CN112949117B - 基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法。其包括求解车辆随机动荷载；构建成车辆‑道路动态响应的数值模型；确定沥青路面不同深度处三向应变采样点；建立多维度参数综合作用下沥青路面不同深度处竖向应变、纵向应变和横向应变的分析模型等步骤。本发明不仅考虑了道面平整度等级、车辆荷载、行驶速度、面层厚度、面层模量、基顶当量回弹模量等多维度参数对沥青路面不同深度处竖向、纵向、横向应变的影响规律，且借助大量车辆‑道路动态响应的数值模型建立了基于多维度参数的沥青路面不同深度处三向应变分析模型，可为基于沥青路面疲劳破坏的设计施工与检测维护提供依据，为沥青路面下方的管道设计施工与检测维护提供参考。

Description

基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法
技术领域
本发明属于道路工程技术领域，特别是涉及一种基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法。
背景技术
现有规范将沥青面层层底应变作为评价沥青路面疲劳破坏的重要指标。目前常用的面层层底应变研究方法包括理论分析法、室内外试验法和数值模拟法。理论分析法应用最早，它将路面结构划分为多层弹性或粘弹性体系，将车辆动荷载用空间分布函数或时程变化函数表示，借助系统动力学理论求解；但该方法的缺点是理论性强、计算复杂，因此较少用于道路结构动态响应的实际分析中。室内外试验法包括室内加速加载试验和室外现场试验，其中室内加速加载试验因驱动方式和设备长度限制，无法进行长距离、高效率的试验；而室外现场试验成本高、周期长，难以对多种沥青路面结构组合进行研究。数值模拟法通过对道路各结构层材料赋予不同的属性建立沥青路面结构体系，并结合边界约束和荷载条件的设定来模拟不同车辆动荷载下沥青路面结构的动态响应；该方法工作量和复杂程度均小于理论分析法，而且比室内外试验节省成本和时间，因此应用最广泛。
然而，基于数值模型法的研究主要集中在车辆荷载参数(如轴载、速度、作用位置和时间、轮胎类型等)、温度、边界条件和沥青层厚度对沥青面层层底横向拉应变的影响；对于道面平整度等级、沥青面层模量、基顶当量回弹模量对沥青路面不同深度处竖向应变、纵向应变和横向应变的影响研究较少，没有系统分析道面平整度等级、车辆荷载、行驶速度、面层厚度、面层模量、基顶当量回弹模量与沥青路面不同深度处三向应变间的定量关系。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法包括按顺序进行下列步骤：
1)采用有限元软件建立考虑路面平整度等级的七自由度整车模型，并利用结构瞬态分析中的完全法求解出车辆随机动荷载；
2)采用有限元软件建立沥青路面结构与路基结构模型，并采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型；
3)在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，确定出沥青路面不同深度处三向应变的多个采样点；
4)借助上述车辆-道路动态响应数值模型，研究不同车辆荷载、行驶速度、道面平整度等级、面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量对两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处各采样点的竖向应变、纵向应变、横向应变沿深度方向的响应规律，并且分别建立多维度参数综合作用下两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处竖向应变、纵向应变和横向应变的分析模型。
在步骤1)中，所述的采用有限元软件建立考虑路面平整度等级的七自由度整车模型，并利用结构瞬态分析中的完全法求解出车辆随机动荷载的方法是：
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、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；基于上述假设采用有限元软件建立考虑路面平整度等级的七自由度整车模型，用MPC184单元模拟车身，用Mass21单元模拟车辆悬架和非悬架质量以及俯仰和倾斜转动惯量，用Combine14单元模拟车辆的弹簧和阻尼单元，并利用结构瞬态分析中的完全法求解出车辆随机动荷载。
在步骤2)中，所述的采用有限元软件建立沥青路面结构与路基结构模型，并采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型的方法是：
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；基于上述假设采用有限元软件建立x方向23m长，y方向16m宽和z方向(9+A)m深的沥青路面结构与路基结构模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，模型底部为完全固定约束，x和z方向仅约束该方向位移；最后采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型。
在步骤3)中，所述的在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，确定出沥青路面不同深度处三向应变的多个采样点的方法是：
在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，在行车方向的两个车轮中心线、垂直于行车方向的单个车轮正下方处，沿道路深度方向分别在面层顶面、面层底面、距路基顶0.4m、距路基顶1.0m处选取多个采样点。
在步骤4)中，所述的车辆荷载的取值范围为10-60t，间隔5t；行驶速度的取值范围为5-50m/s，间隔5m/s；道面平整度等级的取值范围为A级、B级、C级、D级；面层厚度的取值范围为0.14-0.38m，间隔0.04m；面层模量的取值范围为1000-6000MPa，间隔1000MPa；基顶当量回弹模量的取值范围为500-5500MPa，间隔1000MPa；
多维度参数包括车辆荷载、行驶速度、道面平整度等级、面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量；
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处竖向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000041
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000042
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处纵向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000051
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000052
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处横向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000053
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000054
式中：εy，εx，εz分别表示竖向应变、纵向应变和横向应变；hc，Ec，Et分别表示面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量；a，b，c，d，e，f，g，h，k，m，n，r，s，a’，b’，c’，d’，e’，f’，g’，h’，k’，m’，n’，a1，b1，c1，d1，e1，f1，g1，h1，k1，m1，n1，a1’，b1’，c1’，d1’，e1’，f1’，g1’，h1’，k1’，m1’，n1’，r1’，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2，h2，k2，m2，n2，r2，a2’，b2’，c2’，d2’，e2’，f2’，g2’，h2’，k2’，m2’，n2’，r2’，t2’均表示系数。
本发明提供的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法具有如下有益效果：本发明不仅考虑了道面平整度等级、车辆荷载、行驶速度、面层厚度、面层模量、基顶当量回弹模量等多维度参数对沥青路面不同深度处三向应变(竖向应变、纵向应变、横向应变)的影响规律，而且借助大量车辆-道路动态响应的数值模型建立了基于多维度参数的沥青路面不同深度处三向应变分析模型，可为基于沥青路面疲劳破坏的设计施工与检测维护提供依据，为沥青路面下方的管道设计施工与检测维护提供参考。
附图说明
图1为本发明中的采样点位置平面图。
图2为本发明中的采样点位置竖向断面图。
图3为本发明提供的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法流程图。
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3所示，本发明提供的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析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、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；基于上述假设采用有限元软件建立考虑路面平整度等级的七自由度整车模型，用MPC184单元模拟车身，用Mass21单元模拟车辆悬架和非悬架质量以及俯仰和倾斜转动惯量，用Combine14单元模拟车辆的弹簧和阻尼单元，用结构瞬态分析中的完全法求解出车辆随机动荷载。
2)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；基于上述假设采用有限元软件建立x方向23m长，y方向16m宽和z方向(9+A)m深的沥青路面结构与路基结构模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，模型底部为完全固定约束，x和z方向仅约束该方向位移；最后采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型。
3)在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，在行车方向的两个车轮中心线、垂直于行车方向的单个车轮正下方处，沿道路深度方向分别在面层顶面、面层底面、距路基顶0.4m、距路基顶1.0m处选取多个采样点，如图1、图2所示；
4)借助上述车辆-道路动态响应数值模型，研究不同车辆荷载(取值范围10-60t，间隔5t)、行驶速度(取值范围5-50m/s，间隔5m/s)、道面平整度等级(取值范围A级、B级、C级、D级)、面层厚度(取值范围0.14-0.38m，间隔0.04m)、面层模量(取值范围1000-6000MPa，间隔1000MPa)和基顶当量回弹模量(取值范围500-5500MPa，间隔1000MPa)对两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处各采样点的竖向应变、纵向应变、横向应变沿深度方向的响应规律，并且分别建立不同道面平整度等级下车辆荷载、行驶速度、面层厚度、面层模量、基顶当量回弹模量在内的多维度参数综合作用下两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处竖向应变、纵向应变和横向应变的分析模型。
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处竖向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000081
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000082
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处纵向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000083
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000084
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处横向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure BDA0002929787300000085
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure BDA0002929787300000086
式中：εy，εx，εz分别表示竖向应变、纵向应变和横向应变。hc，Ec，Et分别表示面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量。a，b，c，d，e，f，g，h，k，m，n，r，s，a’，b’，c’，d’，e’，f’，g’，h’，k’，m’，n’，a1，b1，c1，d1，e1，f1，g1，h1，k1，m1，n1，a1’，b1’，c1’，d1’，e1’，f1’，g1’，h1’，k1’，m1’，n1’，r1’，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2，h2，k2，m2，n2，r2，a2’，b2’，c2’，d2’，e2’，f2’，g2’，h2’，k2’，m2’，n2’，r2’，t2’均表示系数。

Claims (3)

1.一种基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法，其特征在于：所述的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)采用有限元软件建立考虑路面平整度等级的七自由度整车模型，并利用结构瞬态分析中的完全法求解出车辆随机动荷载；
2)采用有限元软件建立沥青路面结构与路基结构模型，并采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型；
3)在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，确定出沥青路面不同深度处三向应变的多个采样点；
4)借助上述车辆-道路动态响应数值模型，研究不同车辆荷载、行驶速度、道面平整度等级、面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量对两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处各采样点的竖向应变、纵向应变、横向应变沿深度方向的响应规律，并且分别建立多维度参数综合作用下两个车轮中心线与单个车轮正下方沥青路面不同深度处竖向应变、纵向应变和横向应变的分析模型；
在步骤4)中，所述的车辆荷载的取值范围为10-60t，间隔5t；行驶速度的取值范围为5-50m/s，间隔5m/s；道面平整度等级的取值范围为A级、B级、C级、D级；面层厚度的取值范围为0.14-0.38m，间隔0.04m；面层模量的取值范围为1000-6000MPa，间隔1000MPa；基顶当量回弹模量的取值范围为500-5500MPa，间隔1000MPa；
多维度参数包括车辆荷载、行驶速度、道面平整度等级、面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量；
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处竖向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure FDA0003728830410000021
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
εy＝(a′P+b′){[(c′Et+d′)ln(Ec)+(e′Et 2+f′Et+g′)]ln(hc)+(h′ln(Et)+k′)ln(Ec)+(m′ln(Et)+n′)}
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处纵向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure FDA0003728830410000022
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure FDA0003728830410000023
当行驶速度与道面平整度等级一定时，沥青路面不同深度处横向应变的分析模型为：
(1)(500≤Et<1500MPa)：
Figure FDA0003728830410000024
(2)(1500≤Et≤5500MPa)：
Figure FDA0003728830410000025
式中：εy，εx，εz分别表示竖向应变、纵向应变和横向应变；hc，Ec，Et分别表示面层厚度、面层模量和基顶当量回弹模量；a，b，c，d，e，f，g，h，k，m，n，r，s，a’，b’，c’，d’，e’，f’，g’，h’，k’，m’，n’，a1，b1，c1，d1，e1，f1，g1，h1，k1，m1，n1，a1’，b1’，c1’，d1’，e1’，f1’，g1’，h1’，k1’，m1’，n1’，r1’，a2，b2，c2，d2，e2，f2，g2，h2，k2，m2，n2，r2，a2’，b2’，c2’，d2’，e2’，f2’，g2’，h2’，k2’，m2’，n2’，r2’，t2’均表示系数。
2.根据权利要求1所述的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的采用有限元软件建立沥青路面结构与路基结构模型，并采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型的方法是：
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；基于上述假设采用有限元软件建立x方向23m长，y方向16m宽和z方向(9+A)m深的沥青路面结构与路基结构模型，其中A为道路面层厚度，取值范围为0.10m-0.26m，模型底部为完全固定约束，x和z方向仅约束该方向位移；最后采用阶跃加载的方式将上述车辆随机动荷载施加到沥青路面结构与路基结构模型上，构建成车辆-道路动态响应的数值模型。
3.根据权利要求1所述的基于多维度参数的沥青路面三向应变分析方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，确定出沥青路面不同深度处三向应变的多个采样点的方法是：
在上述沥青路面结构与路基结构模型的范围内，依据两个车轮中心线和车辆荷载作用深度，在行车方向的两个车轮中心线、垂直于行车方向的单个车轮正下方处，沿道路深度方向分别在面层顶面、面层底面、距路基顶0.4m、距路基顶1.0m处选取多个采样点。
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