動荷載下的路橋過渡段差異沉降研究綜述

摘 要:差異沉降一直是路橋建設中的關鍵技術難題之一，而動荷載下的路橋過渡段差異性沉降則更加復雜。隨著科技和經濟的發展，人們對“安全性、可靠性、舒適性”的需求日益強烈，差異性沉降越發引起了路橋設計和施工人員的高度重視。基于此，本文對路橋過渡段差異沉降方面的研究成果進行了綜合評述，旨在探究過渡段差異沉降量在工程建設中的重要意義。

關鍵詞:路橋 過渡段 差異沉降 動荷載

中圖分類號:U44文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)04(b)-0128-01

改革開發以來，我國經濟的高速發展伴隨了大量路橋等基礎設施的建設。隨著科技的進步，人們對道路運營的安全、可靠、舒適等要求日益重視，這迫切要求道路的建設過程中更關注穩定和平順。現實中，在路基與橋梁的連接處常因路基與橋臺差異沉降而產生路橋過渡段的橋頭跳車現象，這既降低了道路的行車速度又影響行車的舒適性和安全性。盡管跳車現象在路橋過渡段差異沉降量很小時不太明顯，但差異沉降現象不可避免并成為了影響道路正常運營的關鍵技術難題之一。隨著研究的深入，差異沉降量達到一定程度后產生的跳車現象對舒適性和安全性的影響日益引發了人們的關注，而相應的路橋過渡段差異沉降則成為了學術界的研究焦點。因此，本文對路橋過渡段差異沉降問題的研究成果進行了綜合評述，旨在探究過渡段差異沉降量在工程建設中的重要意義。

1 常見差異沉降量化指標

基于“安全、可靠、舒適”的要求，路橋過渡段差異沉降量必須控制在容許范圍內，這才能保證駕駛員或乘客在車輛行駛過程中的舒適、安全。前人研究中，路橋過渡差異沉降量的容許量主要如下:

(1)容許工后沉降，它是指路基的總沉降與鋪設路面前已發生的沉降之差，用于控制填土路堤的剩余沉降。研究表明，高等級公路在路堤上鋪筑路面20年內容許工后沉降為30～50cm且于路橋過渡段的路堤容許工后沉降值宜定為10～20cm[2]，進一步研究則表明路橋過渡段容許沉降差為10cm。

(2)容許縱坡坡差，它是指路橋過渡段發生工后沉降前后的坡度變化值，又稱容許縱坡相對差。研究表明，車速為90～l00km/h的舒適性搭板容許縱坡變化值在0.4%～0.6%且0.4%最為適宜[9]，進一步研究則認為橋頭引道沉降為“馬鞍型”且車速為80～140km/h時路橋過渡段容許縱坡變化值為11.5%～0.4%。

(3)容許臺階高度，它是指橋面與引道相接處的容許臺階高度作為差異沉降控制指標。研究表明，基準期為三年時橋堤銜接部位臺階控制在2cm，桑塔納轎車、東風140載重車等研究表明:在臺階高度小于1.5cm時對車輛行駛無明顯影響，臺階高度在1.5～3.5cm時車輛產生較明顯顛簸，臺階高度為3.5～5.0cm時車輛產生明顯顛簸，當臺階高度大于5.0cm時顛簸現象明顯且車速超過80km/h時會影響行車安全。

針對上述指標，學者們提出了大量多控制指標及標準[2]，但它們往往缺乏系統分析路橋過渡段結構參數與車輛參數等因素，并因為采取的研究方法差異而存在差異。

2 動荷載作用與路面關系

在現有車輛動力學的研究中，車輛動力學分析方法是將整個車輛系統作為現行系統，路面不平度作為系統的輸入且各個測點的振動作為系統的輸出。在當前研究中，車輛系統的線性模型主要包括平面模型和空間模型，不同的車型和路面參數的分析指示動荷載的大小與車輛和路面特性兩方面緊密相關，符合頻響函數的推導可得出車輛在各種路面不平度功率譜作用下的振動特性，進一步研究則從動能量守恒原理出發得出了路橋過渡段橋頭跳車沖擊時動荷載系數的統一表達式。上述研究中的路面模型大多是以普通路面為對象，然而路橋過渡段橋頭跳車屬于典型的動荷載作用問題，該問題的研究主要涉及兩方面:一是路面結構由于橋臺和路面之間的差異沉降所導致的車輛動荷載作用下的振動問題，該方面問題主要涉及行車安全性、乘坐舒適性及路面動荷載設計參數的確定;另一方面是路面結構在動荷載作用下的動力響應問題，該方面問題主要涉及對路面的結構設計、無損檢測、動參數的研究及揭示路面結構損傷機理。

3 動荷載下的沉降

我國公路修建里程飛速增長，公路通車總里程截至2009年底已經長達383萬km(高速公路6.5萬km)，里程不斷增加的進程中還伴隨了道路等級的不斷提高，橋梁、涵洞、通道等公路構造物所占的比重也越來越大。實踐表明，高等級公路的營運中表現出諸多不盡人意的地方，尤其是在這些構造物臺背回填處普遍存在橋頭跳車的現象，即:橋梁、通道、涵洞等構造物本身及臺背回填處由于行車荷載和自重的作用而繼續沉降且沉降量的差異致使臺背與構造物連接處的路面出現臺階并導致了高速行駛的車輛產生顛簸跳躍的現象。圍繞此問題，學者們在早期設計方法的基礎上考慮了移動荷載作用在彈性半空間表面問題的積分解，并進一步分析了彈性半空間表面作用移動的線荷載和有限長度的線荷載問題、應力和頻率對材料特性依賴性及基于粘彈性層狀體系的移動圓形荷載作用的動力響應。進一步研究中，學者們測試了移動車輛荷載作用下柔性路面結構的應力、應變和位移并發現瀝青層的拉應變與車速有關并提出了與錯臺高度相關的橋頭銜接狀況五個等級劃分標準。在有限元模擬軟件的基礎上，彈性多層地基上剛性路面板的有限元得到了分析，并有學者進一步提出了基于行車舒適性和安全性提出路橋過渡段差異沉降的控制標準。在上述研究中，有限元法研究還存在許多尚待解決的問題，因而而動荷載作用下路橋過渡段的差異沉降問題仍舊未能攻克。盡管如此，但研究成果們無疑是向著人類的需求在逐漸逼近。

4 結語

在我國公路修建里程飛速增長的過程中，路橋過渡段的差異沉降越發成為了人們關注的焦點。在動荷載的作用下，路橋過渡段差異沉降的規模往往越發顯著，這對理論研究和施工實踐都是巨大挑戰。盡管學者們引入了動能量守恒原理和有限元模擬等方法，但始終未能徹底攻克該方面的問題。相信，隨著學者們對該問題的越發關注，未來的路橋建設將會有更多、更好的處理方法。

參考文獻

[1]馮忠居，方貽立.龔堅城等高等級公路橋頭跳車的危害及其機理的分析[J].西安公路交通大學學報，1999，19(4):33～35.

[2]王崇濤.路橋過渡段差異沉降與動力響應研究(博士學位論文)[D].西安:長安大學，2010，1～148.

[3]張麗芳，艾軍.橋頭引道沉降對簡支梁沖擊效應的影響分析[J].振動與沖擊，2009，28(10):4～7.

[4]劉小洪.客車五自由度振動系統數學模型的建立[J].客車技術與研究，1998，20(3):15～17.