貨車對不平整路面的動荷載分析

魏連雨，楊政龍，李思倩

(河北工業大學 土木工程學院，天津 300401)

隨著中大型貨車比例的不斷增加，且車輛超載現象越來越嚴重，由路面不平度所引起的不同速度下的動態荷載成為了道路使用性能和壽命所必須考慮的因素之一。筆者采用多層彈性路面結構，采用有限元法對車輛動荷載及路面結構力學響應規律進行了模擬研究[1]。

1 動荷載試驗介紹

本次試驗在G307公路滄州崔爾莊段進行，動荷載稱重儀器采用SM2000C動態稱重儀，該儀器主要由道路稱板和內部采集輸出設備兩部分組成。

試驗車選用的是同型號三軸貨車在滿載(30 t)和超載(42 t)狀態下不同車速的動荷載情況，每次試驗車運行都是在單車道均勻車速通過動態稱重儀稱板，且在試驗前已經通過試驗車對動態稱重儀進行了標定設置，數據為實際車輛對路面的荷載作用值，采集的具體試驗數據如表1。

表1 動荷載試驗數據

2 動荷載有限元模擬

2.1 荷載模型及參數

采用連續的半波正弦曲線作為動力加載函數來模擬實際汽車荷載，其表達式為[2-6]：

P(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中：P0為車輛靜載，取車輛單邊輪載，kN；P為振動荷載幅值，P=M0μω2[M0為車輛模型簧下質量，ω為振動圓頻率，ω=2πv/L，v為車速，L為路面幾何曲線波長；μ為路面幾何不平順失高(按國際高速公路平整度指數取值)]。

滿載30 t(超載42 t)三軸貨車其具體荷載計算參數如表2。

表2 荷載計算參數

2.2 有限元模型參數

基于彈性層狀體系理論，對滄州市典型省道路面結構進行模擬分析，路面結構和相應材料參數如表3。

表3 路面結構材料參數

2.3 模型的建立

經過多次調試比較后，在保證計算精度的基礎上，確定了三維模型的大小尺寸分別為長(Z方向)8 m、寬(X方向)8 m、高(Y方向)5 m[7]；車速取現場試驗車所測實際車輛速度；單側雙輪輪胎當量接觸[8]為0.24 m2，輪胎接地壓力[9]為0.7 MPa；平整度為現場所測實際道路平整度值15 mm/3 m，具體路面有限元結構模型如圖3。

圖3 路面結構模型Fig.3 Pavement structure model

平整度按照國際平整度指數IRI來表示，根據道路表面形狀和缺陷(凹陷、搓板和坑槽)，行駛感覺(可感受到的起伏不平和劇烈運動)和行駛速度(在干燥和直路上無交通擁擠狀況下通常可行駛的速度)對路面做出了相應的平整度等級如表4。

表4 平整度等級

3 模擬結果分析

3.1 試驗車模擬結果及分析

通過對30 t和42 t試驗車與路面力學響應模擬得到相應的路面正壓力值，并換算成車輛動荷載值與SM2000C動態稱重儀所測現場數據進行匹配分析。圖4(a)為30 t試驗車模擬動荷載與實際檢測數據匹配；圖4(b)為42 t試驗車模擬動荷載與實際檢測數據匹配。

圖4 試驗車動荷載Fig.4 Dynamic load of testing car

由圖4可知，模擬與實測數據基本吻合，文中有限元模型可以很準確的模擬實際貨車行駛時對道路的動荷載情況。對于不同車速下動荷載的變化情況，30 t試驗車動荷載在20 km/h之前是隨著車速增大而增長的，在其之后隨著速度增大動荷載基本保持一定范圍內的速率降低的趨勢，動荷載總共降低了約24.8%；42 t超載試驗車在27 km/h之前和36 km/h之后動荷載經歷了多次增減起伏，表現較為不穩定，但動荷載在整體上是隨著速度增大而起伏減小的，動荷載總共降低了約7%。由此可以看到，超載車對路面的動荷載隨著速度的變化比滿載車要不穩定的多，且降低的比例要小，必然對路面造成的破壞作用要大。

3.2 平整度影響模擬分析

對試驗道路固定平整度(15 mm/3 m)下的模擬分析，現按照前面介紹的平整度等級不斷改變道路的平整度，分析42 t超載試驗車在不同平整度情況道路上行駛時的動荷載變化情況，具體動荷載隨著平整度等級的變化如圖5。

圖5 平整度影響下動荷載變化情況Fig.5 Dynamic load changes under the influence of flatness

由圖6可以得到各平整度等級下的動荷載變化情況有明顯不同。各個平整度下動荷載隨著速度的增大都還保持著原有的增減起伏特點，但當平整度大于40 mm以后，當速度增大到36 km/h之后，動荷載從原來的降低趨勢變為了增長，且隨著平整度的增長，其動荷載增長趨勢越來越大，以至于其值開始高于較低速度時的峰值。由此可以看到平整度對于貨車對道路的動荷載變化作用效果很大，平整度越好的道路同樣車況下對道路的破壞作用較小，隨著平整度的變差，對路面的破壞也就慢慢變大，由原來的速度越大荷載作用越小變為速度越大荷載作用越大的情況，所以保持道路平整度平順是很有必要的。

4 結 論

1)采用的動力曲線函數和路面有限元模型可以很好的模擬實際貨車對路面的動荷載作用情況。對于同一路面平整度下，滿載車隨著速度的增大處于勻勢的下降；而超載車隨著速度的增大不斷的出現增減起伏的不穩定趨勢，這就造成較未超載車在較高速度時產生相對更大的動荷載作用，對路面產生更大的破壞。所以嚴格控制車輛超載對于保護路面壽命是很有必要的。

2)對于超載車在不同平整度等級道路下的動荷載變化可以看到隨著平整度的變差，貨車動荷載起初隨著速度的增大變化趨勢基本一致，但當增大到36 km/h之后隨著速度增大，平整度差的道路所產生的動荷載開始變為主要的快速的增大趨勢，以反較好平整度下動荷載為整體下降的趨勢，而變為隨車速增大不斷增長的情況。因此，道路的平整程度對于車輛對路面動荷載作用大小有很大的影響，特別是在高速情況下，不同平整度等級下差別很大，在道路建設時應更加重視路面平整程度，以延長道路使用壽命和車輛行駛舒適程度。

[1] 鄧學鈞,張登良.路基路面工程[M].北京:人民交通出版社,2004.

Deng Xuejun,Zhang Dengliang.Subbgrade and Pavement Engineering [M].Beijing:China Communications Press,2004.

[2] 鄧學鈞,孫璐.車輛-地面結構系統動力學[M].北京:人民交通出版社,2000.

Deng Xuejun,Sun Lu.System Dynamics of Vehicles-Ground Structure [M].Beijing:China Communications Press,2000.

[3] 蘭輝萍,李德建.高速公路路基的動力響應分析[J].西部探礦工程,2003,15(8):160-162.

Lan Huiping,Li Dejian.Dynamic response analysis of freeway subgrade [J].West-China Exploration Engineering,2003,15(8):160-162.

[4] 向坤山.動載作用下半剛性路面動力響應的三維有限元模擬 [J].湖南交通科技,2006,32(3):53-55.

Xiang Kunshan.Dynamic response of rigid pavement under dynamic loads by three-dimensional finite element simulation [J].Human Communications Technology,2006,32(3):53-55.

[5] 周長峰,孫蓓蓓,孫慶鴻.鉸接式自卸車懸架系統動力學建模與仿真[J].汽車技術,2004,35(9):15-18.

Zhou Changfeng,Sun Beibei,Sun Qinghong.Modeling and simulation of harshness of an articulated tipper [J].Automobile Technology,2004,35(9):15-18.

[6] 黃雪嬌,曹源文,李仕峰.基于ADAMS重型半掛車動荷載仿真分析[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2012,31(1):128-132.

Huang Xuejiao,Cao Yuanwen,Li Shifeng.Simulation analysis on dynamic loads of heavy-duty semitrailer model based on ADAMS [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(1):128-132.

[7] 廖公云,黃曉明.ABAQUS有限元軟件在道路工程中的應用[M].

南京:東南大學出版社,2008.

Liao Gongyun,Huang Xiaoming.Application of ABAQUS Finite Element Software in Road Engineering [M].Nanjing:Southeast University Press,2008.

[8] 單景松,黃曉明,廖公云.移動荷載下路面結構應力響應分析 [J].公路交通科技,2007,24(1):10-13.

Shan Jingsong,Huang Xiaoming,Liao Gongyun.Dynamic response analysis of pavement structure under moving load [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2007,24(1):10-13.

[9] JTG D 50—2006公路瀝青路面設計規范 [S].北京:人民交通出版社,2006.

JTG D 50—2006 Specifications for Design of Highway Asphalt Pavement [S].Beijing:China Communications Press,2006.