CN112347541A - 车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法 - Google Patents

车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法 Download PDF

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Abstract

一种车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法。其包括车辆随机动荷载以阶跃方式沿面层中心线加载到道路结构层模型上，构建车路动态响应的数值模型；基于车路动态响应模型分析了车辆荷载、行车速度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量对路表弯沉的影响规律，建立基于面层模量、面层厚度、路表弯沉的基顶当量回弹模量反演模型，提出基于模量指数的道路承载能力测试评估模型；最后将已知设计数据和车辆通行下采集方案获取并处理的振动响应数据代入基顶当量回弹模量反演模型，实现基于车辆通行下道路承载能力快速测试评估等步骤。本发明不仅克服了现有道路承载能力测试方法的局限性，而且使得道路承载能力的测试评估更加简捷高效、安全可靠。

Description

车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法
技术领域
本发明属于沥青路面测试技术领域，特别是涉及一种车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法。
背景技术
随着国民经济的蓬勃发展，交通运输业也在突飞猛进，道路作为交通运输中的基础设施，已逐步形成覆盖全国的交通网。根据国家交通部统计的交通运输业发展数据，截止2019年底，全国道路总里程数增长到501.25万公里，全国道路密度增长到52.21公里。同时，随着长距离运输和大宗货物运输的快速发展，我国交通运输业出现了较为严重的超载现象，导致道路过早地出现了不同程度和形式的损坏，从而严重影响行车的安全性和舒适性，因此道路的修补维护工作急需有效的道路承载能力评估方法来指导。
尽管道路承载能力测试方法历经贝克曼梁弯沉法、自动弯沉法、落锤式弯沉法、激光弯沉法，测试效率不断提升、模拟荷载逐步接近车辆荷载。但贝克曼梁弯沉法和自动弯沉法测得的静态弯沉，难以反映车辆荷载下道路结构的动态特性；落锤式弯沉法虽能够测得动态弯沉，但停车采样存在安全隐患；激光弯沉法虽能够测得动态弯沉，但设备价格昂贵、测试结果可靠性受测试车辆颠簸影响且需进一步修正检验。因此如何实现车辆正常通行下道路承载能力的高效评估是道路工程领域亟待解决的科学难题之一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法。
为了达到上述目的，本发明提供的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；借助有限元软件建立道路结构层模型，最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型；
2)基于上述车路动态响应的数值模型探究行车速度、车辆荷载、面层模量、面层厚度及基顶当量回弹模量对路表弯沉的影响规律，建立多维度参数综合作用下的路表弯沉求解模型；同时建立基于设计面层模量和面层厚度的基顶当量回弹模量反演模型，最后基于路表弯沉求解模型和基顶当量回弹模量反演模型的计算结果建立以沥青路面模量指数M表示的道路承载能力测试评估模型；
3)在《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条中规定的标准加载车辆的轮迹线处的沥青路面上设置两个加速度传感器，使标准加载车辆沿轮迹线行驶，同时利用加速度传感器采集标准加载车辆的加速度数据并进行二次积分而得到实测沥青路表弯沉值；
4)选取道路平整度等级和道路等级，将面层厚度、面层模量、上述步骤3)获得的实测沥青路表弯沉值的平均值代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型中，得到实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量Et，同时将道路结构层的设计面层模量与面层厚度代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量求解模型中得到沥青路面设计基顶当量回弹模量E0，最后利用基顶当量回弹模量Et和沥青路面设计基顶当量回弹模量E0计算出沥青路面模量指数M，根据沥青路面模量指数M并结合沥青路面模量指数M分级标准表给出沥青路面承载能力的评估等级。
在步骤1)中，所述的借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；借助有限元软件建立道路结构层模型，最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型的方法是：
假设车辆系统的七个自由度分别为车身的垂直位移、俯仰转角和侧倾转角以及四个非悬挂质量的垂直位移，车辆悬架系统和轮胎的刚度和阻尼均为常数，路面平整度作为车辆随机荷载的唯一激励源、且轮胎始终与地面接触，忽略路面横向平整度、且车辆在行驶的过程中左右车轮所受的激励完全相同；基于上述假设，借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；同时假设道路结构层间是连续的，各层材料都是均匀且各向同性的，材料本身的变形以及位移都是微小的，除土基外各层都是有限的厚度、水平方向为无限，土基的水平方向和厚度都是无限的，各层材料的重量均忽略不计，路面结构每层产生的应力、位移都是连续的，各层水平方向无限远处应力和位移为零，土基厚度无限远处应力和位移也为零；借助有限元软件建立长23m，宽16m，深(9+A)m的道路结构层模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，对道路结构层模型的底面施加固定约束、前后两端约束x方向位移、左右两端约束z方向位移；最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型。
在步骤2)中，所述的沥青路面模量指数M表达式为：
Figure BDA0002768415720000031
式中：M为沥青路面模量指数，分级标准见表1；Et为实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量，单位MPa；E0为沥青路面设计基顶当量回弹模量，单位MPa；
表1、沥青路面模量指数M分级标准表
评价标准 优 良 差
沥青路面模量指数M [0.8,1.0) [0.6,0.8) ＜0.6
在步骤3)中，所述的两个加速度传感器间隔30m。
本发明提供的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法不仅克服了现有道路承载能力测试方法的局限性，而且使得道路承载能力的测试评估更加简捷高效、安全可靠。
附图说明
图1为本发明提供的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法流程图。
图2为本发明中加速度传感器布置图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)假设车辆系统的七个自由度分别为车身的垂直位移、俯仰转角和侧倾转角以及四个非悬挂质量的垂直位移，车辆悬架系统和轮胎的刚度和阻尼均为常数，路面平整度作为车辆随机荷载的唯一激励源、且轮胎始终与地面接触，忽略路面横向平整度、且车辆在行驶的过程中左右车轮所受的激励完全相同；基于上述假设，借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；同时假设道路结构层间是连续的，各层材料都是均匀且各向同性的，材料本身的变形以及位移都是微小的，除土基外各层都是有限的厚度、水平方向为无限，土基的水平方向和厚度都是无限的，各层材料的重量均忽略不计，路面结构每层产生的应力、位移都是连续的，各层水平方向无限远处应力和位移为零，土基厚度无限远处应力和位移也为零；借助有限元软件建立长23m，宽16m，深(9+A)m的道路结构层模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，对道路结构层模型的底面施加固定约束、前后两端约束x方向位移、左右两端约束z方向位移；最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型。
2)基于上述车路动态响应的数值模型探究行车速度、车辆荷载、面层模量、面层厚度及基顶当量回弹模量对路表弯沉的影响规律，建立多维度参数综合作用下的路表弯沉求解模型；同时建立基于设计面层模量和面层厚度的基顶当量回弹模量反演模型，最后基于路表弯沉求解模型和基顶当量回弹模量反演模型的计算结果建立公式(1)所示的以沥青路面模量指数M表示的道路承载能力测试评估模型；
所述的沥青路面模量指数M表达式为：
Figure BDA0002768415720000051
式中：M为沥青路面模量指数，分级标准见表1；Et为实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量，单位MPa；E0为沥青路面设计基顶当量回弹模量，单位MPa。
表1、沥青路面模量指数M分级标准表
评价标准 优 良 差
沥青路面模量指数M [0.8,1.0) [0.6,0.8) ＜0.6
3)如图2所示，在《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条中规定的标准加载车辆的轮迹线1处的沥青路面上间隔30m设置两个加速度传感器2，使标准加载车辆沿轮迹线1行驶，同时利用加速度传感器2采集标准加载车辆的加速度数据并进行二次积分而得到实测沥青路表弯沉值。
表2、《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条-加载车辆
Figure BDA0002768415720000061
4)选取道路平整度等级和道路等级，将面层厚度、面层模量、上述步骤3)获得的实测沥青路表弯沉值的平均值代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型中，得到实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量Et，同时将道路结构层的设计面层模量与面层厚度代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量求解模型中得到沥青路面设计基顶当量回弹模量E0，最后利用基顶当量回弹模量Et和沥青路面设计基顶当量回弹模量E0依据公式(1)计算出沥青路面模量指数M，根据沥青路面模量指数M并结合表1给出沥青路面承载能力的评估等级。

Claims (4)

1.一种车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法，其特征在于：所述的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；借助有限元软件建立道路结构层模型，最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型；
2)基于上述车路动态响应的数值模型探究行车速度、车辆荷载、面层模量、面层厚度及基顶当量回弹模量对路表弯沉的影响规律，建立多维度参数综合作用下的路表弯沉求解模型；同时建立基于设计面层模量和面层厚度的基顶当量回弹模量反演模型，最后基于路表弯沉求解模型和基顶当量回弹模量反演模型的计算结果建立以沥青路面模量指数M表示的道路承载能力测试评估模型；
3)在《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条中规定的标准加载车辆的轮迹线1处的沥青路面上设置两个加速度传感器2，使标准加载车辆沿轮迹线1行驶，同时利用加速度传感器2采集标准加载车辆的加速度数据并进行二次积分而得到实测沥青路表弯沉值；
4)选取道路平整度等级和道路等级，将面层厚度、面层模量、上述步骤3)获得的实测沥青路表弯沉值的平均值代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型中，得到实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量Et，同时将道路结构层的设计面层模量与面层厚度代入上述步骤2)获得的基顶当量回弹模量求解模型中得到沥青路面设计基顶当量回弹模量E0，最后利用基顶当量回弹模量Et和沥青路面设计基顶当量回弹模量E0计算出沥青路面模量指数M，根据沥青路面模量指数M并结合沥青路面模量指数M分级标准表给出沥青路面承载能力的评估等级。
2.根据权利要求1所述的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法，其特征在于：在步骤1)中，所述的借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；借助有限元软件建立道路结构层模型，最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型的方法是：
假设车辆系统的七个自由度分别为车身的垂直位移、俯仰转角和侧倾转角以及四个非悬挂质量的垂直位移，车辆悬架系统和轮胎的刚度和阻尼均为常数，路面平整度作为车辆随机荷载的唯一激励源、且轮胎始终与地面接触，忽略路面横向平整度、且车辆在行驶的过程中左右车轮所受的激励完全相同；基于上述假设，借助有限元软件建立考虑道面平整度影响的七自由度整车模型，并通过瞬态分析法求解出车辆随机动荷载；同时假设道路结构层间是连续的，各层材料都是均匀且各向同性的，材料本身的变形以及位移都是微小的，除土基外各层都是有限的厚度、水平方向为无限，土基的水平方向和厚度都是无限的，各层材料的重量均忽略不计，路面结构每层产生的应力、位移都是连续的，各层水平方向无限远处应力和位移为零，土基厚度无限远处应力和位移也为零；借助有限元软件建立长23m，宽16m，深(9+A)m的道路结构层模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，对道路结构层模型的底面施加固定约束、前后两端约束x方向位移、左右两端约束z方向位移；最终将上述车辆随机动荷载以阶跃的方式沿面层中心线加载到上述道路结构层模型上，构建成车路动态响应的数值模型。
3.根据权利要求1所述的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的沥青路面模量指数M表达式为：
Figure FDA0002768415710000031
式中：M为沥青路面模量指数，分级标准见表1；Et为实测沥青路表弯沉值对应的基顶当量回弹模量，单位MPa；E0为沥青路面设计基顶当量回弹模量，单位MPa；
表1、沥青路面模量指数M分级标准表
评价标准 优 良 差 沥青路面模量指数M [0.8,1.0) [0.6,0.8) ＜0.6
。
4.根据权利要求1所述的车辆正常通行下沥青路面承载能力快速测试方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的两个加速度传感器2间隔30m。
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Slavinska et al. Assessment of the Dynamic Impact of a Truck on the Bridge Pavement Based on the Proposed Mathematical Model of Vehicle Movement

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