平，主要引发车辆的侧向加速度。 交通部部标准公路工程名词术语( j t j 0 0 2 8 7 ) 及国家标准道路工程术语标准 ( g b j l 2 4 8 8 ) 中将路面乎整度定义：以几何平面为基准，道路表面纵向凹凸量的偏差 值为沥青路面的平整度；在公路工程中，道路表面的崎岖不平被称之为沥青路面平整度。 该定义比较模糊，只涉及路的特性，而对人车没有涉及。 美国试验与材料协会( a s t m ) 的定义( e 8 6 7 ) 为：“道路平整度是路面表面相对于理想 平面的竖向偏差，而这种偏差会影响到车辆动力特性、行驶质量、路面所受到的动荷载 和排水，例如，纵断面、横断面和横坡。定义的内涵包括客观评价指标和主观评价指 标两部分。客观评价指标是道路表面对于理想平面的偏离，即对路面平整度进行测量、 2 长安大学硕士学位论文 计算得到的结果，如方差、功率谱密度等。客观评价的优点是测量结果的客观性，即时 间稳定性或时不变性。主观评价指标是用乘车人的主观感觉来评价而得到的评价指标。 其优点是把运行参数一车和人的感觉纳入路面平整度的评定；缺点是评价具有不稳定 性，即评价结果受车辆状况、驾驶技术和评价人员主观判断的影响。因此，这个定义的 合理性在于：它明确路面平整度测量的参照系，避免由于采用不同测量仪而引起的基准 面差异所造成的平整度测量结果在数值上的差异；它明确影响平整度的因素有人_ 车一 路三个方面因素，避免片面性；它给出区分平整度与粗糙度、平整度与道路纵坡的标准， 将粗糙度和纵坡不能明显表现的人一车一路三个影响特性，在平整度定义中清晰地呈现 出来。但是该定义也没有提供路面平整度量化的方法和标准。 综合分析以上路面平整度的定义可知，美国试验与材料协会( a s t m ) 的定义( e 8 6 7 ) 可以实现人一车一路系统的优化，进而为制定合理的路面标准提供理论基础。为此，本 文使用a s t m ( e 8 6 7 ) 中的定义。 1 2 2 路面平整度意义 平整度不良的路面会影响乘车的舒适性、降低汽车速度、加速车辆零部件损坏、提 高车辆运营费用；不平整的道路使车辆产生的冲击荷载反过来加剧路面破损，降低路面 的使用寿命。因此，从舒适性和安全性、车速、经济性、路面结构和道路养护五个方面 分析良好路面平整度的意义。 ( 1 ) 对舒适性和安全性影响 上世纪5 0 年代a a s h o 的道路实验报告是最早研究路面平整度对舒适性能影响。 在a a s h o 实验中，研究人员通过评价小组的主观评分，建立实测平整度与专家评分间 的关系p s i 。虽然p s i 也是车辙与表面破损的函数，但平整度在p s i 模型中起绝对主要 的作用，因此，实际上p s i 是平整度的函数。利用p s i 模型可分析平整度对行驶舒适性 能的影响。我国交通部建立的r q i 模型是用间接的百分制指标r q i 反映平整度对舒适 性的影响。其评价标准是：大于8 5 时路段为优，小于4 0 时路段为差，此时行车颠簸非 常严重，感觉不舒适。当r q i 处于差的档次时，一般需要对路面进行大修( 如强度不足) 或中修养护。 路面平整度也直接关系着行车安全。当驾驶员对车辆施加转向力时，受转向阻力的 制约，即因路面不平整而波动，此波动范围与路面不平整度成正比，从而构成不同程度 3 第一章绪论 的操纵不稳定性。越是高速行驶，这种操纵不稳定性的危险性就越大。另外，路面平整 度太差，雨后容易积水，局部形成“水垫”，导致水雾和漂滑，附着系数急剧下降，从 而易出现安全交通事故。这点在高速公路中尤为重要。路面的不平整还会导致车轮的不 均匀跳动，使得荷载不均匀分布，当轮子跳起悬空时，则该轮胎完全失去制动力。制动 力不均匀( 紧急制动) 车辆容易产生偏滑则会发生交通安全事故。 ( 2 ) 对车速的影响 w a t a n a t a d ae ta 1 ( 1 9 8 7 ) 在巴西通过实验建立车速与平整度的关系模型。当路面不平整 时，车辆行驶过程中振动加剧，驾驶员或乘客的所感觉到的舒适性降低，此时就会调整 车速以使得所感觉到的舒适性处于允许的范围内。我国在山东标定w a t a n a t a d ae ta l 的模 型，研究发现：只有平整度指标值大于一定值时它才会对汽车产生明显的影响。当路面 非常不平时( i r i 1 3 m k m ) ，平均车速要小于3 5 k m h 。平整度指标值很小时，影响速度的 因素往往是车辆本身性能及载重等。 ( 3 ) 对经济的影响 由于车速与汽车油耗、轮耗及运行时间有直接的关系，因而平整度的好坏直接影响 车辆运营费用及时间费用。世界银行在肯尼亚、巴西、加勒比海和印度通过实验及理论 分析建立油耗、轮胎磨耗与平整度的关系( c h e s h e ra n dh a r r i s o n ，1 9 8 7 ) ( w a t a n a t a d ae t a l ，1 9 8 7 ) 。通过这些关系可以估算出，路面平整度由好变差时车辆运营费用将增加。在 印度的研究中( c r r i ，1 9 8 2 ) 平整度良好的路面与不良的平整度路面之间油耗可相差 1 0 - - , 3 3 。我国9 0 年代在山东对w a t a n a t a d ae ta l 的模型中，研究发现油耗差别为1 5 左右。 ( 4 ) 路面结构 平整度对于道面使用寿命有明显的影响【4 1 。路面不平整激发车辆产生动态力，车辆 速度越大动态力越大；相反，车辆动态力增加又加速路表面的不平整性。长此以往，行 驶车辆和路面的不平整度之间形成恶性循环。因此，路面条件决定车辆荷载的变化，其 又对路面的使用寿命产生显著的影响，从而给路面的结构设计提出新的要求。因此，深 入研究路面平整度对路面结构的影响，明确路面平整度对路面结构的影响形式，具有十 分重要的理论意义和工程价值。 ( 5 ) 对道路养护的影响 4 长安大学硕士学位论文 及时、良好的道路养护可以提高公路的服务水平，延长道路使用寿命，保持或改善 路面的使用性能。我国公路沥青路面养护技术规范( jt j0 7 3 2 _ 2 0 0 1 ) 以平整度作 为路面使用质量性能的评价内容。高速公路养护质量检评方法( 试行) 中规定：在ir i 6 6 时，路面处于需要养护维修的状态。另外，在公路养护中，在确定路面平整度 养护标准时，需要综合考虑路面结构厚度、结构所能提供的使用周期、平整度、养护费 用及车辆运营费用内在的相互关系。 总之，良好的路面平整度可以节约路面的养护和维修费用，提高路面的使用寿命。 同时，节约车辆的燃油消耗和轮胎磨损，减少车辆的振动，提高驾驶员或乘客的舒适性， 保证行驶中安全性。 1 - 3 沥青路面平整度指标研究现状 路面平整度评价指标有断面类、反应类和主观评估类3 种。主观评价指标主要有平 均评分等级m p r 、现时服务性能等级p s r 、行驶质量数r n 等。断面类评价指标主要包 括平整度标准差0 、竖向加速度均方根r m s v a 、坡度变化s v 、功率谱密度p s d 等。： 上个世纪2 0 年代，开始将研究重点由单纯路面断面的研究转向由于路面不平整引起车； 辆振动的研究，平整度反应类测试评价方法开始出现。反应类测试设备主要包括美国公 路局研制的b p r 平整度仪、颠簸累积仪、c h o l e 仪、m a y s 仪、p c a 仪和澳大利亚 n a a s r a 仪等，通过采用车辆车轴累积竖向位移量来表征路面不平整度，所提出的反 应类评价指标主要有颠簸累计数、国际平整度指数i r i 、断面指数p i 、平均调整速度 r a r s 、半车平整度指数h r i 等。 对国内外常用的平整度评价指标：国际平整度指数1 r i 、平均评分等级m p r ( m e a n p a n c lr a t i n g ) 、行驶质量数r n 、平整度标准差盯、三米直尺测定最大间隙、纵断面指数 p i 和功率谱密度( p s d ) 等简单介绍。 ( 1 ) 国际平整度指数i r i 国际平整度指数( i r i ) 是美国国家公路研究计划( n c h r p ) 1 9 7 8 年在项目1 1 8 中提 出，起初是为解决由于r t r r m s 类仪器在较差路段上测量值偏高而在较好路段上测量 值偏低，对于测量系统本身的依赖性较高的问题，提出需要一种标准的指标与方法能对 其进行标定。在随后进行的反应类平整度系统的标定和关系研究项目提出详细的国际平 5 第一章绪论 整度指数( i r i ) 的概念，而世界银行1 9 8 2 年在巴西进行的国际平整度实验则完整而系统 的提出1 r i 的计算模型与计算方法。i r i 由一条单向纵断面计算得到，采用1 4 车模型( 由 固定的弹簧体质量与非弹簧体质量以及弹簧和阻尼组成) ，以8 0 k m h 速度在已知断面上 行驶，计算一定行驶距离内悬挂系统的累积位移作为i r i 。 i r i 是世界银行为使不同方法和仪器测定的平整度结果可以相互比较，于1 9 8 2 年在 巴西等国家进行路面平整度试验的基础上提出的平整度评价指标。由于1 r i 具有多种优 点，它目前已经成为国际上运用最广泛的平整度指标，美国a a s h t o2 0 0 2 设计指南1 5 】 和大部分欧洲国家均采用i r i 作为平整度验收指标【1 3 】。同时，a a s h t o2 0 0 2 设计指南 建立沥青路面i r 的经验预测模型。 为提高平整度测试的精确度及与国际通用指标保持一致，为此，我国从“七五开 始，在路面管理系统中采用i r i 作为路面平整度指标，并已实际使用十余年。同时，交 通部公路科学研究所曾多次在北京、上海、南京、长春、太原等地对国际平整度指数i r i 与平整度标准差盯进行大量的对比试验，全部试验结果表明二者之间具有良好的相关关 系：o r = 0 5 9 2 6 i r + 0 0 1 3 ，相关系数，= 0 9 8 7 5 。为便于应用，一般取o r = 0 6 i r 。在 我国行业标准公路工程质量检验评定标准( j t o j 7 1 - - 9 8 ) c p 对高速公路和一级公路规 定国际平整度指数i r i - 2 m k m 。 但许多学者研究发现，i r i 用于评价路面平整度具有不少缺陷，部分学者针对其缺 陷提出更为合适的平整度评价指标。 i r i 和行驶舒适性相关性较差【7 捌。首先，u 为单位距离内车身悬架的位移，而不 是与行车舒适性相关的加速度( 或其它指标) ，和行车舒适性不直接相判7 , 1 3 】。其次， 人的舒适性与振动的振幅、频率、持续时间和方向有关，人体对长度为0 5 2 5 m 内的路 面波长最为敏感【1 6 】，但i r i 对2 4 1 5 m 的波长最敏感【1 7 1 ，波长的不同造成两者间接相关 性也较差。p a p a g i a n n a k i s 和r a v e e n d r a n l 7 在频域内将车体加速度的转换函数与功率谱密 度p s d 相乘得到一个与行车舒适性相关性比较好的指标，记作r i d e 。t o d d 等【9 】分别采 用车体的竖向加速度和动态冲击系数来评价货车的行驶舒适性和动荷载。 采用的车辆模型太简单。1 4 车辆模型是计算方便采用的最简单的一种模型，能反 映竖向振动，不能体现平动和转动。c a p u r u c o 等【1 8 】采用整车模型来评价路面的平整度， 并提出称为f r i ( f u l l c a rr o u g h n e s si n d e x ) 的评价指标。 6 长安大学硕士学位论文 i r i 的分级临界值不能适于所有等级的公路1 9 ，2 们。i r i 是在8 0k m h 的速度下测试得 到的，而且它受车速的影响较大。不同等级的公路的设计速度不同，自然不能采用统一 的i r l 分级临界值。y u 等提出一个更能反映高速公路行驶质量的行驶性能指数f r n l i u 和h e r m a n1 2 0 1 针对城市道路车速比较低的特点，重新计算得到i r i 的分级临界值。 国内周晓割1 3 】对于机场道面的平整度评价指标进行研究。理论分析时采用简单的2 自由度模型，仿真计算时采用全机模型，后者以飞机中心处最大加速度作为评价指标。 但正如该文所提出的，它同样没有考虑人的因素。 ( 2 ) 平均评分等级( m p r ) 平均评分等级来自上世纪5 0 年代的a a s h t o 道路试验。由路面专家小组沿着评价 路段行驶并评分，对评分值进行统计分析处理后用一个值作为小组的最终评分值，该值 称为平均评分等级( m p r ) 。通过m p r 可以评价某路段的行驶舒适度。小组评分结果主 要取决于在评分之前对评分小组成员进行的关于路面特性或质量的定义的培训。m p r 是一个关于路面不平整度的主观评价指标，m p r 的形成基于心理学原理，所以必须认 真遵循该原理从而得到一个有效的小组评分结果。但是该评价指标受人为因素影响较 大。 ( 3 ) 行驶质量数r n 行驶质量数r n 是以使用者的感觉作为代表平整度的指标，由0 到5 的数字代表路 面行驶质量，r n = 5 代表路面接近于完美。r n 最初由m p r 得到，后在进行平整度小组 评分同时，以断面平整度仪检测路段的高低起伏，再以数学模型将平整度仪测得的数据 转换成r n 值。现r n 可由p i ，直接计算得到，其计算公式为r = 5 矿1 6 0 。研究发现， 虽然r n 是完全从理论方法得到的评价指数，而m p r 是一个主观评价指标，但两者有 很好的相关性。 ( 4 ) 平整度标准差仃 标准差盯是指八轮平整度仪测试输出的平整度数据。八轮平整度仪测定时以仪器着 地的八个轮为相对基准面，沿路面某纵向位置以一定间隔量( 如精架每移动2 5 c m ) 采集测 试轮的单向垂直位移数值，再用数理统计的方法来计算1 0 0 m 中所有数据( 若间隔为 2 5 c m ，则1 0 0 m 有4 0 0 个数据) 的方差，此方差即通常所说的标准偏差。 用均方差值的大小表示实际路面的平整度时，均方差值盯越小，平整度指标越高， 7 第一章绪论 反之，平整度指标越低。虽然连续式平整度仪设备较复杂，但其可实现连续测试，工作 效率高，能较好的反映路面凹凸程度，因此主要用于测定路面表面的平整度，评定路面 的施工质量和使用质量，但不适用于在己有较多坑槽、车辙、破损严重的路面上测定。 ( 5 ) 直尺测定最大间隙h 三米直尺法是用测量尺底距离路表面的最大间隙h 来表示路面平整度，以m m 计。 它适用于测定压实成型的路面各层表面的平整度，以此评定路面的施工质量及使用质 量。它也可用于路基表面成型后的施工平整度检测。三米直尺法在我国各施工工程中应 用较为广泛，在按照上述方法测得其值后，可按现行公路工程质量检验评定标准 ( j t j 0 7 1 - - - - - 9 8 ) 的规定，每2 0 0 m 测试两处，每处要求连续检测1 0 尺，然后计算1 0 个最 大间隙的平均值、不合格尺数及合格率。 三米直尺法由人工操作，数据采集慢，受测量人员影响，并且只能测得少量数据， 因此人为因素大、精度低、测试效率低。只适用于在道路施工过程中进行质量控制，不 适于高等级公路竣工验收和日后运行中进行检测评定。在评价路面使用状况或者在路面 管理系统的数据采集方面是一种落后的测量分析方法，但是在施工控制中该法仍具有重 要的实用价值和工程意义。 ( 6 ) 单向位移累积值v b i 用车载式颠簸累积仪测量车辆在路面上通行时后轴与车厢之间的单向位移累积值 v b i ，并以该累积值与测试路段长度之比值来评定路面的平整度情况，以c m k m 计。颠 簸累计值( m k m ) 是指每公里范围内车桥与车身之间相对竖向位移的累计值。v b i 越大， 说明路面平整度越差，舒适性也越差。该仪器适于测定路面表面的平整度，评定路面的 施工质量和使用期的舒适性。但不适用于在已有较多坑槽、破损严重的路面上测定。 颠簸累计仪除用于路面行驶品质分级外，还可用数据拟合的方式建立与其他平整度 评价指标的换算关系。对于反应类测定仪，由于受汽车底盘弹性悬挂、轮胎气压、车载 质量及环境温度的影响，为使测定结果具有时间稳定性，必须经常用连续式平整度仪或 国际平整度指数进行标定，并对绘制的曲线进行回归分析，建立相关关系，其中对于相 关系数均不得小于0 9 0 。 ，( 7 ) 断面指数p i ， p i 也是国际常用平整度评价指标之一，利用断面式平整度仪测量出路面两轮迹带的 8 长安大学硕士学位论文 平整度。加州断面仪是最常用仪器，它以7 m 的金属轻横杆作为参考高程，中央装置随 路面起伏移动的测绘轮，使用纸带记录器以1 3 0 0 的水平比例描绘的路面起伏，然后将 空白带( b l a n k i n gb a n d ) 放在断面图的中心位置上，则部分的波浪起伏会高出或低于空白 带，而呈现扇型区域，量测每个扇型的高度并相加，再将该值除以水平距离则得到断面 指数p i 。空白带的宽度由各国规范规定，一般为0 5 m m ，当空白带为0 m m 时，称为 总的累积不平整度t c r 。目前，除可以实测得到p i 值之外，还可以通过计算得到p i ， 其计算方法与1 4 车辆振动模型计算i r i 的方法相似。不过，各种质量体的比例、弹簧 系数、阻尼系数不同。北美地区多用p i ，作为新建路面平整度验收指标。 ( 8 ) 功率谱密度( p s d ) 路面平整度功率谱法( p o w e rs p e c t r a ld e n s i t y ，p s d 法) 是国际标准化组织i s o 在19 7 2 年用来进行路面平整度判定的标准。由于道路断面可以认为是由不同特性的短波、中波 及长波组成，因此，功率谱密度表示变量在不同频率( 波长) 下的方差，这样可以分析不 同频率( 波长) 下的高程、速度、加速度的方差来分析路面断面的不平整性。经过滤波或 车辆振动系统作用后的功率谱分析可以比较不同波长下输入、输出的变化，从而知道平 整度敏感的频率范围，什么频率下经过系统作用后被放大，什么频率下经过作用后振动 被减弱。有利于评价动力反应类平整度的特征，也为车辆振动系统的优化提供分析基础。 研究各种不平整度等级路面的p s d 曲线发现一个一致的趋势：p s d 曲线下的面积与不 平整度( 采用i r i 值) 成线性变化，p s d 曲线的形状保持一致。这点是目前室内对路面平 整度进行仿真的理论基础。 1 4 汽车平顺性国内外研究现状 m r e ( t h ei n t e r n a t i o n a lr o a dr o u g h n e s se x p e r i m e n t ) 7 1 在研究路面平整度时采用的车 辆模型是2 自由度车辆模型，即单轮双自由度模型，也是最为简单和常用的车辆振动模 型。文献 s a y e r s1 9 8 9 最早研究h r i ( h a l f - - - c a rr o u g h n e s si n d e x ) ，简化为4 个自由度的车 辆振动模型。 以双轴车辆为研究对象，由于左右对称取其一半，考虑车辆纵向的倾覆和转动，将 其简化成5 自由度体系【2 1 1 。有学者采用4 轴车辆1 0 自由度模型【2 2 2 3 1 ，还有1 1 自由度 非线性汽车振动模型【2 4 2 5 1 ，更为复杂的考虑路面不平度影响的1 4 自由度汽车动力学模 9 第一章绪论 型【2 6 1 。c a p u r u c o 等【1 8 】采用整车模型来评价路面的平整度，并提出称为f r i ( f u l l c a r r o u g h n e s si n d e x ) 的评价指标。汽车是一个多质点的复杂的振动系统，一般认为有1 8 个 自由度【2 7 】，因此要按照汽车的实际振动情况来研究平整度问题是一个相当复杂的问题， 需要考虑研究者的目的、路面的不平度情况、采用的路面函数以及计算简化而又与实际 情况接近等诸多因素。 在人的考虑上也是逐步细化的。最初的2 自由度模型不包括人和座椅，后来的3 自 由度和5 自由度模型一般均包括人在内，但通常将人和座椅看作一个整体进行。再后来 开始将人和座椅分开考虑，文酬2 8 】中仅人椅系统就包括3 个自由度：座椅表面垂 直振动的位移、人体低阶垂直振动、人体高阶垂直振动。因此就有对人体的振动评价标 准，国际上使用最广泛的振动舒适性标准是b s6 8 4 1 ( b s i1 9 8 7 ) 和i s o2 6 3 1 ( i s o1 9 9 7 ) 。 这两个标准均采用“加权加速度均方根值 r m s 作为基本评价指标。另外，部分学者 研究表明行驶舒适性主要与车辆的加速度的变化率有关【2 93 0 1 。当加速度变化率较大时， 人感觉不舒适。但是，到目前为止，还没有关于加速度变化率的评价标准。目前在研究 汽车的平顺性时，人的舒适性指标一般均采用加权加速度均方根值【2 8 3 1 。3 3 1 。此外，部分 学者从对汽车各部分的影响出发，采用汽车总的振动舒适度指标列3 4 ，3 5 1 。 综上分析到目前为止，沥青路面平整度评价所建立的模型均未包括人体。因此本文 将考虑人的因素在内，以入的舒适性指标加权加速度均方根值作为路面平整度评价指 标。人一车一路的相互作用分析主要有两种方法：第一种是求解动力学微分方程。该 方法主要用于3 和5 自由度等较简单的车辆模型；第二种方法是基于虚拟样机的动力学 模型，利用成熟的a d a m s 软件创建动力学模型，然后运用它的求解器求解系统自动建 立的方程 3 2 3 3 】。本文采用求解动力学微分方程。 1 5 本文主要研究内容和技术路线 1 5 1 主要研究内容 本文根据目前国内外沥青路面平整度评价指标研究现状，提出以人的加权加速度均 方根值为评价方法研究沥青路面平整度。采用随机正弦波叠加法模拟路面高程，并对模 拟的路面高程进行验证；将车辆模型简化为三自由度和五自由度车辆振动模型，建立微 分方程，并采用传递矩阵法分析振动微分方程；同时，分析三自由度和五自由度车辆模 1 0 长安大学硕士学位论文 型参数对计算结果的影响；另外，对比分析国际平整度指数、功率谱密度和平整度标准 差与加权加速度均方根值之间的相关性。最后，论文给出沥青路面平整度评价方法的步 骤；同时，给出三自由度和五自由度车辆模型的路面平整度评价算例，具体研究内容如 下： ( 1 ) 路面模型和平整度评价指标 分析几种平稳g a u s s i a n 随机过程模拟路面高程的方法，从节约成本和缩短研究周期 考虑，采用随机正弦波叠加法模拟a 、b 、c 和d 四个等级的路面：同时采用随机正弦 波叠加法模拟四种等级路面，并对所模拟的路面进行验证分析。采用国际标准i s 0 2 6 3 1 标准中推荐的加权加速度均方根值对乘客振动进行评价，同时作为沥青路面平整度的评 价指标。 ( 2 ) 建立车辆振动模型和振动方程 按车辆模型实际的振动情况来研究路面平整度是一个相当复杂的问题，应从研究的 目的、计算简化和与实际情况接近等方面考虑，简化车辆振动模型；选择合适的车辆模 型作为本文的主要研究对象，给出车辆振动模型的计算模型，并给出相应的振动微分方 程。 ( 3 ) 人一车一路相互作用的分析方法 参考国内外求解振动微分方程的多种方法，采用计算简便，且使用较广的传递矩阵 法分析。同时，采用传递矩阵法给出三自由度和五自由度人一车一路模型的详细分析过 程。另外，分析三自由度和五自由度车辆模型参数对计算结果的影响。 ( 4 ) 加权加速度均方根值与其它常用指标的对比 对国际平整度指数、路面功率谱和平整度标准差等做简单阐述；同时，将上述三种 路面平整度指标分别与加权加速度均方根值做对比分析，必要时建立相关关系。 ( 5 ) 沥青路面平整度评价方法 通过对前面章节的分析和论述