CN112964551B - 基于应变和频率的路面承载力动态测试方法 - Google Patents

基于应变和频率的路面承载力动态测试方法 Download PDF

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Abstract

一种基于应变和频率的道路承载力动态测试方法。其包括建立车路动态响应的数值模型；建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型；确定评估指标；选取测试车；构建测试系统；确定测试车种类，获得待测试道路参数，并获得待测试道路的动态响应数据；计算待测试道路的基顶当量回弹模量；计算车轮下路表弯沉值；对待测试道路的承载力进行动态评估等步骤。本发明提供的基于应变和频率的路面承载力动态测试方法具有如下有益效果：有望解决目前测试技术频度受限以及只能采用模拟加载等缺点，并显著改善测试效果，使路面结构力学性能的实时监控成为现实。

Description

基于应变和频率的路面承载力动态测试方法
技术领域
本发明属于路面承载力动态测试技术领域，特别是涉及一种基于应变和频率的路面承载力动态测试方法。
背景技术
随着交通运输业的迅速发展，公路作为交通运输中最重要的基础设施，其所组成的公路交通网也得到了逐步完善。为了使完善的公路交通网更好地投入到交通运输中，必须保证公路处于健康的使用状况。作为直接与车轮荷载相接触的公路路面，承担着车辆的正常通行等任务，其重要性就不言而喻了。同时，力学性能优良的路面是车辆安全运行的基本保障，因此在路面安全评估中，路面承载力是最重要的评估指标。
路面承载力是路面结构健康状况中最重要的指标之一，关于路面承载力的概念曾经这样描述：“路面结构在没有达到预期的损害之前，未来还能继续使用的次数或者使用年限。”为了适应长距离和大宗货物的运输，车辆也逐步向重型和快速化方向迈进。因此，车辆对路面作用的荷载也在不断攀升，因此对路面造成的损害也在不断增加，从而使路面结构往往达不到预定的设计年限就出现了损害，因此有必要对路面承载力进行检测。
路面结构损害发展的程度与路面承载力息息相关，承载力比较弱的路面，其损坏发展程度就会比较快，承载力比较强的路段，其损坏发展程度就会比较慢，因此，可以得出路面承载力与其损坏发展程度是显著相关的。对路面承载力检测是公路管理部门经常要检验的一个项目，可以及时地了解公路的实际承载状况，对公路管理部门做出决策提供依据。目前针对路面承载力检测主要是利用贝克曼梁、自动弯沉仪和落锤式弯沉仪。贝克曼梁测得的是路面静态弯沉，不能反映路面结构真实的工作状态，而且测试效率低下；自动弯沉仪的价格昂贵，测试结果还有待商榷；落锤式弯沉仪是通过对路面施加动载来模拟行车单轮荷载，以模拟加载的方式对路面承载力进行检测，与真实的行车荷载相比还是有所不同的，而且需要停车采样，因此在测试过程中存在一定的安全隐患。因此，如何能够科学、有效地对路面承载力进行检测，为车辆在路面上安全行驶提供科学依据，这是公路管理部门有待解决的一个技术难题。
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应变和频率的路面承载力动态测试方法。
为了达到上述目的，本发明提供的基于应变和频率的道路承载力动态测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立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，建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型；
3)根据相关规范确定出用于车轮下路表弯沉测试的评估指标；
4)选取标准加载车作为测试车；
5)构建测试系统；
6)确定步骤4)选取的测试车种类，获得待测试道路参数，并利用步骤5)构建的测试系统获得待测试道路的动态响应数据；
7)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据及步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量；
8)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据、步骤7)获得的基顶当量回弹模量及步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型，计算出车轮下路表弯沉值；
9)根据步骤8)获得的车轮下路表弯沉值，依据步骤3)确定的评估指标，对待测试道路的承载力进行动态评估。
在步骤1)中，所述的建立车路动态响应的数值模型的方法是：
假设车身具有垂直位移、俯仰转角和侧倾转角三个自由度，每个车轮存在一个非悬挂质量的垂直位移；将车辆悬架系统和轮胎的刚度及阻尼均假设为常数；路面平整度是车辆随机动载的唯一激励源，而且车辆行驶过程中轮胎始终与地面保持接触；忽略路面横向平整度影响，仅考虑路面纵向平整度影响且左右轮下的路面平整度激励相同；建立一个x轴方向23m长、y轴方向16m宽、z轴方向(9+a)m深的道路模型，其中a为面层厚度，路基底面为固定约束，与x轴平行的断面约束y轴方向位移，与x轴垂直的断面约束x轴方向位移，车辆模型以不同车辆荷载与行车速度沿上述道路模型的x轴方向中线通过不同平整度的路面，利用有限元软件中的瞬态完全法求解出车路动态响应的数值模型。
在步骤2)中，所述的基于上述车路动态响应的数值模型，建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型的方法是：
首先基于上述车路动态响应的数值模型，分析不同车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的响应规律；然后建立车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量综合作用下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型，获得道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变；最后根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和道路频率建立基顶当量回弹模量反演模型，获得基顶当量回弹模量；并根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量和距车轮外侧不同位置处路表应变建立车轮下路表弯沉反演模型；
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，道路频率的求解模型为：
Figure BDA0002936736160000041
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，车轮下路表弯沉的求解模型为：
s＝[(a1ln(Et)+b1)Ec 2+(c1ln(Et)+d1)Ec+e1ln(Et)+g1]hc+(k1ln(Et)+m1)Ec+n1ln(Et)+r1
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型为：
Figure BDA0002936736160000042
当车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层厚度一定时，基顶当量回弹模量反演模型为：
Figure BDA0002936736160000043
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，由距车轮外侧不同位置处路表应变得到车轮下路表弯沉反演模型为：
Figure BDA0002936736160000044
式中：f，s，ε分别为道路频率、路表弯沉、路表应变；Ec，hc，Et分别为面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量；a，b，c，d，e，g，k，m，n，r，a1，b1，c1，d1，e1，g1，k1，m1，n1，r1，a2，b2，c2，d2，e2，g2，k2，m2，n2，a3，b3，c3，d3，a4，b4，c4，d4均为系数。
在步骤3)中，所述的根据相关规范确定出用于车轮下路表弯沉测试的评估指标的方法是：
从《公路技术状况评定等级》(JTG 5210-2018)中选取路表弯沉值对道路承载力进行评估，将路表弯沉容许值与路表弯沉实测值的比值即强度系数SSI作为一项评估指标，同时在强度系数SSI基础上将强度指数PSSI作为另一项评估指标；强度指数PSSI的计算方法见公式(1)；强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准见表1。
PSSI＝100/(1+15.71e-5.19SSI) (1)
表1、强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准
Figure BDA0002936736160000051
在步骤5)中，所述的构建测试系统的方法是：
所述的测试系统包括加速度传感器、纵向应变传感器、节点、基站和测试主控终端；在待测试道路上距离标准加载车的车轮轮迹线外侧0.4m、0.6m、0.8m处分别设置三条测线，每条测线上间隔30m分别布置一组传感器，每组传感器包括一个加速度传感器和1个纵向应变传感器，共计6个加速度传感器和6个纵向应变传感器；所有传感器与节点有线连接，节点与基站无线连接，测试主控终端与基站无线连接。
在步骤6)中，所述的确定步骤4)选取的测试车种类，获得待测试道路参数，并利用步骤5)构建的测试系统获得待测试道路的动态响应数据的方法是：
通过查阅道路设计资料获取待测试道路等级，依据上述待测试道路等级按步骤4)确定测试车的种类，并指定测试车的车辆荷载与行车速度；采用3m直尺、连续式平整度仪、激光路面平整度测定仪或车载式颠簸累积仪测量待测试道路的路面平整度，并采用钻芯取样法测定面层厚度与面层模量；然后使测试车按指定的车辆荷载与行车速度通过待测试道路，同时利用纵向应变传感器和加速度传感器自动采集待测试道路的纵向应变值和加速度值作为动态响应数据，然后将上述数据通过节点与基站传送给测试主控终端，取纵向应变值的峰值作为距车轮外侧不同位置处路表应变值，并将加速度值进行快速傅里叶变换而得到道路频率。
在步骤7)中，所述的利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据及步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量的方法是：
将步骤6)确定的车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和道路频率代入步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型中，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量。
在步骤8)中，所述的利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据、步骤7)获得的基顶当量回弹模量及步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型，计算出车轮下路表弯沉值的方法是：
将步骤6)确定的车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度、距车轮外侧不同位置处路表应变值与步骤7)获得的基顶当量回弹模量代入步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型中，计算出车轮下路表弯沉值。
在步骤9)中，所述的根据步骤8)获得的车轮下路表弯沉值，依据步骤3)确定的评估指标，对待测试道路的承载力进行动态评估的方法是：
通过查阅道路设计资料获取路表弯沉容许值，再将步骤8)获得的车轮下路表弯沉值转换为静态弯沉值，之后计算出路表弯沉容许值与静态弯沉值的比值而获得强度系数SSI；再利用公式(1)计算出相应的强度指数PSSI，最后利用强度系数SSI和强度指数PSSI对照表1对待测试道路的承载力进行动态评估。
本发明提供的基于应变和频率的路面承载力动态测试方法具有如下有益效果：有望解决目前测试技术频度受限以及只能采用模拟加载等缺点，并显著改善测试效果，使路面结构力学性能的实时监控成为现实。
附图说明
图1为本发明提供的基于应变和频率的路面承载力动态测试方法流程图。
图2为本发明的测试系统中纵向应变传感器和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，本发明提供的基于应变和频率的道路承载力动态测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立车路动态响应的数值模型；
假设车身具有垂直位移、俯仰转角和侧倾转角三个自由度，每个车轮存在一个非悬挂质量的垂直位移；将车辆悬架系统和轮胎的刚度及阻尼均假设为常数；路面平整度是车辆随机动载的唯一激励源，而且车辆行驶过程中轮胎始终与地面保持接触；忽略路面横向平整度影响，仅考虑路面纵向平整度影响且左右轮下的路面平整度激励相同；建立一个x轴方向23m长、y轴方向16m宽、z轴方向(9+a)m深的道路模型，其中a为面层厚度，路基底面为固定约束，与x轴平行的断面约束y轴方向位移，与x轴垂直的断面约束x轴方向位移，车辆模型以不同车辆荷载与行车速度沿上述道路模型的x轴方向中线通过不同平整度的路面，利用有限元软件中的瞬态完全法求解出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，建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型；
首先基于上述车路动态响应的数值模型，分析不同车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的响应规律；然后建立车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量综合作用下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型，获得道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变；最后根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和道路频率建立基顶当量回弹模量反演模型，获得基顶当量回弹模量；并根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量和距车轮外侧不同位置处路表应变建立车轮下路表弯沉反演模型；
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，道路频率的求解模型为：
Figure BDA0002936736160000081
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，车轮下路表弯沉的求解模型为：
s＝[(a1ln(Et)+b1)Ec 2+(c1ln(Et)+d1)Ec+e1ln(Et)+g1]hc+(k1ln(Et)+m1)Ec+n1ln(Et)+r1
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型为：
Figure BDA0002936736160000091
当车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层厚度一定时，基顶当量回弹模量反演模型为：
Figure BDA0002936736160000092
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，由距车轮外侧不同位置处路表应变得到车轮下路表弯沉反演模型为：
Figure BDA0002936736160000093
式中：f，s，ε分别为道路频率、路表弯沉、路表应变；Ec，hc，Et分别为面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量；a，b，c，d，e，g，k，m，n，r，a1，b1，c1，d1，e1，g1，k1，m1，n1，r1，a2，b2，c2，d2，e2，g2，k2，m2，n2，a3，b3，c3，d3，a4，b4，c4，d4均为系数。
3)根据相关规范确定出用于车轮下路表弯沉测试的评估指标；
从《公路技术状况评定等级》(JTG 5210-2018)中选取路表弯沉值对道路承载力进行评估，将路表弯沉容许值与路表弯沉实测值的比值即强度系数SSI作为一项评估指标，同时在强度系数SSI基础上将强度指数PSSI作为另一项评估指标；强度指数PSSI的计算方法见公式(1)；强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准见表1。
PSSI＝100/(1+15.71e-5.19SSI) (1)
表1、强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准
Figure BDA0002936736160000094
Figure BDA0002936736160000101
4)选取标准加载车作为测试车；
根据表2所示的《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条的内容，选取标准加载车作为测试车；
表2、《公路桥涵设计通用规范》第2.1.4条
Figure BDA0002936736160000102
5)构建测试系统；
如图2所示，所述的测试系统包括加速度传感器、纵向应变传感器、节点、基站和测试主控终端；在待测试道路上距离标准加载车的车轮轮迹线外侧0.4m、0.6m、0.8m处分别设置三条测线，每条测线上间隔30m分别布置一组传感器，每组传感器包括一个加速度传感器和1个纵向应变传感器，共计6个加速度传感器和6个纵向应变传感器；所有传感器与节点有线连接，节点与基站无线连接，测试主控终端与基站无线连接。
6)确定步骤4)选取的测试车种类，获得待测试道路参数，并利用步骤5)构建的测试系统获得待测试道路的动态响应数据；
通过查阅道路设计资料获取待测试道路等级，依据上述待测试道路等级按步骤4)确定测试车的种类，并指定测试车的车辆荷载与行车速度；采用3m直尺、连续式平整度仪、激光路面平整度测定仪或车载式颠簸累积仪测量待测试道路的路面平整度，并采用钻芯取样法测定面层厚度与面层模量；然后使测试车按指定的车辆荷载与行车速度通过待测试道路，同时利用纵向应变传感器和加速度传感器自动采集待测试道路的纵向应变值和加速度值作为动态响应数据，然后将上述数据通过节点与基站传送给测试主控终端，取纵向应变值的峰值作为距车轮外侧不同位置处路表应变值，并将加速度值进行快速傅里叶变换而得到道路频率。
7)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据及步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量；
将步骤6)确定的车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和道路频率代入步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型中，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量。
8)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据、步骤7)获得的基顶当量回弹模量及步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型，计算出车轮下路表弯沉值；
将步骤6)确定的车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度、距车轮外侧不同位置处路表应变值与步骤7)获得的基顶当量回弹模量代入步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型中，计算出车轮下路表弯沉值。
9)根据步骤8)获得的车轮下路表弯沉值，依据步骤3)确定的评估指标，对待测试道路的承载力进行动态评估；
通过查阅道路设计资料获取路表弯沉容许值，再将步骤8)获得的车轮下路表弯沉值转换为静态弯沉值，之后计算出路表弯沉容许值与静态弯沉值的比值而获得强度系数SSI；再利用公式(1)计算出相应的强度指数PSSI，最后利用强度系数SSI和强度指数PSSI对照表1对待测试道路的承载力进行动态评估，如对于高速和一级道路：强度系数SSI≥1.0则道路等级为优，0.83≤强度系数SSI<1则道路等级为良，0.66≤强度系数SSI<0.83则道路等级为中，0.5≤强度系数SSI<0.66则道路等级为次，强度系数SSI<0.5则道路等级为差。对于其他等级道路：强度系数SSI≥0.83则道路等级为优，0.66≤强度系数SSI<0.83则道路等级为良，0.5≤强度系数SSI<0.66则道路等级为中，0.3≤强度系数SSI<0.5则道路等级为次，强度系数SSI<0.3则道路等级为差。对于所有道路：强度指数PSSI≥90则道路等级为优，80≤强度系数SSI<90则道路等级为良，70≤强度系数SSI<80则道路等级为中，60≤强度系数SSI<70则道路等级为次，强度系数SSI<60则道路等级为差。

Claims (3)

1.一种基于应变和频率的道路承载力动态测试方法，所述的基于应变和频率的道路承载力动态测试方法包括按顺序进行的下列步骤：
1)建立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，建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型；
3)根据相关规范确定出用于车轮下路表弯沉测试的评估指标；
4)选取标准加载车作为测试车；
5)构建测试系统；
6)确定步骤4)选取的测试车种类，获得待测试道路参数，并利用步骤5)构建的测试系统获得待测试道路的动态响应数据；
7)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据及步骤2)获得的基顶当量回弹模量反演模型，计算出待测试道路的基顶当量回弹模量；
8)利用步骤6)确定的待测试道路参数和动态响应数据、步骤7)获得的基顶当量回弹模量及步骤2)获得的车轮下路表弯沉反演模型，计算出车轮下路表弯沉值；
9)根据步骤8)获得的车轮下路表弯沉值，依据步骤3)确定的评估指标，对待测试道路的承载力进行动态评估；
其特征在于：在步骤1)中，所述的建立车路动态响应的数值模型的方法是：
假设车身具有垂直位移、俯仰转角和侧倾转角三个自由度，每个车轮存在一个非悬挂质量的垂直位移；将车辆悬架系统和轮胎的刚度及阻尼均假设为常数；路面平整度是车辆随机动载的唯一激励源，而且车辆行驶过程中轮胎始终与地面保持接触；忽略路面横向平整度影响，仅考虑路面纵向平整度影响且左右轮下的路面平整度激励相同；建立一个x轴方向23m长、y轴方向16m宽、z轴方向(9+a)m深的道路模型，其中a为面层厚度，路基底面为固定约束，与x轴平行的断面约束y轴方向位移，与x轴垂直的断面约束x轴方向位移，车辆模型以不同车辆荷载与行车速度沿上述道路模型的x轴方向中线通过不同平整度的路面，利用有限元软件中的瞬态完全法求解出车路动态响应的数值模型。
2.根据权利要求1所述的基于应变和频率的道路承载力动态测试方法，其特征在于：在步骤2)中，所述的基于上述车路动态响应的数值模型，建立基顶当量回弹模量反演模型与车轮下路表弯沉反演模型的方法是：
首先基于上述车路动态响应的数值模型，分析不同车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的响应规律；然后建立车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和基顶当量回弹模量综合作用下道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型，获得道路频率、车轮下路表弯沉和距车轮外侧不同位置处路表应变；最后根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度和道路频率建立基顶当量回弹模量反演模型，获得基顶当量回弹模量；并根据车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量和距车轮外侧不同位置处路表应变建立车轮下路表弯沉反演模型；
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，道路频率的求解模型为：
Figure FDA0003654318140000021
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，车轮下路表弯沉的求解模型为：
Figure FDA0003654318140000031
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，距车轮外侧不同位置处路表应变的求解模型为：
Figure FDA0003654318140000032
当车辆荷载、行车速度、路面平整度、面层厚度一定时，基顶当量回弹模量反演模型为：
Figure FDA0003654318140000033
当车辆荷载、行车速度、路面平整度一定时，由距车轮外侧不同位置处路表应变得到车轮下路表弯沉反演模型为：
Figure FDA0003654318140000034
式中：f，s，ε分别为道路频率、路表弯沉、路表应变；Ec，hc，Et分别为面层模量、面层厚度、基顶当量回弹模量；a，b，c，d，e，g，k，m，n，r，a1，b1，c1，d1，e1，g1，k1，m1，n1，r1，a2，b2，c2，d2，e2，g2，k2，m2，n2，a3，b3，c3，d3，a4，b4，c4，d4均为系数。
3.根据权利要求1所述的基于应变和频率的道路承载力动态测试方法，其特征在于：在步骤3)中，所述的根据相关规范确定出用于车轮下路表弯沉测试的评估指标的方法是：
从《公路技术状况评定等级》(JTG 5210-2018)中选取路表弯沉值对道路承载力进行评估，将路表弯沉容许值与路表弯沉实测值的比值即强度系数SSI作为一项评估指标，同时在强度系数SSI基础上将强度指数PSSI作为另一项评估指标；强度指数PSSI的计算方法见公式(1)；强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准见表1；
PSSI＝100/(1+15.71e-5.19SSI) (1)
表1、强度系数SSI与强度指数PSSI的评估标准
Figure FDA0003654318140000041
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