车辆动荷载作用下路面结构动响应分析(最后)

车辆动荷载作用下路面结构动力响应分析交通运输工程庞晓磊120147620研究现状现有的沥青路面结构设计理论中，通常采用静态加载模式设计路面各结构层厚度。这种方法适用于车速较低、车载较小的情况，但随着汽车工业的快速发展，车辆的速度越来越快，重型汽车也越来越多，因此研究行驶的车辆对路面产生动荷载作用下路面结构的力学响应具有重要的理论意义和潜在的应用前景。路面平整度概念：

是指修筑完成的道路表面相对于设计平面的偏差。这样的定义包括影响车辆行驶质量、车辆动力性能和车辆对路面附加动力荷载的特点。路面平整度的检测指标：

主要包括：IRI指数（国际）、PSI指数（加拿大）、APL指数（法国）和NAASAR指数（澳大利亚）、PSD（汽车行业）等，其中IRI指数和PSD指数是世界性国际组织通用的监测指数。

《公路路基路面现场测试规程(JTJ059-95)》规范中规定，我国采用三种路面平整度检测手段，分别为三米直尺量测的最大间隙、标准差δ

和单向位移累积值VBI。以下就分别介绍这三种方法。1、三米直尺测量的最大间隙三米直尺法测量路面平整度2、标准差δ

标准差δ

是由连续式平整度仪测试输出的路面平整度数据。连续式平整度仪3、单向位移累积值VBI

单向位移累积值VBI是车辆在路面上行驶时后轴与车厢之间的单向位移累积的总和与行驶的路面总长度之比，测试车辆在路面上行驶时与路面相互作用产生振动，引起车厢和车轴的相对位移，这样就可以通过感应器测量出汽车在行驶一段距离后相对位移的总和，进而得出VBI值，单位cm/km。模拟路面平整度的结论按照频谱表示法模拟路面平整度的理论，编制生成随机路面的matlab程序，分别对A、B和C级路面进行时域仿真，假设行车速度分别为5m/s、10m/s、15m/s和20m/s，仿真时间取200s，即模拟1000m、2000m、3000m和4000m长度的路面的平整度时域模型，得到不同速度下的路面平整度时域模型，通过分析我们可以得出这种结论：(1)道路等级越低路面平整度值越大，即路面平整性越差;(2)随着车速的增加路面平整度越差，同一道路等级时，车速越大路面给车辆的激励越大，这也就导致车辆振动越强烈，这符合力学规律。

沥青路面结构交通荷载作用下沥青路面动位移由图可知，沥青表面层车轮底部弯沉最大，随着路面结构深度，从沥青路面层顶部至底基层底部依次减小，位移弯沉传递到达底基层底部时，接近于零，在基层与底基层结合部，由于相邻层之间材料弹性模量存在差异，结构最脆弱，容易产生弯沉变化，使路面产生裂缝等损坏。竖向位移的时程曲线图可以看出，动态载荷作用下引起的路面路表弯沉形状大致呈半圆形，并且轮载作用中心点处有最大动位移，随着路面结构深度增加位移逐渐减少，但轮载作用点后方分布范围较大，是以轮载作用点为圆心，半径不断增加的同心圆，反映了车辆动载作用需要时间恢复。垂直动位移沿y方向分布图交通荷载作用下沥青路面动应力1、沥青路面各层动态响应的垂直动应力垂直动应力主要产生压应力，最大压应力在沥青路面层顶部（0-4cm）范围内出现，并且随着深度的增加而减小的。如果有行车荷载时，会出现极小的拉应力波动。垂直动应力σz时程曲线图垂直动应力σz沿横向距离的变化规律左图为垂直动应力σz在沥青面层层底和底基层顶面沿垂直于行车方向的横向路面变化曲线，轮轴加载点处的会直接产生最大的垂直压应力，沿着横向距离，动应力很快衰减，远离加载点处，会首先产生最大拉应力峰值，而后，慢慢递减，垂直动应力为零时已是路肩上的点。2、沥青路面各层动态响应的水平动应力荷载作用下，沥青路面响应主要有压应力和拉应力，而且是交替变化着。路面层产生压应力，在路面层顶部有最大压应力，而后随深度增加从上往下逐渐减小，到达底基层时，压应力趋于零，拉应力慢慢增大，在基层与底基层结合部拉应力达到较大值，到达底基层底部时拉应力最大。水平动应力时程曲线图3、沥青路面各层动态响应的横向动应力横向应力时程曲线图路面动态荷载引起的横向最大压应力发生在沥青路面层顶部，在各层结合处存在大量拉应力，如基层与底基层结合处，且得到的结果显示，底基层底部拉应力是最大的。与水平拉应力相比，底基层底部的最大横向拉应力要大很多。所以，横向应力也是造成沥青路面疲劳破坏的重要因子之一，这对于沥青路面设计及施工意义不可小觑。交通荷载作用下沥青路面动应变在沥青面层顶部，容易有滑移破坏问题出现，主要是因为在顶部存在垂直动应变的拉应变与压应变的交替，极易与基层错位。路面结构的位移弯沉，主要是由于存在垂直压应变的缘故，除面层外，垂直动应变均为压应变，且最大值出现在在基层与底基层结合部。沥青路面结构各层在同一层内水平应变也是交变的，既有拉应变也有压应变，与横向应变一样，最大拉应力均在基层与底基层结合部产生，然横向应变各层都是拉应变，除了沥青路面层顶部的压应变以外。垂直动应变时程曲线图水平动应变时程曲线图横向动应变时程曲线图交通荷载作用下沥青路面剪应力水平剪应力时程曲线图如图可知，在时间点约0．1秒前后，水平剪应力的值出现明显正负之分，车轮作用下路面上的过程本身也只有0．01秒～0．1秒的时间，这充分表明，沥青路面结构各层在车轮作用之前是正的剪应力，车轮作用之后受到负的剪应力。横向剪应力时程曲线图在沥青路面层中间部位即0～4cm，剪应力非常小，随路面深度增加变化很小，在沥青路面层的中面层与底面层之间，也就是4～10cm之间，剪应力增长迅速，在面层底部有最大剪应力峰值。但是，由于深度的继续增加，剪应力并没有增加，而是急剧下降，在基层与底基层结合部部出现最小剪应力值。载重对沥青路面结构动力响应影响分析1、载重对竖向位移响应影响对于沥青路面层同一深度，载重的增加与沥青路面竖向位移的增加呈正比例关系。竖向位移随载重变化曲线2、载重对垂直动应力的影响垂直动应力随载重的变化曲线沥青路面层4cm处垂直动应力随超载率的变化曲线3、载重对动应变的影响

弹性应变和塑性应变是组成动应变的最主要的两个部分，不同轮载作用，动应变将随之发生变化。由图可知，路面路基的应变，随着荷载的增加，都在增加。路面弹性应变随载重的变化曲线路面塑形应变随载重的变化曲线路基弹性应变随载重的变化曲线路基塑形应变随载重的变化曲线路基路面塑形应变随载重的变化曲线行车速度对沥青路面结构动力响应影响分析1、速度对竖向位移的影响以下分析时，以轮轴400kN，给出行车速度为60km／h、80km／h、100km／h、120km／h，研究不同行驶速度对竖向位移、最大垂直压应力、最大水平拉应力、最大剪应力的响应分析。在荷载一定的情况下，随着车速的增加，沥青路面层顶部竖向位移，即弯沉下降幅度较大。随着车速的加快，导致沥青路面层产生的竖向位移越来越小，在路面设计中，设置适宜的行车速度，可提高沥青路面的使用寿命。不同车速时沥青路面层顶部最大竖向位移2、速度对垂直动应力的影响不同车速时沥青路面层顶部最大垂直压应力3、速度对水平拉应力的影响荷载在沥青路面层底基层与路基结合部产生的水平及横向拉应力最大。不同车速时底基层最大水平拉应力4、速度对剪应力的影响不同车速时沥青路面层顶部最大剪应力结论

分析路面结构在车辆动态荷载作用下的竖向位移、动应力、动应变、剪应力响应，得到以下结论：

(1)在车辆动荷载作用下，随着路面深度的增加，沥青路面的动态响应峰值都在减小。

(2)沥青表面层车轮底部弯沉最大，随着路面结构深度增加，从沥青路面层顶部至路基上部依次减小，位移弯沉传递到达路基时，接近于零。

(3)沥青路面结构存在三向动应力，即垂直动应力σz、水平动应力σY及横向动应力σx，它们的共同作用引起路面结构疲劳破坏，使路面结构发生早期疲劳破坏最主要的原因还是水平动应力和横向动应力的压应变及拉应变的交替变化作用。

(4)沥青路面结构处于三向受压状态，产生破坏主要原因是层间存在大量的剪应力；沥青路面结构层底拉应力是引起疲劳破坏的最主要因素，且最大水平和横向拉应力均发生在底基层底部，因此，路面结构的疲劳破坏将沿着路面结构深度从底基

层到基层，逐渐向上扩散，开始在基层产生疲劳破坏，最终，沥青路面结构由于层间产生的疲劳反射裂缝使得整个路面提前损坏。(5)车辆载重、车速、对竖向位移、动应力、动应变都有影响。沥青路面层同一深度，载重的增加与沥青路面竖向位移、动应力的增加均呈正比例关系。在沥青路面深度4cm以下，荷载不同，竖向位移下降幅度越来越慢。车辆轮载增加，动应力增大，路基路面都存在弹性应变，路