【名企】沥青路面抗滑需求分析与对策2019

SchoolofTransportationSoutheastUniversity安全·环保·智慧·畅通2019全国高速公路改扩建关键技术研讨会暨京台高速（山东段）成果对接会东南大学交通学院沥青路面抗滑需求分析与对策东南大学交通学院huangxm@Tel:

025-837951842019年10月24日目

录概述01020304沥青路面纹理特性的采集与表征轮胎-路面相互作用仿真分析结果拓宽工程的路面结构与再生主要建议05一、概述路面结构性能要求与抗滑性能

路面结构性能要求•

结构性能-抗疲劳、抗车辙、抗开裂•

服务性能-平整性、抗滑性•

材料特性-耐久性、稳定性道路交通死亡人数持续攀升，2018年达

135万人

事故起因

抗滑性能•

抗滑需求-与交通事故的关系•

抗滑检测-概念与应用•

抗滑保持-耐久性•

有人驾驶，人为失误

57~65%•

车、路

单独占比很小

2-3%•

良好路面抗滑与合理驾驶

减少25%抗滑性能与交通事故相关性的研究值得进一步引起重视一、概述道路交通特点•

节假日流量大•

集中在大城市•

节点影响全局•

气候影响极大节假日集中出行且天气变化（降雨）事故是交通拥堵的主因一、概述高速公路抗滑研究及其意义

研究概况

研究方法特点分析•

路表抗滑特性(PIARC

Catagory)•

轮胎的接地行为(ONG

FWA)•

现场试验：费用贵、危险大•

车路协同：用于智能驾驶•

轮胎路面相互作用（MagicFormula）

•

仿真模拟：场景多，费用少

抗滑性能提升主要因素•

驾驶行为与交通管理•

抗滑性能（尤其是雨天）-纹理类型•

实时数据采集并指导驾驶行为驾驶行为

+

抗滑性能

=

安全行驶仿真模拟飞速发展抗滑性能实时数据及预警对提高车辆行驶安全性意义重大一、概述路面结构类型及选择✓半刚性基层沥青路面

✓柔性基层沥青路面✓全厚式沥青路面◆

设计控制要素：沥青层底拉应变、无机结合料层底拉应力、路基顶面压应变、车辙量

等。◆

沥青层材料：SMA、Superpave、ATB、AC

等。◆

拓宽工程材料再生：SMA、Superpave、ATB、AC

等综合或单独再生。路面结构组合类型我国沥青路面半刚性基层破坏在拓宽工程中要考虑新的结构类型目

录概述01020304沥青路面纹理特性的采集与表征轮胎-路面相互作用仿真分析结果拓宽工程的路面结构与再生主要建议05二、沥青路面纹理特性的采集与表征抗滑的来源•

轮胎与路面的粘附作用(黏附分量)•

路面对轮胎的刺入作用(迟滞分量)沥青路面抗滑作用的主要来源：宏观纹理与微观纹理二、沥青路面纹理特性的采集与表征测试规范•

①国内沥青路面抗滑特性的测定:单点纹理、多点纹理、静态和动态系数二、沥青路面纹理特性的采集与表征测试规范•

②国外沥青路面抗滑特性的测定:单点纹理、多点纹理、静态和动态系数二、沥青路面纹理特性的采集与表征路面表面纹理变化特点•

表面纹理变小趋势•

密•

不•沂淮段2012~2017年SFC均值变化趋势图淮排江水段路2面01与2~密20级17配年路S面FC摩均擦值系变数化衰趋减势

图抗滑特性的变化：与交通荷载、表层类型、评价指标等有关二、沥青路面纹理特性的采集与表征传统能量理论（随机点一维等值的表面纹理处理模式）滞后力粘滞力切削力分子引力有水情况下的变形变化储能模量沥青路面橡胶轮胎应力领先应变一个相位角粘弹性材料耗散模量摩擦力抗滑特性变化、分析方法的缺陷，导致抗滑指标与事故关联性差二、沥青路面纹理特性的采集与表征Persson摩擦理论-分形理论

四个基本假设（来源、橡胶模型、表面维度、纹理特征）自相似表面示意图分形原理示意图橡胶-粗糙面接触示意图Persson迟滞

基于分形特性及路面功率谱

计入橡胶对表面粗糙度的有关尺度Persson摩擦理论密度

(PSD)

建立的接触模型

变形响应及滑动摩擦对温度依存性二、沥青路面纹理特性的采集与表征Persson摩擦理论-通过建立表面谱密度的分形理论

推导运用摩擦系数求解功率谱函数橡胶复模量表面功率谱橡胶块与分形粗糙表面之间的摩擦系数求解包含功率谱密度的表面摩擦系数自相似表面功率谱示意图快速建立路面纹理检测与抗滑性能关系目

录研究背景0102沥青路面纹理特性的采集与表征03

轮胎-路面相互作用仿真分析结果拓宽工程的路面结构与再生主要建议0405三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果沥青路面纹理识别系统自动化近景摄影测量系统ACPR自动化沥青路面表面纹理图像实时采集及预处理Visual

SFM开源框架编程逆向重构沥青路面3D模型GeoMagicMeshLab三维模型处理软件纹理模型预处理，求解均方根粗糙度、构造深度(a)

点云(b)

网格(c)

路面3D模型(d)

表征纹理的3D模型Persson摩擦理论模型Python编程计算路面功率谱密度曲线，求轮胎-路面的动摩擦系数三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果功率谱及摩擦系数计算AC-13干燥状态干燥状态潮湿状态潮湿状态沥青路面功率谱密度SMA-13沥青路面动摩擦系数曲线OGFC-13干燥状态潮湿状态三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用的ABAQUS有限元模型建立轮胎水漂模型轮辋沥青混凝土路面模型流体入口角速度轴载水膜模型线速度轮胎-水膜-路面耦合模型轮胎滑水云图20km/h30km/h40km/h不同速度下部分滑水水膜流迹60km/h70km/h80km/h三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素1401351301251201151101051009516015014013012011010090ACSMAOGFCACSMAOGFC水膜厚度=

5mm轮胎充气内压=

200kpa8090708580100

120

140

160

180

200

220

240

2600246810轮胎充气内压(kpa)水膜厚度(mm)12011010090140130120110100900.5mm2mm5mm100kpa165.5kpa200kpa8010mm70250kpa80充气内压165.5kpa水膜厚度0.5mm601.01.11.2MPD(mm)MPD(mm)不同表面特征条件下(AC

SMA

OGFC)、水膜厚度、轮胎压力路面滑水速度三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素•路面摩擦系数特点分析：•

路表摩擦系数•

侧向力与偏角关系•

数据特点•

干燥与潮湿路面抗滑特点：干燥OGFC>干燥SMA>干燥AC>潮湿OGFC>潮湿SMA>潮湿AC三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素•潮湿路面抗滑特点•

制动距离与降雨的关系•

降雨强度10mm/h•

降雨强度25mm/h•

降雨强度50mm/h一般情况下AC>SMA>OGFC降雨强度增加，AC与SMA之间差异越来越小三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时轮胎滑水速度影响因素•潮湿路面侧滑特点•

偏向偏移与降雨的关系•

降雨强度10mm/h•

降雨强度25mm/h•

降雨强度50mm/h一般情况下离心力的作用AC>SMA>OGFC降雨强度增加，AC与SMA之间差异越来越小三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用行车稳定性MATLAB/Simulink-Carsim联合仿真•

有人驾驶车辆制动控制算法----Simulink实现匀速行驶•

路表附着特性----有限元理论计算获得•

多工况（干燥/潮湿路面、曲线/直线、斜坡）紧急制动制动停止MATLAB/Simulink-Carsim耦合运算示意图三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用行车稳定性MATLAB/Simulink-Carsim联合仿真•

汽车制动特点（盘式抱住轮胎）干燥路面抗滑试验车辆ABS的设计及使用的原理三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用行车稳定性1.2无ABSABSMATLAB/Simulink-Carsim联合仿真0.20.0考虑ABS的影响制动总缸0.00.51.01.5时间

(s)2.02.53.0制动踏板制动盘加速器ABS控制滑移率对比图1209060300无ABSABS实地试验结果制动压力调节器电子控制单元ABS警示灯ABS系统压力调节管路0306090120150速度(km/h)行驶车辆抗滑供给与实时路表纹理有关ABS控制制动距离对比图三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果轮胎-路面相互作用时车辆行驶侧向加速度

等分析0.2干燥AC0.0干燥AC干燥SMA干燥OGFC干燥SMA干燥OGFC0.10.00123401234时间(s)时间

(s)实时侧向加速度图实时车身侧倾角图1.00.81mm5mm8mm601mm5mm8mm

通过路面纹理检测实时监控车辆行驶状态，提高安全性0.4300.2200.0555560657075806065707580速度

(km/h)速度(km/h)不同水膜厚度沥青路面上曲线侧向偏移距离与速度关系图不同水膜厚度沥青路面上曲线制动距离与速度关系图三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

①公路沥青路面设计规范

(JTJ

014-1997)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

②公路沥青路面设计规范

(JTG

D50-2006)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

③公路沥青路面设计规范

(JTG

D50-2017)三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

④城镇道路路面设计规范（CJJ

169-2011）三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

⑤澳大利亚标准InvestigatorylevelofSFCSiteDescription0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.551

Trafficlightspedestrianxings,etc.2

Tightcurves,freewayramps3

intersections4

Manoeuvre-freeundividedroads5

Manoeuvre-freedividedroads>

2,500

veh/lane.day<

2,500

veh/lane.dayAustralia三、轮胎-路面相互作用仿真分析结果抗滑标准规范的要求•

路面抗滑与路面类型关系密切，必须合理选择路面抗滑层拓宽工程内侧高速车道排水沥青路面表面抗滑：轮胎-路面积水、具有奇异纹理的路面

等目

录研究背景01020304沥青路面表面特性理论轮胎-路面相互作用模拟仿真拓宽工程的路面结构与再生主要建议05四、拓宽工程的路面结构与再生我国典型结构的现状与问题◼

强度太高-路面结构刚度太大引起开裂，承载力影响吗弯G30（连-霍

高速公路）甘肃酒泉-嘉峪关段四、拓宽工程的路面结构与再生传统的基于压应力的结构组合四、拓宽工程的路面结构与再生应力分布四、拓宽工程的路面结构与再生拉应力分布拉应力分布四、