公路沥青路面结构动力响应及车辆舒适度分析

莫楚良

(广西路桥工程集团有限公司,广西 南宁 530200)

0 引言

随着我国公路基础建设的高速发展,沥青路面被广泛应用于高速公路,车辆行驶速度越来越高,载重越来越大,车辆不合理行驶会对沥青路面结构的动力响应、行车舒适度等产生影响,导致路面变形和破坏,威胁行车安全,造成极大的经济损失。因此,控制车辆合理行驶是保障行车安全和质量的关键。大量学者对此展开研究,李江等[1]基于ABAQUS软件,建立沥青公路数值模型,分析了车辆不同行驶速度和制动状态对路面结构动力响应的影响,并通过增强面层及层间接触面抗剪抗弯强度的方法,减少公路病害的产生。吴金民等[2]基于ADINA软件,建立非均布移动重载作用下橡胶沥青公路动力学模型,研究沥青道路在重载作用下的动力时空相应规律,验证了橡胶沥青路面的优势。赵锐军[3]采用客观测量和主观感觉相结合的方法探究了振动频率对高速公路行车舒适度的影响,对于行车舒适度评价具有一定的指导意义。王海涛等[4]提出了广义舒适度的概念,利用层次分析法确定权重,构建了3个评价维度、11个评价指标的综合评价体系,并通过实际运用案例验证综合评价体系的合理性。本文基于ANSYS软件,建立标准沥青路面数值模型,探究公路沥青路面结构的动力响应规律,并进行车辆舒适度评价。

1 模型的建立

为探究公路沥青路面结构的响应规律并进行不同行车参数条件下的舒适度分析,参考沥青路面设计规范,选用ANSYS软件,建立三维标准路面有限元模型,模型全长100 m,2×11.25 m双向六车道,模型采用分层法建立,路面结构从上到下依次为沥青路面上层、沥青路面下层、基层、底基层和土基层,层与层之间存在接触,设置4个接触面。路面各结构层参数如表1所示。考虑车辆荷载影响岩深度减弱,网格划分沿深度由密到稀,沿长度和路宽方向均匀划分,最终划分单元数为162 000个,节点数为1 780 000个。路面设为完全自由边界,道路纵横向施加对称约束,底面采用全部约束,建立沥青路面有限元模型如图1所示。

图1 沥青路面有限元模型图

表1 沥青路面各结构层参数表

2 沥青路面结构动力响应

考虑不同行车参数对路面结构动力响应的影响,主要包括车重、行车速度和制动情况3个方面。

2.1 车重对路面结构动力响应的影响

为研究不同车重的影响,考虑路面等级为B级,车速为36 km/h,5个等级的车重(11.57 t、13.73 t、15.89 t、16.97 t和18.05 t)。如图2所示为不同车重条件下的路面竖向位移幅值曲线,竖向位移随车重增加而增加,且增长幅度很大,因此车重对于路面竖向位移具有较大的影响。如图3所示为不同车重情况下的应力幅值曲线,随着车重增加,4种应力幅值均呈现上升趋势,表明车重越大,路面结构的动力响应就越大。相比之下,其水平剪应力远低于垂直应力和纵向应力,且增加幅度较小,但水平剪应力易引起公路路面的疲劳破坏,其影响不容忽视。随着车重增加,路面垂直应力增长幅度最大,故道路竖向动力响应对轴重十分敏感,轴重对道路稳定具有较大的影响,需要针对不同道路采取限重措施。

图2 不同车重情况下的竖向位移幅值曲线图

图3 不同车重情况下的应力幅值曲线图

2.2 车速对路面结构动力响应的影响

为研究不同行车速度的影响,参考高速公路限速要求,选取6种增长梯度为18 km/h的车速(18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h和108 km/h),道路等级为B,车重为15.89 t。因路面纵向应力和横向应力变化规律相似,仅展示横向应力随车速的变化情况。如图4所示为不同车速情况下路面的竖向位移幅值曲线,如图5所示为不同车速情况下路面横向拉压应力幅值(压应力取正值)曲线。车速对于路面结构动力响应的影响相对较小,随行车速度增加,竖向位移幅值和横向应力先增大后减小。其中当车速为72 km/h时,竖向位移幅值最大,为0.499 m;土基顶面横向拉应力同样在车速72 km/h时达到最大,为0.137 MPa;沥青层表面横向压应力在车速为54 km/h时达到最大,为0.443 MPa。究其原因,车速变快,车辆到点并作用于测点的时间缩短,会降低测点的竖向位移和拉压应力,同时过快的行车速度会产生上浮力,从而减小竖向位移。

图4 不同车速情况下路面竖向位移幅值曲线图

图5 不同车速情况下路面横向拉压应力幅值曲线图

2.3 制动情况对路面结构动力响应的影响

为研究不同制动情况的影响,设置正常行驶、正常制动、紧急制动3种情况,路面设为双向六车道,车速为36 km/h,B级道路,车重为15.89 t。不同制动情况不会对路面位移造成明显的影响,主要考虑不同制动力对路面应力的影响。如图6所示为不同制动情况路面的纵向压应力、纵向拉应力、水平剪应力、横向剪应力幅值曲线。随着制动力的增加,各应力均呈增加的趋势。其中,水平剪应力增加幅度较大,因此,车辆制动情况的变化会对路面水平方向动力响应产生较大影响,水平剪应力会造成沥青面层和土基层之间的滑移破坏,对于经常需要进行制动路段,考虑提高沥青路面的抗剪强度。横向剪应力呈现直线增长的趋势,变化幅度不大,但易引起公路破坏,不能忽略。

图6 不同制动情况下的路面应力幅值曲线图

3 车辆舒适度分析

3.1 舒适度评价原理

车辆行驶状态评价主要包括车辆安全性判断和人体舒适度评价两个方面。车辆安全性判断是舒适度评价的前提,当满足安全性要求后,才能进行下一步的舒适度评价,车辆安全性主要是通过车辆侧倾安全系数来评价。舒适度评价主要采用客观评价和主观评价两种方法,采用ISO2631客观评价指标对行车舒适度进行评价和划分,并通过烦恼率主观评价指标考虑人的主观因素。

车体侧倾计算模型如图7所示。车辆侧倾安全系数可以通过车辆抗侧倾力矩与车辆侧倾转动惯性力矩之比计算,如式(1)所示。当S>1时,车辆处于安全状态;当S=1时,车辆处于临界不稳定状态;当S<1时,车辆发生侧翻。

图7 车体侧倾计算模型图

(1)

(2)

式中:mv——车辆重量;

d——重力力臂;

Mj——车辆侧倾转动惯性力矩,可由式(3)表示。

(3)

ac——车辆离心加速度。

ISO2631客观评价方法采用加权加速度均方根值对舒适程度进行评价和划分,共划分为6个等级,如表2所示,加权加速度均方根值可采用式(4)进行计算。

表2 舒适程度划分表

(4)

式中:N——总体自由度;

aω——轴向加速度均方根值,通过式(4)或式(5)进行计算;

ki——加权系数,参考ISO2631-1:1997[5]。

时域范围内轴向加速度均方根值如式(5)所示:

(5)

式中:T——振动的总时间;

aωi(t)——加权加速度时间历程。

频域范围内轴向加速度均方根值如式(6)所示:

(6)

式中:G(f)——及速度自功率密度函数。

烦恼率为感觉烦恼(包括不可接受)人数占总人数的比例,烦恼率曲线计算公式如式(7)所示,采用对数正态分布曲线对烦恼率曲线进行拟合可以得到不同加速度下的烦恼率值。定义烦恼界限,采用二值逻辑法定义可接受和不接受人数各占一半,取烦恼界限对应的烦恼率为0.5[6]。

(7)

式中:σ2——方差;

u——振动强度;

x——u的期望值。

3.2 车重对舒适度的影响

为研究路面等级的影响,设置5种车重(11.57 t、13.73 t、15.89 t、16.97 t、18.05 t)、双向六车道、B级路面、车速为36 km/h,不同车重情况下的安全性计算结果如表3所示。5种车重情况的车辆侧倾安全系数均满足要求,可进行接下来的舒适度分析。基于前文所述舒适度评价原理,采用式(4)计算不同车重情况下的人体的加权加速度均方根值,然后代入烦恼率公式(7),采用对数正态分布曲线对烦恼率曲线进行拟合得到不同加速度下的烦恼率值,计算结果如表3所示。人体加权加速度均方根和烦恼率随车重增加而降低,即车重越高,舒适度越高。最高的两种车重表现为没有不舒适,另外3个车重均表现出一定程度的不舒适现象,所有车重情况下人体烦恼率均满足烦恼界限要求。16.97 t和18.05 t车重情况表现为没有不舒适,并且满足烦恼率界限评价标准,具有一定的舒适度保障,但16.97 t车重情况烦恼率为3.27%,不能完全忽略对舒适度的重视。11.57 t、13.73 t和15.89 t车重情况客观上表现为一定程度的不舒适,主观上均满足烦恼界限评价标准。上述分析表明,随着车重增大,人体舒适度不断提高,烦恼率不断减少,车重能有效提高车辆的舒适程度,但车重增大会引起制动距离加长而导致的追尾安全事故的发生,需要对行车重量进行限制。

表3 不同车重情况下的安全性和舒适度计算结果表

3.3 车速对舒适度的影响

为研究车速的影响,设置6种车速(18 km/h、36 km/h、54 km/h、72 km/h、90 km/h、108 km/h)、双向六车道、B级路面、车重为15.89 t,进行人体舒适度分析。不同车速情况下的车辆安全性和舒适度计算结果如表4所示。5种车速情况的车辆侧倾安全系数均满足要求。人体加权加速度均方根和烦恼率随车速增加而增加,客观上5种车速情况均表现出一定程度的不舒适,车速越高,不舒适程度越高;主观上烦恼率随车速不断增加,在108 km/h的最高车速情况下,不满足烦恼率界限评价标准。可以看出,ISO2631舒适度客观评价标准对于舒适度的划分更加详细,要求相对较高,而主观烦恼率界限评价标准相对容易满足。车速对人体舒适度的影响程度较大,仅次于路面等级对舒适度的影响,因此需要严格控制路面平整性和行车速度来有效提升行车舒适度。

表4 不同车速情况下的安全性和舒适度计算结果表

3.4 制动力对舒适度的影响

为研究制动力的影响,考虑正常行驶、正常制动和紧急情况3种行车情况,设置双向六车道、B级路面、车速为36 km/h、车重为15.89 t,进行人体舒适度分析。不同车速情况下的车辆安全性和舒适度计算结果如表5所示,3种行车情况的车辆侧倾安全系数均满足要求。人体加权加速度均方根和烦恼率随制动力的增加而增加,制动力越大,舒适度越低。正常行驶和正常制动情况的加权加速度均方根和烦恼率小于均值,紧急制动情况大于均值,说明制动力对人体舒适度影响明显,紧急制动会引起一定程度的不适,在行驶过程中需注意行驶要求和规范,减少紧急制动情况的发生。

表5 不同制动情况下的安全性和舒适度计算结果表

4 结语

本文以某实际工程标准高速公路为例,选用ANSYS软件,建立标准沥青路面有限元模型,探究公路沥青路面结构的动力响应规律,并采用主客观结合的方法对不同行车参数条件下的舒适度进行分析,得到如下结论:

(1)车重和制动力的增大,会增大路面结构的动力响应;沥青路面的动力响应随车速增加呈现先增大后减小的趋势。

(2)沥青路面结构竖向动力响应对车重十分敏感,车重变化会对竖向动力响应产生明显的影响;车辆制动情况的变化会对路面水平方向动力响应产生较大影响;车速对路面动力响应影响较小。

(3)车辆行驶速度增大、制动力增大会增大车辆的动力响应,提高烦恼率,降低乘车人员的舒适度;增加车重会减少车辆的动力响应,降低烦恼率,增大乘车的舒适程度,但车重过大易导致制动距离加长,引发追尾安全事故,故需对车重进行合理限制。