（道路与铁道工程专业论文）路桥过渡段差异沉降与动力响应研究.pdf

s t u d y ad i s s e r t a t i o ns u b m i r e df o rt h ed e g r e eo fd o c t o r c a n d i d a t e ：w a n gc h o n g t a o s u p e r v i s o r ：p r o f w a n gb i n g g a n g c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：丑露7 序 加口年莎月c e t 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：立存多匀沙，口年厶月1 日 钏雠碍钥加舻 矽日 摘要 路桥过渡段差异沉降的存在会降低道路的行车速度，同时也直接影响行车的舒适性 与安全性，成为影响道路正常运营的关键技术难题之一。论文对路桥过渡段的差异沉降 及其动力响应进行系统分析，分别基于行车舒适性和安全性提出路桥过渡段差异沉降的 控制标准，并对路桥过渡段路面结构的动力响应进行分析，从而为及时提出路桥过渡段 的养护维修对策，并为合理设计路桥过渡段路面结构提供理论依据。 论文采用最大沉降量与最大纵坡变化值作为路桥过渡段差异沉降的控制指标，以人 体承受振动的瞬时加权加速度均方根值作为舒适性评价指标。通过采用问卷调查与压电 式加速度传感器测量相结合的方式，分别从主观与客观两方面评价车辆通过路桥过渡段 时的人体舒适性。回归得出小轿车座椅加权加速度均方根值与路桥过渡段最大沉降量和 最大纵坡变化值的相关关系，以小轿车为测试评价车型，基于人体感觉“有些不舒适 提出路桥过渡段不同行车速度下的差异沉降控制标准。建立人车路垂向振动系统，编制 m a t l a b 程序，分析五自由度车辆模型通过路桥过渡段时承受的动力响应，得到车辆 速度、载重、错台高度、搭板长度、搭板纵坡变化值、汽车轴距等参数对车辆承受振动 的影响规律。提出采用动荷载系数作为评价路桥过渡段车辆承受动载的评价指标，并计 算得出行驶车辆作用于路桥过渡段时受到的附加动荷载和动荷载系数，基于大客车行车 安全性提出路桥过渡段差异沉降的控制标准。建立路桥过渡段三维有限元模型，分别计 算了冲击荷载作用下，未设和设搭板两种情况路桥过渡段路面结构的动态响应，根据计 算结果引入沥青路面动载弯沉修正系数、动载基层和底基层层底拉应力修正系数和动载 路基顶面压应变修正系数，以充分考虑车辆动荷载对路桥过渡段路面结构的影响，从而 完善路桥过渡段路面结构设计方法。 关键词：路桥过渡段、差异沉降控制标准、人体舒适性、行车安全性、动力响应、 动荷载系数、动载修正系数 a b s t r a c t t h e d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta tb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw i l lr e d u c et h er u n n i n g s p e e do ft h er o a d ，a n da l s oa f f e c ti t sc o m f o r tp r o p e r t i e sa n ds a f e t yd i r e c t l y s oi tt u r n st ob e o n eo ft h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m st oa f f e c tt h en o r m a lo p e r a t i o no ft h er o a d t h ep a p e r a n a l y z e dt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n ta tb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o na n di t sd y n a m i c r e s p o n s e ，p r o p o s e dt h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o lc r i t e r i o nb a s e do nr u n n i n gc o m f o r ta n d s a f e t y , a n da l s oa n a l y z e dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo ft h ep a v e m e n ts t r u c t u r ea tb r i d g e s u b g r a d e t r a n s i t i o ns e c t i o n t h er e s e a r c hr e s u l t sc a np r o v i d et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt i m e l ym a i n t e n a n c e a n dr a t i o n a ld e s i g no fp a v e m e n to ft h eb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o n t h em a x i m u ms e t t l e m e n tv a l u ea n dt h em a x i m u mc h a n g ev a l u ei nl o n g i t u d i n a l s l o p e w e r ep r o p o s e da st h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o li n d e x e sa tb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o n s e c t i o n ，a n dt h er o o tm e a ns q u a r eo ft h et r a n s i e n tw e i g h t i n ga c c e l e r a t i o no fv i b r a t i o nw a s p r o p o s e da s t h e c o m f o r te v a l u a t i o ni n d e x c o m b i n e dw i t h q u e s t i o n n a i r es u r v e ya n d p i e z o e l e c t r i ca c c e l e r a t i o ns e n s o rm e a s u r i n g ，t h eh u m a nc o m f o r tw a se v a l u a t e dw h e nt h e v e h i c l eg ot h r o u g hab r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nf r o mt h es u b j e c t i v ea n do b j e c t i v ew a y r e s p e c t i v e l y t h ec o r r e l a t i o ne q u a t i o n sb e t w e e nt h e r o o tm e a n s q u a r e o f w e i g h t i n g a c c e l e r a t i o no ft h es e a to ft h ec a ra n dt h em a x i m u ms e t t l e m e n tv a l u ea n dt h em a x i m u m c h a n g ev a l u ei nl o n g i t u d i n a ls l o p ea tb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r eg a i n e d u s i n g c a r sa se v a l u a t i o nm o d e l s ，b a s e do nt h eh u m a nf e e l i n go f ”s o m e w h a tu n c o m f o r t a b l e ”，t h e d i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o lc r i t e r i o na tb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nu n d e rd i f f e r e n t r u n n i n gs p e e dw a sp r o p o s e d t h ev e r t i c a lv i b r a t i o ns y s t e mc o m b i n e dw i t ht h ef e e l i n go f h u m a n ，t h ev e h i c l e sa n dt h er o a dw a se s t a b l i s h e d ，a n dt h ed y n a m i cr e s p o n s eo f5 - d o f v e h i c l em o d e lw h e ng o i n gt h r o u g ht h eb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r ea n a l y z e dw i t h t h ec o m p i l e dm a t l a bp r o g r a m t h em o d e l s c h a n g el a w si n f l u e n c e db yt h ep a r a m e t e r so f n m n i n gs p e e d ，l o a d ，s e t t i n gh e i g h t ，t h el e n g t ho ft h ea p p r o a c hs l a b ，l o n g i t u d i n a ls l o p ec h a n g e r a t i o ，w h e e l b a s e ，e t c w e r ea n a l y z e d t h ed y n a m i cl o a df a c t o rw a sp r o p o s e da st h ei n d e xt o e v a l u a t et h ec a p a b i l i t yo ft h eb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nt ow i t h s t a n dt h ed y n a m i cl o a d ， a n dt h ea d d i t i o n a ld y n a m i cl o a da n dd y n a m i cl o a df a c t o rw h e nt h ev e h i c l er u n n i n gt h r o u g h t h eb r i d g e s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw e r ec a l c u l a t e d b a s e do nt h er u n n i n g s a f e t yo ft h eb u s ， t h ed i f f e r e n t i a ls e t t l e m e n tc o n t r o lc r i t e r i o ni nb r i d g e - s u b g r a d et r a n s i t i o ns e c t i o nw a sp u t f o r w a r d i no r d e rt om a k eaf u l lc o n s i d e r a t i o no ft h ei n f l u e n c ec a u s e db yt h ev e h i c l e s d y n a m i cl o a d i n ga n di m p r o v et h ep a v e m e n ts t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o do ft h eb r i d g e - s u b g r a d e - n - - i i i - 2 1 2 路桥过渡段差异沉降控制指标1 3 2 1 3 路桥过渡段差异沉降测试结果1 4 2 2 人体承受全身振动量化指标与评价标准分析。l5 2 2 1人体承受全身振动评价方法1 6 2 2 2 乘客舒适性评价标准1 9 2 3 本文采用的乘客舒适性评价指标。2 l 2 3 1 乘客舒适性评价指标分析2 l 2 3 2 人体加权加速度均方根值计算方法2 l 2 4 本章小结。2 2 第三章基于人体舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准研究。2 3 3 1 人体舒适性问卷调查分析。2 3 3 1 1调查方案2 3 3 1 2 人体舒适性问卷调查结果分析2 5 3 1 3 乘客舒适性与路桥过渡段差异沉降指标相关性分析2 6 3 2 压电式传感器路桥过渡段行车加速度测试3 5 3 2 1加速度传感器测量原理3 5 3 2 2 加速度传感器安装测试3 8 3 2 3 加速度数据处理4 1 3 3 加速度与乘客舒适性问卷调查相关性分析。4 l v 3 3 1座椅加权加速度均方根值与乘客评分的相关性4 1 3 3 2 底板加权加速度均方根值与乘客评分的相关性4 5 3 4 基于舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准研究4 9 3 4 1不同速度下加权加速度均方根值与路桥过渡段差异沉降相关性分析4 9 3 4 2 路桥过渡段差异沉降控制标准5 6 3 5 本章小结5 7 第四章路桥过渡段车辆振动晌应分析。5 9 4 1 路桥过渡段路面不平整计算模型的建立5 9 4 2 车辆垂直振动分析模型研究6 0 4 3 车辆通过未设搭板路桥过渡段时的动力响应分析6 2 4 3 1动力响应分析流程6 2 4 3 2 车辆参数的确定6 3 4 3 3 小轿车振动响应分析：6 4 4 3 4 客车振动响应分析6 5 4 4 车辆通过设搭板路桥过渡段时的动力响应分析。7 2 4 4 1 动力响应分析流程7 2 4 4 2 客车振动响应分析7 3 4 5 基于安全性的路桥过渡段差异沉降控制标准研究8 0 4 5 1 动荷载评价指标8 0 4 5 2 路桥过渡段客车动荷载系数分析8 2 4 5 3 基于安全性的路桥过渡段差异沉降控制标准8 6 4 6 本章小结8 7 第五章车辆动荷载作用下路桥过渡段路面结构响应分析8 9 5 1 沥青路面结构分析基本理论。8 9 5 2 车辆动荷载的特性9 0 5 3 冲击荷载作用下未设搭板的路桥过渡段路面结构响应分析。9 1 5 3 1未设搭板的路桥过渡段有限元模型的建立9 l 5 3 2 模型参数敏感性分析9 6 5 4 冲击荷载作用下设搭板的路桥过渡段路面结构响应分析1 1 2 5 4 1设搭板的路桥过渡段有限元模型的建立1 1 2 5 4 2 模型参数敏感性分析1 1 6 5 5 动载作用下路桥过渡段路面结构设计指标的修正1 2 7 5 5 1 动静荷载作用下路桥过渡段路面结构响应对比分析1 2 7 5 5 2 沥青路面结构设计指标动载修正系数研究1 3 0 5 6 本章小结1 3 3 主要结论、创新点及进一步研究问题1 3 5 主要结论。1 3 5 仓u 新点1 3 8 进一步研究问题1 3 8 主要参考文献1 3 9 攻读博士学位期间取得的研究成果1 4 7 发表的论文1 4 7 参加的科研项目1 4 7 致谢1 4 8 长安人学博士学位论文 1 1问题的提出 第一章绪论弟一早珀 了匕 随着我国国民经济的快速发展，公路修建里程不断增加，道路等级不断提高，截至 2 0 0 9 年底，我国公路通车总里程达3 8 3 万k m ，其中高速公路6 5 万k m 。随着公路等级 的不断提高，桥梁、涵洞、通道等公路构造物所占的比重也越来越大。据不完全统计， 对于高速公路，仅通道与涵洞平均每公里有3 座之多，个别线路甚至达4 - - 5 座。但从 目前已投入使用的高等级公路，特别是高速公路的营运情况来看，存在一些不尽如人意 之处，尤其是在这些构造物台背回填处普遍存在桥头跳车的现象( 图1 1 ) 。所谓桥头跳 车，是指桥梁、通道、涵洞等构造物本身及台背回填处由于行车荷载和自重的作用而继 续沉降，通常构造物沉降与台背沉降不一致即产生差异沉降，致使台背与构造物连接处 的路面出现台阶，从而导致高速行驶的车辆通过台背回填处产生颠簸跳跃的现象。 图1 1 桥头跳车 桥头跳车是目前公路建设中的通病之一，严重影响行车舒适性和安全性，降低车辆 的行驶速度和道路的通行能力。同时，车辆通过路桥过渡段时产生不利的动荷载，从而 加速了桥台、支座、伸缩缝及路面结构等的损坏。因此，桥头跳车是道路交通安全的重 要隐患之一，损害高等级公路建设的社会效益和经济效益，成为高速公路建设和运营中 迫切需要解决的世界性难题。 桥头跳车现象带来的危害具体体现在以下几个方面： ( 1 ) 对行车安全和舒适度的影响。由于跳车的存在使车辆不得不降低车速，使公 路的使用功能和通行能力受到很大影响。跳车使司机和乘客感到不适，心情不快易疲劳， 所载货物易损坏；严重跳车会造成翻车、追尾等交通事故，威胁人、车和物的安全，造 第一章绪论 成生命、财产的损失。 ( 2 ) 桥头差异沉降使得车辆通过桥涵结构物时，产生冲击荷载，其水平和垂直冲 击力会对路面、路基和桥梁结构物产生进一步的损坏，从而增加养护维修费用和管理的 难度，并降低公路使用性能。 ( 3 ) 桥头跳车对车辆损害很大，增加车辆的振动，加剧机件、轮胎磨损和行车的 油耗，缩短车辆的使用年限，增加运输成本。 统计资料表明，汽车行驶过路桥过渡段时由于差异沉降紧急制动一次，会增大油耗 6 0 毫升。若按5 0 0 0 辆日交通量计算，则在每座桥头处的油耗为3 0 0 升日，燃油平均 单价若以6 元升计算，每年会浪费6 0 万元以上。美国每年由于桥头跳车现象用于路桥 过渡段的养护、维修费用高达一亿美元以上，我国每年也要花费大量的人力、物力和财 力来处理桥头跳车现象。路桥过渡段桥头跳车已成为阻碍高等级公路正常运营的关键问 题，因而有必要对路桥过渡段的差异沉降及其动力响应进行研究，提出桥头跳车的量化 指标与评价标准，从而有利于减少桥头跳车的发生并及时提出养护维修对策，这对提高 道路行车安全性和我国高速公路的使用品质具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 1 2 1路桥过渡段差异沉降量化指标与标准研究现状 道路运营必须满足安全、可靠、舒适等基本要求，因此要求道路必须稳定、平顺。 在路基与桥梁连接处，由于路基与桥台沉降不同而导致路桥过渡段附近产生桥头跳车现 象。路桥过渡段的差异沉降现象不可避免会发生，只是差异沉降量很小时，跳车现象不 明显，而当差异沉降量达到一定程度后才会出现跳车现象，从而影响行驶的舒适性和安 全性，因此必须将路桥过渡段差异沉降量控制在容许范围内。但是，实际运营过程中路 桥过渡差异沉降量控制在多大范围才使驾驶员或乘客在车辆行驶过程中没有不舒适的 反应，同时也不会危及行车安全，目前为止尚无明确定论。针对该问题，国内外很多专 家和学者对路桥过渡段的差异沉降进行研究，提出容许工后沉降、容许纵坡坡差和容许 台阶高度等评价指标与控制标准。 1 容许工后沉降 容许工后沉降指路基的总沉降与铺设路面前已发生的沉降之差，用于控制填土路堤 的剩余沉降。对于设置搭板的路桥过渡段，指搭板末端下土体的容许工后沉降；而对于 未设搭板的路桥过渡段，有时过渡段会发生纵坡变化，此时指发生纵坡变化引道末端土 2 长安大学博士学位论文 体的容许工后沉降。若从时间角度来看，容许工后沉降一般是指铺设路面后所容许的剩 余沉降量。目前，高等级公路路桥过渡段容许工后沉降值规定中，明确指出是在使用年 限内容许发生的工后沉降量，该使用年限一般取路面的使用年限。对于先通车，再在通 车后某年限内不断分阶段维修和养护的高等级公路，容许工后沉降量为某一年限内的指 标。例如，沪嘉高速公路指铺筑路面至大修年限的容许工后沉降量，而日本道路协会规 定为铺筑路面后三年内的容许剩余沉降量。 目前，国内外许多资料以容许工后沉降作为路桥过渡段差异沉降的控制指标。美国 1 9 7 1 年在相关研究中指出，除对桥头引道处差异沉降一般规定为2 5 c m ，通常允许公路 的工后沉降为3 0 - - 6 0 c m 。此外，在研究报告公路路堤软基处理3 1 中指出：公路经 济寿命期间，一般路堤容许工后沉降为3 0 - - - 6 0 c m ，而桥头引道容许工后沉降为1 5 - 3 0 c m 。 d a n i e l 1 等人以引道路堤的容许工后差异沉降作为沉降控制指标，并根据美国和加拿大 等公路部门8 0 0 多个桥头的调查分析，发现当设置6 1 9 i m 的搭板时，引道与桥台沉 降差为2 5 4 c m 时不会出现桥头跳车现象。w a h l s 2 等对美国路桥过渡段进行调查分析， 发现桥台后填土竖向位移小于1 0 c m ，水平位移小于5 c m 时，桥梁与路面结构不致产生 损坏。德国一般规定控制路堤工后沉降的两个指标：相对沉降为5 - d5 ，绝对沉降为 3 - 5 c m ，特殊情况亦不超过1 0 c m ，而且两个指标要求同时控制。日本道路协会规定h 1 路桥过渡段的容许沉降量为1 0 3 0 c m 。 交通部重庆公路科研所巧1 等单位针对天津新港地区软土地基上修筑的公路路堤， 通过实验研究表明：高等级公路在路堤上铺筑路面2 0 年内，容许工后沉降为3 0 5 0 c m ， 对于路桥过渡段的路堤，容许工后沉降值宜定为1 0 - 2 0 c m 。沪嘉高速公路6 1 规定邻近 路桥过渡段路堤的容许工后沉降为1 0 c m ，并在5 0 m 长度内逐渐过渡到3 0 c m 。广佛高速 公路r 规定铺筑路面3 0 年内容许工后沉降值：一般路堤为2 0 c m ，路堤与人工构造物 衔接处为1 0 c m 。京津塘高速公路规定软土地基上路桥过渡段的工后沉降，对于主线为 1 0 c m ，当与一级公路分离式交叉时为2 0 c m ，与二级公路分离式交叉时为3 0 c m 。刘林芽 嵋1 等人要求路桥过渡段容许沉降差为1 0 c m 。公路软土地基路堤设计与施工技术规范 ( j t j 0 1 7 9 6 ) 7 8 】中，对于容许工后沉降规定：高速公路和一级公路桥台与路堤相邻处 其容许工后沉降应不大于1 0 c m ，采用高级路面的二级公路不大于2 0 c m ；高速公路和一 级公路涵洞或箱形通道处容许工后沉降应不大于2 0 c m ，采用高级路面的二级公路不大 于3 0 c m 。总结上述资料可以看出，我国针对软土地基，一般规定已建和在建高速公路 桥头引道大多以容许工后沉降为控制指标，其控制标准为1 0 c m ，随着公路等级降低， 3 第一章绪论 容许工后沉降标准值有所增大。 2 容许纵坡坡差 纵坡坡差，又称纵坡相对差，指路桥过渡段发生工后沉降前后的坡度变化值。对于 设置搭板的容许纵坡坡差，m o u l t o n 9 1 建议对于连续桥跨和简支跨结构分别取o 4 和 0 5 。s t a r k 1 和w a h l s 1 等建议统取1 2 0 0 ，并且认为当f 达到1 2 0 0 1 1 2 5 时，乘 客会感觉严重不舒适。j a m e sh l o n g 2 1 等根据对i l l i n o i s 州的调查分析，提出以相对坡 度为o 8 1 0 作为桥头引道差异沉降处理的依据。 国内王秉纲3 1 等人经过实地测试提出搭板容许纵坡变化值为o 4 。叶见曙4 1 等 人采用日本“公爵王 小轿车，在车速为9 0 1 0 0 k m h 时调查乘客通过路桥过渡段的舒 适性，提出搭板容许纵坡变化值在0 4 0 6 以下时不影响行车舒适性，并建议搭板容 许纵坡变化值取为0 4 。凌建明5 1 认为桥头引道沉降为“马鞍型”，通过理论分析和 试验研究，提出了“马鞍型”最大容许纵坡变化值，当车速为8 0 1 4 0 k m h 时，路桥过 渡段容许纵坡变化值为1 1 5 o 4 。冯光乐6 1 等根据试验，得到“马鞍型”桥头差异 沉降养护判定标准和养护目标限值，如表1 1 所示。宁通一级公路调查分析表明，行车 速度为9 0 1 0 0 k m h 时，搭板容许纵坡坡差小于o 5 时没有跳车感觉，介于0 5 1 o 之间时稍有跳车感觉，大于1 0 时跳车感觉非常明显。 表1 1“马鞍型”桥头沉降养护判定标准和养护目标限值 容许纵坡坡差( ) 行车速度( k m h ) 养护判定标准养护目标限值 1 4 0郢4三d 2 5 1 2 0 如5郢3 5 1 0 0 郢7 59 5 8 0 s 1 1 55 d 7 5 6 0 受15 1 3 5 4 0g 79 1 3 容许台阶高度 当高等级公路地基条件良好，填土较高或采取换填石灰土等方法进行路基处理，引 道工后沉降很小；或者引道工后沉降很大，先修筑临时路面并通车，待工后沉降稳定一 定程度后再铺筑路面等情况下，路桥过渡段可以不设置搭板。当引道发生纵坡变化时， 控制指标可采用引道容许工后沉降、引道容许纵坡变化值或引道与桥面之间的容许坡 差。但是当发生局部沉陷或横坡变化时，桥面与引道之间发生垂直错台，此时可采用桥 面与引道相接处的容许台阶高度作为差异沉降控制指标。 4 长安大学博j ：学位论文 w a h l s 2 1 等认为台阶高度达到1 2 c m 时会产生跳车现象，影响乘客舒适性。s t a r k 等认为台阶高度为2 5 c m 时会发生跳车现象，而达到5 0 7 5 c m 时乘客会感觉严重不舒 适。王秉纲、胡长顺7 1 等人建议当基准期为三年时，桥堤衔接部位台阶控制在2 c m 以 内。冯忠居8 1 等人采用桑塔纳轿车、东风1 4 0 载重车等典型车辆，控制车速为 6 0 1 4 0 k m h ，对二级以上公路有桥头台阶路段进行测试，结果表明：台阶高度小于1 5 c m 时，对车辆行驶无明显影响：台阶高度在1 5 3 5 c m 时，车辆产生较明显颠簸；台阶高 度为3 5 5 0 c m 时，车辆产生明显颠簸；当台阶高度大于5 0 c m 时，不仅颠簸现象明显， 而且车速超过8 0 k m h 时，感觉掌握方向困难，影响行车安全。冯光乐们对于未设搭板 的“错台型”沉降，通过主观评测试验得出：当错台高度大于3 5 c m 时，车辆产生明显 颠簸，并以此作为沉降处理的养护判定标准。 此外，张洪亮9 1 以人的加速度最大瞬态振动值m t v v 作为振动评价指标，考虑振 动对人体振动知觉、舒适性、健康、运动病等的影响，提出以人体承受全身振动的评价 标准做为衡量路桥过渡段差异沉降大小的依据，并对路桥过渡段进行了车路动力学分 析，但是并没有基于行车安全性或舒适性，明确提出路桥过渡段差异沉降的控制标准。 陶向华眨们基于人车路相互作用的计算分析，从理论上确定了基于行驶舒适性的路桥过 渡段差异沉降控制标准。没有经过实践的检验，同时对于基于行车安全性的路桥过渡段 差异沉降的控制标准，没有展开相应研究。 综上可知，为控制桥头跳车，国内外大量研究人员对路桥过渡段差异沉降提出了很 多控制指标及标准。但是，上述研究大多依赖于现场调查以及简单的计算分析，没有系 统分析路桥过渡段结构参数与车辆参数等的影响，而且由于研究的侧重点不同，加之采 取的研究方法不一致，使得这些控制指标与标准彼此间存在差异。实际上，路桥过渡段 差异沉降控制标准与车型、车速、载重、司乘人员及路桥过渡段路面结构等密切相关， 已有研究大多根据乘客主观上对舒适性的感受，提出路桥过渡段差异沉降控制标准，容 易忽略乘客各体的差异，缺少客观上对差异沉降的定量评价。此外，专门针对行车安全 性还未有人提出过相应的差异沉降控制标准。 我国现行路面设计规范也没有针对路桥过渡段的受力特点，提出其合理的差异沉降 控制标准，这在路桥过渡段的养护维修中存在较大的主观性和不确定性，非常不利于高 等级公路的正常运营。 5 第一章绪论 1 2 2 动荷载作用下路桥过渡段车路动力响应研究现状 同我国现行路面设计规范中采用静荷载不同的是，路桥过渡段桥头跳车是一个典型 的动荷载作用问题。关于动荷载的研究目前主要包括两个方面的内容，一方面是路面结 构由于桥台和路面之间的差异沉降所导致的车辆动荷载作用下的振动问题；另一方面是 路面结构在动荷载作用下的动力响应问题。前者关系到行车安全性、乘坐舒适性及路面 动荷载设计参数的确定，后者则对路面的结构设计、无损检测、动参数的研究及揭示路 面结构损伤机理具有重要的意义。 1 车辆动荷载研究现状 车辆动力学的研究已经取得了较大的成就。一般的车辆动力学分析方法，是将整个 车辆系统作为现行系统，路面不平度作为系统的输入，各个测点的振动作为系统的输出。 目前车辆系统的线性模型包括平面模型，空间模型，自由度数也大大增加。 b e r n a r d 眨等人采用l 4 车辆模型和半车模型，将路面不平整度作为参数输入，计 算得出相应加速度。计算结果表明，五自由度车辆模型基本上可以满足计算精度要求。 c e b o n d 2 2 1 选用不同的车型，得到响应的动荷载，并对车辆参数和路面参数的影响 规律进行了分析，研究得出动荷载的大小与车辆和路面特性两方面紧密相关。 刘小洪2 3 1 建立了包括人椅在内的客车振动系统五自由度模型，通过符合频响函数 的推导，计算得到车辆在各种路面不平度功率谱作用下的振动特性，如计算各相应点的 位移谱密度，加速度谱密度，加速度均方根值等。 于建民嘣1 在多体系统动力学研究的基础上，运用a d a m s 软件进行仿真，建立了 车辆路面耦合模型，主要以加权加速度均方根值为指标分析了路面参数和车辆参数对 桥头跳车时车辆行驶平顺性的影响，提出了如何通过修改路面参数和车辆参数来减缓甚 至消除桥头跳车的方法。 朱孔源2 5 1 建立了路面不平度激励的频域和时域模型以及基于动载分析的二自由度 和七自由度车辆振动模型，并使用v p i a s 软件分析了车辆参数对车辆振动的影响，并 在此基础上提出了降低车辆动载的的半主动悬架技术。 冯忠居等2 6 1 动能量守恒原理出发，考虑了路桥过渡段在冲击时的能量损失，推导 了路桥过渡段桥头跳车冲击时动荷载系数的统一表达式。 由以上参考文献不难看出，使用的路面模型大多是基于普通路面来进行研究，而对 车辆通过路桥过渡段这一较为特殊的构造时的振动情况的研究却较为缺乏。其次，建立 的车辆模型有的自由度数目偏少，不能真实的反映车辆的振动特性，且所建立的模型中 6 长安人学博士学位论文 大都忽略了轮胎阻尼的影响，使得模拟的轮胎受力与实际情况有较大的差别。 2 动荷载作用下路面结构的动力响应研究现状 传统的设计方法将车辆荷载看作是静止不动的的单圆或多圆荷载，而随着车速的提 高，载重的增加等原因，为了更为真实的模拟车辆荷载作用下路面的响应情况，动荷载 的成为了一个热门的研究对象。 s n e d d o n 眨7 1 首先得到考虑移动荷载作用在弹性半空间表面问题的积分解。c o l e 和 h u t h 2 8 1 和b a r o n 2 9 1 等分析了弹性半空间表面作用移动的线荷载和有限长度的线荷载问 题。m i l e s 3 和p a y t o nb 分别考虑了弹性半空间表面作用移动的轴对称荷载和点荷载 问题。c h e n t 3 2 11 对c o l e 和h u t h 的模型进行了改变，计算了移动的线荷载作用下层状 体系的动力响应。 近期，有些学者( c h e n 3 2 1 1s o u s a 啦! 等；h u a n g 3 4 1 ) 已经考虑应力和频率对材料 特性的依赖性。s e b a a l y 和m a m l o u k 1 3 5 1 m o n i s m i t h 嘶1 和s o u s a 3 3 1 等基于粘弹性层状 体系，分析了移动圆形荷载作用下动力响应。但这些研究采用静动等效的方法，不能充i 分体现移动荷载的本质。 s e b a a l y 等b 7 1 测试了移动车辆荷载作用下，柔性路面结构的应力、应变和位移，通 过分析，发现沥青层的拉应变与车速有关，同时层底存在较大压应变。 s i d d h a r t h a n 3 8 ，3 9 1 等采用有限层法对移动荷载作用下柔性路面进行了动力响应分析。 将移动的车辆荷载用傅立叶级数展开，最后用模型试验进行了验证，结果比较吻合。但 ； 其使用的模型不能对正向接触压力的变化和横向接触压力的变化建立正确的模型，即这 种方法并没有反映动荷载的本质。1 9 9 8 年，s i d d h a r t h a nm 1 等继续发展了他的模型，车 辆荷载可以是更加真实的移动荷载，使用了傅立叶变换和综合考虑线弹性和粘弹性的有 限元法。 张丽芳和艾军4 针对旧桥中常出现的桥头引道及伸缩缝破坏情况，基于五参数车 辆模型的车桥耦合系统运动方程，用n e w m a r k 法进行数值求解，使用动力放大系数考虑 车辆冲击荷载的影响，分析桥头引道沉降差对桥梁振动的影响，提出与错台高度相关的 桥头衔接状况五个等级划分标准。 吕彭民h 2 1 等采用快速傅立叶变换法对路面随机不平度进行时域模拟，建立半车模 型，应用龙格库塔法分析了路面等级、车速、载重和车辆参数对路面动荷载的影响， 研究了车辆产生的动荷载规律。 另外，随着有限元模拟软件的逐步推广，路面的动力响应问题也从另一角度得以研 7 第一章绪论 究。李东发h 3 1 使用2 自由度车辆模型探讨了路面不平整波长与车速对汽车动载的影响， 并采用a n s y s 软件对半刚性路面结构在半波正弦荷载作用下的动力响应进行了分析。 刘力安1 在对路面平整度检测数据分析的基础上，采用1 4 车辆模型求得路面动载。 应用有限元程序n a s t r a n 对沥青路面在动态荷载作用下的结构响应进行了数值分析， 其着重分析了不同激励下二维平面应变模型的动态响应规律以及路面结构参数改变对 沥青路面动态响应的影响，同时还研究了任意荷载作用及荷载位置变化时路面结构内的 应力状态，及对路面三维模型的动态响应进行了初步的分析。徐步青4 5 1 用线性弹性有 限元程序，研究分析了竖向荷载采用不同荷载类型系数，水平正向荷载采用不同摩擦系 数，以及超载情况下，不同轴载对应的不同胎压时，半刚性基层沥青路面的应力情况。 王后裕h 6 1 采用三维弹塑性有限元分析了重载交通作用下半刚性路面的力学规律。陈静 h 7 1 采用a n s y s 软件，建立三维路面结构模型，分析了半刚性路面在车辆动载作用下 的疲劳破坏机理。唐伯明、邓学均4 8 1 研究了弹性多层地基上刚性路面板的有限元分析。 目前，应用有限元法进行动荷载作用下路面的响应研究还存在不少问题。首先，建立的 的路面模型大多是二维的，三维模型的运用较少，由于模型尺寸的限制，因此不能很好 的反映路面真实的受力情况。其次，对动荷载的处理也是较为单一。理论上，车辆动荷 载是随机荷载，一是大小变化，二是位置变化，在以前所进行的研究中，都是选取其中 一种类型进行分析，如何将两者同时有效的考虑，对路面在动荷载作用下的动力响应更 为真实的模拟还需进行大量的工作。 1 3 主要研究内容和技术路线 1 路桥过渡段差异沉降测试与人体舒适性评价标准分析 分析国内外对路桥过渡段差异沉降指标的研究现状，提出本文采用的路桥过渡段差 异沉降控制指标。依托京港澳和郑焦晋高速公路，采用水准仪测量其差异沉降量较大的 部分路桥过渡段，得出其差异沉降值。此外，分析乘客通过路桥过渡段时承受的振动特 点，考虑路桥过渡段形式及车辆参数等因素对行驶舒适性的影响，提出合理评价人体承 受全身振动的方法。结合乘客舒适性评价标准研究现状，提出采用的乘客舒适性评价指 标。 2 基于人体舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准研究 通过对乘客通过路桥过渡段时的舒适性问卷调查，初步确定路桥过渡段差异沉降与 人体舒适性的关系。针对调查路段，通过在测试车内安装压电式加速度传感器测得车辆 8 长安大学博士学位论文 通过路桥过渡段时的竖向加速度信号，通过对所测信号进行处理，提取出车辆通过路桥 过渡段的竖向加速度变化曲线和加权加速度均方根值。基于人体舒适性评价标准，及加 速度实测值与差异沉降实测值的对应关系，提出路桥过渡段差异沉降控制标准。 3 路桥过渡段车辆振动响应分析 确定路桥过渡段纵断面曲线形式，建立路桥过渡段路面不平整模型。将车辆简化为 五自由度体系模型，编制相应的程序，计算设与未设搭板情况车辆通过路桥过渡段时的 加速度和轮胎受力等振动响应，分析车辆参数、车型、车载、搭板长度等参数对车辆振 动响应的影响。提出车辆通过路桥过渡段时的动荷载评价指标，经过计算分析，基于行 车安全性提出路桥过渡段差异沉降控制标准。 4 车辆动荷载作用下路桥过渡段路面结构响应分析 针对桥头跳车的实际情况，通过建立合适的路桥过渡段路面几何模型，采用a n s y s 有限元软件综合分析设搭板与未设搭板的路桥过渡段路面结构在冲击荷载作用下的动 态响应。主要分析车载、车速和不同路桥过渡段结构参数对路桥过渡段路面结构应力、 应变等指标的影响。同时通过对路桥过渡段路面在动荷载和静荷载作用下的不同响应的 对比分析，提出在路桥过渡段沥青路面设计中应考虑动载的不利影响，为优化路桥过渡 段路面结构设计提供依据。 9 第二章路桥过渡段差异沉降测试与人体舒适性评价标准分析 第二章路桥过渡段差异沉降测试与人体舒适性评价标准分析 2 1路桥过渡段差异沉降测试 目前，可用于路桥过渡段工后差异沉降的检测方法主要有3 米直尺法、连续平整度 仪法、车载式颠