（机械设计及理论专业论文）路桥过渡段路基修筑技术加载装置研究.pdf

摘要 本文讨论的加载装置是配合路桥过渡段路基修筑技术基础研究项目所建造 的地基沉降试验台进行试验而设计的。其主要部分是一模拟汽车高速行驶通过路 面时对路面某一点所产生的脉冲冲击的激振器。将激振器安装在压路机前车架上 组成的加载装置对试验路段进行连续集中的加速寿命试验，用来研究道路破坏的 机理。为解决困扰广大工程技术人员的高等级公路使用中的“桥头跳车”难题提 供理论和技术支持。 同时通过改装压路机使其产生准冲击振动，也让我们有了研制新型冲击式振 动压路机的思路。通过试验可进一步对理论分析做出进一步的验证。 关键词：加载装置、波形模拟、复合冲击振动 a b s t r a c t w h a tw a sd i s c u s s e di nt h i sp 叩e ri sal o a d i n gd e v i c e w h i c hc o o p e r a t e sw i t h g r o u n ds u b s i d ep l a t f o r md e s i g n e df o rb a s i cs t u d y i n gp r o j e c to f r o a db r i d g et r a n s i t i o n s e c t i o n sa n dr o a db e db u i l d i n gt e c h n o l o g yt oe a l t yo nt e s t m a i np a r to fi t si sa v i b r a t i n gd e v i c ew h i c hs i m u l a t e sp u l s ep r o d u c e db ya u t o m o b i l ep a s s i n go n ep o i n to f r o a ds u r f a c ea tah i g hs p e e d v i b r a t i n gd e v i c ei si n s t a l l e do nt h ef r a m ei nf r o n to f r o a d r o l l e rt om a k eu pl o a d i n gd e v i c e t h i si su s e di nt h et e s th i g h w a ys e c t i o nt od o c o n c e n t r a t i n go na n di ns u c c e s s i o na c c e l e r a t el i f et e s tf o rs t u d y i n gt h em e c h a n i s m d e s t r o y e di nr o a d i t so f f e r i n gt h et h e o r ya n dt e c h n i c a ls u p p o r tf o rs o l v i n gd i f f i c u l t p r o b l e mo fs u p e r h i g h w a yi nu s i n g 一”c a l j u m p i n ga tt h ee n do fab r i d g e ”w h i c h p e r p l e xt h em a s s e so f e n g i n e e r sa n dt e c h n i c i a n s a tt h es a l n et i m e ，t h ea p p r o x i m a t es h o c kv i b r a t i o ni sp r o d u c e d ，w h i c hl e tu st o h a v ean e wi d e at os t u d yan e w t y p es h o c kv i b r a t i o nr o a dr o l l e r w ec a nm a k ef u r t h e r v e r i f i c a t i o nf o ra n a l y s i sa b o u tt h et h e o r yt h r o u g ht e s t i n gt h a t k e y w o r d s ：l o a d i n gd e v i c e ，w a v ef o r ms i m u l a t i o n ，c o m p o u n d i n gs h o c kv i b r a t i o n 本课题来源于西部交通建设科技项目路桥过渡 段路基修筑技术，项目合同编号：2 0 0 l 3 l 扯8 1 2 3 9 ， 得到交通部专项基金资助。 第一章综述 第一节研究背景 一、前言 本文讨论的加载装置是配合路桥过渡段路基修筑技术基础研究项目所建造 的地基沉降试验台进行试验而设汁的。是一种用来模拟车辆高速行驶通过路面 时，对路面某一点所产生的脉冲冲击载荷的激振器。将激振器安装在压路机前车 架上组成的加载装置对试验路段进行连续集中的加速寿命试验，用来研究道路破 坏的机理。 在高等级公路使用过程中经常遇到的“桥头跳车”现象一直是困扰广大工程 技术人员的难题之一。特别是近j b i 来，随着我国高等级公路建设步伐的加快， 如何有效地控制“桥头跳车”保证公路交通安全和高速运营，已越来越引起人们 的广泛关注。“桥头跳车”是指在桥台构造物与引道路堤填土衔接处产生较大差 异沉降，使得路面形成台阶式的显著纵坡变化，导致高速行驶的车辆在这一区段 产生颠簸跳跃的现象。高速行驶的车辆跳跃时不仅乘车舒适性不能保证，而且行 车安全性大大降低。因跳车而不得不在桥头频繁减速、加速，既影响交通的迅速 流动，又增加了车辆的损耗和废气排放。此外，“桥头跳车”还会对桥梁的工作 状况产生不利影响，加速桥头路面及伸缩缝的破坏。国内外资料表明，因“桥头 跳车”而增加的道路维修费用大得惊人【1j 【2 j 【3 j 。下面从道路和桥台的结构入手分 析“桥头跳车”产生的原因。 二、道路的构成 道路主要由地基、路基和路面组成。路基和路面是道路的主要工程构造物。 地基是路基和路面的基础。地基一般要经过夯实、换置、排水固结、加筋等 方法进行加固。 路基修筑在地基上，是路面的基础。其基本作用是，承受由路面传递来的载 荷，确保路面的强度与稳定。路基要求整体稳定，变形小。 路面直接承受行车的作用。路面要求平整、抗滑、承载能力强【4 l 【5 | 6 1 。 三、路基的断面型式 路基由土质或石质材料组成。路基的构造通常用横断面图来表示。按照路基 填挖的情况，其断面型式可分为路堤、路堑和半填半挖三种类型。 路基顶面高于原地丽的填方路基称为路堤，如图1 1 1 所示。路桥过渡段路 基多为此种形式，填筑高度一般不超过6 m 。路基常见的病害就是路堤沉陷。 全部由地面开挖山的路基称为路堑，如图1 1 _ 2 所示。路颦开挖后一般不填 土，既使填土高度也不超过1 m 。 横断面上部分为挖方部分为填方的路基称为半填半挖路基，通常出现在地面 横坡较陡处，如图1 1 3 所示。 图1 1 1 路堤 ( 1 ) 全路堑( 2 ) 半路堑( 3 ) 半三峒 图1 1 2 路堑 豳1 i 3 半填半挖路基 四、桥台 桥台由台顶、台身及基础三部分组成，如图1 1 4 所示。 1 2 3 l _ 台顶2 一台身3 一基础 图1 1 4 桥台 桥台是桥梁的重要组成部分，桥台起着支承桥跨结构和衔接桥跨与路基的作 用，它不仅要承受桥跨传来的载荷及自重，而且还要承受台背填土及填土上车辆 载荷产生的附加侧压力。因此，桥台本身要具有足够的强度、刚度和稳定性，桥 台地基的承载能力、沉降量、地基与基础之间的摩阻力等也都要达到一定的要求， 在载荷作用下桥台不发生过大的水平位移、转动或沉降而影响桥跨的j 下常使用。 五、“桥头跳车”产生的原因 从上面叙述可以看出，“桥头跳车”产生的直接原因是刚性桥台结构物与柔 性路堤连接处在行车荷载的反复作用下填土自身固结沉降过程中产生较大的差 异沉降变形。影响桥头差异沉降的因素很多，比如路堤填土的欠固结沉降、路堤 填料的类型、施工工艺、桥台类型、台背土冲刷流失、交通荷载及排水等等。其 中，交通荷载重复作用下填土的塑性变形及填土与地基在填土自重作用下的沉降 是主要影响因素。而施工质量控制不严更加剧了“桥头跳车”的危害性。 桥梁两端的道路由地基、填土路基( 路堤) 、路面结构层等三部分组成。那么， 引起路基顶面整体下沉量必定由这三部分组成。 1 地基的下沉。地基处治不当，在路基、路面的静载、动载( 行车载荷) 的作 用下，出现地基下沉，特别是软弱地基： 2 路基的下沉。具体又可以分为如下几点： ( 1 ) 高等级公路的台后填土高度较高，根据研究资料，当压实度为9 5 时，每 米高的填土，其工后沉降约为1 c m 。 ( 2 ) 压路机常受地物地限制，对紧靠台背的填土难以碾压到位，因而出现碾压 “死角”。 ( 3 ) 台前和台背的防护工程有时处理不当，使路堤填土产生侧移而导致沉陷。 ( 4 ) 路基与台背接壤处的伸缩裂缝，经雨水渗入以后，也会对路基沉降产生影 响。 ( 5 ) 路基填筑时所选用材料不过关，施工管理不善。 3 路面的下沉。路面的各结构层( 尤其是高等级公路的基层、垫层) 在行车荷 载的反复作用下，结构层密实度增加，结构厚度相对减薄引起下沉。 从上面的叙述可以看出“桥头跳车”由多个因素引起，故防止技术措施应 从三个方面入手，地基处理、路基处理、路面处理。 实际上，地基、路基的下沉量远远大于路面的下沉量，所以研究工作也主要 在这两个方面展开。 4 目前国内外解决“桥头跳车”的方法大致有以下几种： ( 1 ) 处理加固台后地基。处理好台后软弱地基是控制“桥头跳车”的重要措施。 ( 2 ) 桥头设置过渡段。在路堤和桥涵结构物的连接段上，考虑结构的差异，设 置一定程度的过渡段。根据具体情况和所采用的措施，过渡段可分为路面过渡、 搭板过渡两种类型。 ( 3 ) 设置完善排水措施。排水措施对填方的稳定极为重要，特别是靠近构造物 4 背后的填料。 ( 4 ) 台背填土处治措施。常见的措施如换填填土材料、提高压实技术、路堤土 工格栅加筋等。 这些处治措施，大多是根据现场经验以及室内小比例尺模型实验得出的，这 些研究经验对解决“桥头跳车”具有一定的指导作用。但有些方法处治机理不清， 治标不治本，固有成功的案例，也不乏失效的报道。究其原因，主要是没有进行 系统深入的研究，对方法的作用机理和具体工况的适用程度未搞清楚，即使立题 研究，也往往投入不多，只是宏观调查资料，而缺少系统试验分析结果。现场测 试分析方法单一，不可能进行综合处治分析。室内模型试验近似简化较多，只能 作一般性研究，结果的可靠性难以保证【7 】f 8 1 【9 】【1 0 】【l l 】 2 1 。 本项目要进行系统研究，主要从路基的方面展开研究。进行路基填土的各种 处治方法包括填土材料类型、加筋的手段以及设置搭板工况等的正交试验，在填 土及加筋的材料中布设压力、位移等传感器，开展不同处治技术的适应性与作用 机理的系统研究。要得出路桥过渡段适用的路基处置方法，建立路桥过渡段路基 设计与计算方法，以及路基施工工艺与质量体系。因此，要利用路堤全断面的地 基沉降特征，实现地基沉降的人工模拟，并在此基础上对路基施加动、静载荷， 对路基进行模型试验研究。 第二节地基沉降模拟试验系统( 台) 本课题利用地基沉降模拟试验系统( 台) 人工模拟实际路基下地基表面沉降， 通过安装激振器的压路机模拟汽车高速行驶通过路面时对路面某一点所产生的 脉冲冲击，对试验系统( 台) 上铺筑的路基进行动载荷加速破坏试验，获取比较 接近实际路况情况下路基变化参数进行研究，改善现有路基施工工艺，解决困扰 施工人员和路面使用者的“桥头跳车”现象。 一、地基沉降模拟试验系统( 台) t 3 1 1 研究依据 地基沉降模拟试验系统( 台) 以地基的沉降特征作为研究依据。 一般认为地基的沉降包括两方面的内容：一是沉降变形的绝对大小，即地基 最终沉降量的大小；二是沉降随时间的变化，即所谓的土体固结( 土体的超静孔 隙水压力逐渐消散，内部含水缓慢渗出，体积逐渐减小这种现象称为土体的“固 结”) 。 对实际工程项目中地基沉降观测时，由于观测目的、手段及资金等方面的原 因，只能在路基的特殊部位如中心、路肩、坡角等部位设置仪器进行观测，因此 只能对个别点的沉降随时间的变化进行分析，但对地基沉降预测及施工速率控制 仍有一定的指导意义。 本文所要解决的地基沉降特征是指路堤全断面随时间变化的固结沉降特征， 即整个断面的固结沉降曲线的特点。实际观测一般不易实现，因此就有必要结合 实体工程，利用计算手段去解决。主要通过结合具体实体工程项目，利用比奥平 面固结有限元分析方法解决全断面地基固结沉降特征，为模型试验地基沉降模拟 系统的设计提供理论依据。 这方面的工作由土建方面的研究人员完成。 地基沉降曲线是构建模型试验平台系统的基本依据。试验台系统以点沉降的 形式来近似的拟合固结沉降曲线，曲线的最大沉降值与曲线斜率、角度的变化关 系是平台系统设计的主要依据点。 在设计原则上遵循规范规定“高速公路在设计使用年限内，一般路堤的工后 沉降量应不大于3 0 c m ，桥头路堤应不大于1 0 c m ”。 2 系统组成 本试验系统是由模拟地基表层的活动试验台面板系统、面板的支撑升降系 统、调控沉降量大小的控制系统及配套支持系统等4 个子系统组成的。各个子系 统相互关联，工作时需要协渊一致。 ( 1 ) 活动试验系统( 台) 面板系统 试验台活动面板系统的每块面板在沉降控制系统的控制下可以进行允许范 围内的平动和转动，进而使整个系统可以近似模拟实际路基下地基表面的沉降。 ( 2 ) 面板的支撑升降系统 升降装置是模拟地基沉降的关键装置，用来控制面板升降，承受包括试验面 板在内的一切负荷。由于在其上进行试验路基施工，载荷包括承受振动、冲击等， 所以要求性能可靠。 ( 3 ) 控制系统 试验台平面面积达3 0 0 m 2 ，要模拟各种可能的地基下沉的形式，这就要求在 长时间的试验过程中，一百多个测点始终协调工作。要实现这种协调工作，采用 机械的方法几乎不能实现，所以必须在控制系统中来完成这项工作。因而控制系 统除了编程方便稳定可靠，成本合理外，还应该保证一百多个测点协调工作。 控制系统采用一台工业尸c 机作为上位机，管理两台p l c ( 即下位机) 。这样 以来整个控制系统既有工业p c 的优点，又有p l c 的优点，其成本与单单采用 某一种计算机的d d c 控制系统差不多。配上不间断电源后，在系统故障时及时 将数据存盘，以保证系统恢复后继续进行试验。 ( 4 ) 配套支持系统 试验台的通风、照明、排水等设施。试验台的加载装置，即本论文主要讨论 的模拟汽车高速行驶通过路面时，对路面某一点所产生的脉冲冲击的加载装置。 二、试验台设计规模及填土情况 试验台以1 ：1 的比例尺模拟单车道路桥过渡段路基下地基的工作状态。在填 土高度不小于5 m 的情况下，系统平面规模为3 0 0 m 2 ( 1 5 m 2 0 m ) 左右。 三、试验台工作情况概述 试验台是模拟地基沉降过程，因此，它的工作过程是一个下降过程。地基在 沉降过程中各处沉降的距离是不同的。试验台根据路桥过渡段路基下地基下降的 特征，控制每个升降装置，以极低的速度，依照预先设定的相互关系，下降若干 毫米。升降装置最大下降距离为3 0 0 r a m 。 第三节加载装置的选择 在地基沉降模拟试验系统( 台) 上研究道路沉降过程机理及改善措施时，必 须考虑汽车在道路上运行过程中对道路形成的载荷。在实际道路上某一点的载荷 是通过汽车在道路上运行过程中车轮对地面产生的作用力形成的。此作用力的大 小与汽车的轴荷( 轴载质量) 有着密切的关系，而一辆汽车对道路某一点的作用 时间与汽车行驶的速度有着密切的关系。为了在地基沉降模拟试验系统( 台) 上 准确模拟实际道路在使用过程中的沉降情况，必须对试验台进行有效的加载。而 由于试验台结构和尺寸等条件的限制，不可能直接采用汽车在上面行驶的加载方 式，只能采用模拟加载的方式，即加载装置模拟汽车在道路上实际运行过程中车 轮对地面的作用力来实现对模拟试验装置实施加载过程。 模拟加载装置可能采用的方式有固定式和移动式两种【1 5 j 1 6 】【1 7 】。 1 固定式 固定式模拟加载装置由多个加载装置单元组成，布置在道路沉降系统模拟试 验台的模拟路面的整个长度上，需要加载时，各单元同时工作，对道路进行加载。 这种装置的特点是加载过程速度比较快，载荷比较稳定。但是存在一定的缺陷， 首先各加载单元需要模拟汽车行驶过程对道路的载荷作用，必须有足够的质量， 这样把加载单元在开始试验时移到试验台上和试验结束时把它移开的工作具有 一定的难度，这需要专门的起吊装置，成本也比较高。另外，车辆在道路上运行 时对道路的载荷作用是一点接一点的顺序加载过程，所以采用同时加载方式与实 际过程的差别较大。 2 移动式 移动式模拟加载装置考虑两个方案，一个方案是开发一个专用加载装置，并 在试验台上安装一个框架，限制加载装置的行程，采用自动控制的方式控制加载 装置在试验路面上自行来回行走，实现加载过程。另一个方案是在原压路机基础 上增加一套模拟加载装置，对试验道路进行模拟加载。第一个方案的特点是加载 过程不需要人工干预，所以可以不间断的进行，并且加载过程是顺序进行的，与 实际过程比较接近。不足之处在于加载装置的安装比较复杂，特别是限位的框架。 加载装置所有部分都需要进行设计和加工，工作量非常大，且开发周期比较长。 而第二个方案，是在压路机基础上增加一套模拟加载装置，加工工作量比较小， 开发周期短，并且加载过程是顺序进行的，与实际过程比较接近。并且在试验准 备阶段加载装置关闭模拟加载部分可以作为普通的压路机使用。不足之处在于加 载过程必须人工控制( 需要驾驶员驾驶压路机在试验台上来回行驶) 。考虑三种 方案的优缺点，在此选择第三个方案作为我们的模拟加载装置的设计方案。 研究表明，车辆在道路行驶时，所经过的路面每一点都承受脉冲负荷，宽度 约为o 1 5 ，幅值与车重有关。作为科学研究来说，试验路段不会太长，车辆无法 在其上高速行驶，也就不能用车辆直接加载。而且加速寿命试验，车辆无法大负 荷加载。单纯考虑对路面施加冲击力，需要修建很大的结构物来承受其反作用力。 而且施加如此大冲击力的装置也很少。利用普通振动压路机进行加载也是不合理 的，其原因有这几点： ( 1 ) 普通压路机振动正弦波宽度大，作用时间长，作用力不集中； ( 2 ) 普通压路机有冲击，振动轮会出现跳离地面的工况； ( 3 ) 普通压路机工作时除了产生上下振动以外，还有水平振动，而车辆在水平 路面上高速行使时，车轮对地面的水平作用力是相当小的。 本设计从车辆高速行驶通过路面某一点所产生的冲击压力脉冲波形的形状 入手，用激振器安装在压路机前车架上组成的加载装置来模拟汽车高速行驶通过 路面时，对路面某一点所产生的脉冲冲击。这种加载装置很好的模拟出脉冲冲击 波形，而且可以对一点连续、大载荷加载。加载不需要其它辅助设旌。但要考虑 到本设计是在原有压路机的綦础上改造的，其钢轮对路基的作用力和轮胎是有区 别的。所以要在路基铺筑时进行有效的设计，达到模拟效果。这方面的工作由土 建方面的研究人员完成。 本章小结 本章主要介绍了课题的背景困扰广大工程技术人员“桥头跳车”现象； 课题的早期研究地基沉降模拟试验系统( 台) 及本课题研究的方向。通过分 析现有加载装置的优缺点，结合课题实际情况，最终确定采用改装压路机组成加 载装置的地基沉降模拟试验系统( 台) 的加载方案。这种方案加工工作量比较小， 丌发周期短，与实际过程比较接近，加载过程中不需要其它辅助设施，可以实现 对一点连续、大载荷加载。 1 0 第二章车辆载荷作用性状的研究 由车辆通过路面时对路面一点所产生的冲击载荷的波形入手，通过在振动压 路机上安装我们所设计的激振器，使振动压路机产生出与车辆通过路面时对路面 一点所产生的冲击载荷的波形相类似的冲击载荷波形。用于加速寿命试验中，模 拟道路在车辆通过时的受力情况，为地基沉降试验系统( 台) 提供可靠有效的加 载装置。 一、研究目的 研究表明，车辆动态载荷对道路的损伤远远大于车辆通过载荷的静态重量之 影响，传统的半经验公式认为，道路结构的损坏大体与轮载的四次方成正比。因 此，除偶尔会出现灾难性的突然损坏外，大多数的公路损伤是一种渐进的过程( 疲 劳) 。路面和支撑底层的损坏是出于数百辆重型卡车驶过引起，而非同一时间内 数千辆轿车或轻型车经过而造成8 1 。 由此可以明显看出，造成路面损坏，甚或加剧“桥头跳车”的主要因素是： ( 1 ) 重型车辆； ( 2 ) 交通流量。 因此，在道路修筑技术研究中，要想正确地在实验台上模拟真实道路的受力 情况，必须对不同车辆，尤其是重型车辆，作用于路面的载荷进行准确的测量， 然后根据交通流量统计，合理编制载荷谱，再通过模拟加载装置，实现道路模拟 的真实再现。 长期以来，在路面材料，尤其是对材料的疲劳等特性的研究中，一般都是将 载荷信号以正弦波模拟。但实际上，车辆对路面的破坏足一连串的脉冲信号，也 即是一连串的瞬态冲击。尤其是当遇到路面突起如桥头沉降，这种瞬态冲击将 变得更大。因此，在模拟实验台上，不应以正弦波信号加以模拟，而应该准确得 到车辆对路面的冲击波形，并对车辆信号的出现周期进行较为准确地测量，从而 对加载装置提出合理、科学的指导。 二、道路载荷测量方法 任何道路载荷测量系统都是由传感器、数据采集与分析系统所构成。而传感 器是整个系统的核心，它决定了系统的使用寿命、测试精度和稳定性。w i m 觚e 协 i ni v l e k n ) 项目运行数年来，已发现并非所有商用w 1 m 系统的性能都令人满意，其 中的一些系统由于受原理制约，测量精度不理想。因此，动态道路载荷测量系统 的开发研制主要是对传感器的合理选择7 8 1 1 8 1 。目前，常用的道路载荷测量传感 器，主要有以下两种： 1 台式称重系统 轮胎底部支撑面全部作用到称重台上。使用应变计或其它静态敏感元件，可 以在车辆静止状态下称重。如果在高速下测量，车轮颠簸和悬挂系统振荡的动态 效应会影响精度。振荡的波长通常会超过称重台的宽度，通过多个系统求平均值 可以满足精度要求。但由于台式称重系统使用钢框架安装的高成本限制了它的应 用。 2 条状传感器w i m 系统 条状载荷传感器可安装到狭窄的路面凹槽中，因而非常经济。一般采用排列 多个传感器获得动态信号平均值。因为条状传感器的宽度比轮胎印迹窄，力信号 必须沿车轮接触长度积分。因此，条状传感器的性能主要取决于积分时段内信号 的质量和传感器与路面相互作用的长期稳定性。 三、石英式载荷传感器的特点 路桥过渡段路基修筑技术研究课题组通过分析目前道路载荷测量中常用的 传感器，最终确定采用石英式载荷传感器组成石英式动态载荷测量系统，其特点 如下： 1 敏感材料的稳定性 压电电缆为铜质外壳，内部充填钙钛矿类压电粉末的同轴电缆。众所周知， 压电陶瓷材料的灵敏度会退化且非线性、迟滞较大。对于动态高精度的力测量， 石英晶体传感器无疑具有明显的优势。2 3 p c n 的压电灵敏度是石英的材料常 数，因而绝对稳定。由于生产制造时压电极化公差，一个压电电缆灵敏度的绝对 数值随长度的变化范围一般为士7 。相比之下，石英晶体敏感元件的灵敏度随长 度的变化则可保持在士2 以内。 2 信号基线稳定性 对于信号的精确分析，特别是在三轴或系列轮载中确定单轴荷载，稳定的脉 冲形状非常重要。压电电缆固有的松弛现象和绝缘电阻较低，会导致信号过小。 图2 1 1 分别显示了压电电缆和石英w i m 艄蚓由虹如传感器的基线稳定性。由 于石英优异的绝缘电阻，还可进行准静态测量，因而能够测量极慢的交通载荷和 允许用静载标定石英w i m 传感器。 到2 1 1 压电电缆和右英w 1 m 传感器的基线对比曲线 3 温度稳定性 与压电电缆不同，石英晶体没有热电效应，因而，即使有温度瞬变也不会引 起信号漂移。石英还具有灵敏度温度系数小至可忽略的优点( 约0 0 2 。c ) ，因 而无需采用特殊手段补偿路面温度的影响。 4 机械稳定性 由于电容式条状传感器和压电电缆的灵敏度非定向，需将其嵌入塑性材料 中，以将轴载传递到电缆直径方向。而石英w i m 传感器只对竖向载荷敏感，而 且它的高刚度设计与路面刚度相匹配。 测试系统框图如图2 1 2 所示： 图2 1 2 道路载荷测量系统示意图 具体试验过程为：不同的车辆载荷，以不同的车速通过石英式称重传感器， 传感器将正比于车辆轴载的电荷量送入电荷放大器，电荷放大器将其转换为模拟 电压量送入数据采集系统，通过数据采集和分析软件，计算得出实际作用于路面 的载荷大小和不同车速下，轴载荷冲击作用的周期。据此，再根据交通流量统计， 就可以准确地编制出当量载荷谱，从而真实地模拟桥头沉降的规律。 四、车辆通过桥头时的信号特征 当运行车辆通过桥头时，其前、后轴将分别对路面产生一个冲击载荷，特别 是对重型车辆而言，还有可能造成多次脉冲，视车辆的轴数而定。图2 1 3 所示 为车辆某一车轮作用于路面的典型压力分布曲线。 图2 1 3 典型轮载曲线 对典型的双轴车辆而言，其信号特征如图2 1 4 所示 f 图2 1 4 车辆行驶过程中作用于路面载荷示意图 t 对信号进行分析时，由于受轮胎气压、车辆行驶速度、标定常数等因素的影 响，通过脉冲信号的幅值是不能准确表征载荷大小的，必须以两脉冲信号下的面 积代表前、后轴重。两脉冲时间的间隔结合车速可识别出车辆的轴距。当然，对 目前的试验任务，轴距是不重要的。另一方面，脉冲信号的宽度，也即作用于路 1 4 面特定点的作用时间又取决于车速，一般而言车速越快，脉冲宽度越窄。 车辆驶过传感器后产生一个脉冲信号，对该响应信号的正确处理，关系到动 态称重的准确度。经过大量的研究，独特的载荷计算公式如式( 2 1 1 ) 所示： 阡碍口eff d 口d 矿= ：一a c( 2 1 1 ) t ， k 式( 2 1 1 ) 中： 职一车轮载荷 卜车辆驶过传感器的速度 厶_ 1 专感器宽度 爿脉冲曲线面积 c l 一标定常数 五、载荷测量传感器的安装 选择一条试验路段，将传感器按要求埋入路面，以进行荷载测量。由于是进 行实验研究，故只需埋一个传感器。实验时，令试验车以恒定速度，保证车辆的 一侧驶过传感器即可。试验简图如图2 ，1 5 所示： 图2 1 5 试验简图 特别需要指出的是，传感 器的埋设，直接影响到波形和 载荷大小的测量，并会对下一 步的模拟产生影响。因此，为 保证测量信号的准确性，传感 器的安装是在供应厂商指派 的专家指导下完成的。该传感 器埋置于长安大学汽车试验 场内。图2 1 6 为传感器埋置 图2 1 6 称重传感器的安装 时的工作照片，图2 1 7 为试验车辆后轮通过称重传感器时的照片。 刿2 1 7 试验车辆后轮通过称重传感器 六、模拟载荷谱的构成 为了合理地模拟道路上的各种车辆载荷，拟根据常见车型进行道路载荷谱的 测量。同时，为研究不同车速下车辆载荷的冲击频率，每一辆车至少对路面造成 两次冲击，而两次冲击之问隔，取决于车速、轴距，( 同时，载荷的精确计算也 需要车速) ，还需进行不同车速下的实验研究。依前所述，每一车辆对路面的作 用都是一个含有两个以上脉冲的冲击信号，因此，模拟载荷的基本构成应该根据 轴数、车速和交通量来进行。例如，对中型车而言，模拟载荷应以两个不同幅值 的半正弦脉冲组成，两脉冲之间的时间间隔，取决于车速、轴距。假设根据交通 量统计，该型车的年通过量为1 0 0 0 辆，则模拟载荷周期为1 0 0 0 年，也即以上 述两脉冲信号为基信号，脉冲数为1 0 0 0 ，构造模拟加载信号。如图2 1 8 所示： 图2 1 8 七、轿车和载货车不同车速下动态载荷测量【1 6 】【1 7 】【1 8 】【1 9 l 1 6 为研究不同车速对车辆动念载荷的影响，并为载荷模拟提供试验依据，分别 对目前市场占有率极高的捷达轿车( 小型车代表车型) 和东风载货汽车( 重型车 的代表车型) 进行了不同车速下，车辆的动态载荷测量。图2 1 9 图2 1 1 3 为捷达轿车以1 0 5 0 k m h 行驶的载荷曲线。 图2 1 9 捷达轿车以1 0 k m h 行驶的载荷曲线 幽2 1 1 0 捷达轿车以2 0 k m l h 行驶的载荷曲线 图2 1 1 l 捷达轿车以3 0 k m h 行驶的载荷曲线 【到2 1 1 2 捷达轿车以4 0 1 0 n h 行驶的载荷曲线 211 3 止达轿车以5 0 k m l h 行驶的载荷曲线 表1 捷达车前后轴作用时间和车速 j 蕊鎏剃蘸霹臻帮；5 裁。虢彰 名义车述溻i 厉辅撑罔裁荷时简蓑j 实际印遵 试验孛耻 _ l 蓬善黎蕊醚蕊竣鬻薹羲i ；( k m h )i 弩囊 簿曼二j 掣 ? ( k m i h ) 2 j * 1 01 0 8 38 2 1 2 00d 9 51 79 7 。e t t ag l x3 00 3 2 22 75 4 4 0 0 2 5 b3 - 1 7 4 5 00 1 8 3d 86 1 表24 i 同1 j 述r 捷达下前后轮作川载荷 、“a “ ；+插粥2 ； 湔囊威嘶 9 霉惑l f w 善 ： i ：t t 一；萤。笋 ” 试验誊型 辫蕊糕。，t 前轮载衙 馐轮戳谶z f “鞠囊t 黎。 ” w 氆；” 辫黼爹 8 z l：3 5 3 8 9 7 6 2 2 4 46 9 ；2 奠；霪移o 17 9 73 1 3 54 1 22 1 3 3 4 6 j e l t a 瞰x2 7 5 43 4 0 0 62 3 9 4 0 4 2 3 4 7 43 7 1 8 5 1 22 5 4 5 8 4 4 1 | ；，臻j 曩t 4 8 6 l3 4 8 81 1 42 5 3 5 3 5 8 由图2 1 9 图2 1 1 3q j 曲线l u 以看出，对于双轴车辆，前后轴分别作用 测量点的时间差与车速有关，车速越快，时间差越短，但作用曲线的形状不变， 曲线下面积基本不变。表1 所示为时间差，表2 所示为不同车速下的载荷。由载 荷计算公式t u 知，车轮动态载荷与车速、传感器宽度和曲线面积密切拥笑，而车 速的精确获得是保证准确状得裁荷值的基础。由于试验车辆的轴距已知，因此叫 根据洲量曲线峰值之间的时| 1 白j 差计算得出准确的车速，见表l 。表2 所示为不同 车速下所测量得到的牟轮载荷。由方差分析结果可以看出，测量结果最人偏差 1 0 ，足以达到工程应用的精度。 图2 1 1 4 图2 1 i 8 所示为东风载货车以5 - 5 0 k m h 行驶的载荷曲线。 幽2 11 4 尔风货车以5k m h 行驶的载荷曲线 i 划211 5 尔风货车以1 2 k m h 行驶的载荷曲线 h211 6 东风货车以2 5 k m h 行驶的载荷曲线 2i1 7 尔风货t 1 - 以4 0 k m h 行驶的载荷曲线 2 0 幽2 i 1 8 尔风货车以5 0 l o n h 行驶的载荷曲线 表3 不同乍速下东风车前后轴作用时间 缸。 燃 爨黼! ；：，。糕。赢；名义誉速 - z u 一豫 斌骏辈型 ；麟芦 一i | | | 。+ 。囊篱j 52 1 0 7 6 4 1 “誓u + 1 21 0 6 31 27 0 东风 2 50 4 7 42 8 4 8 ；e q - 1 4 0 镳i 繁茂；“ 4 00 3 0 6 4 4 1 1 氍懋暌 5 002 9 6 4 5 6 1 表4 不同乍速下东风车前后轴作用载荷 毫j 。? g ? j “。荨；。盘w + 一：* + * + l “ ； o ；“ 试验霉速颟嚣后辅旗殚馥荷i 4 ( p i 。+ 试验牮型” 。2 淤； ：3 ；1 ”一“一一瓢；4 tr t ；1 鼍鎏溪曩 ；、1 嚣z 黼蘸襞黎i j 精l 瓣 黯。 1 1i 瓤。8 7 l ， ， 磷”，it 0 s 饕巍t 0 搿。_ ： 6 4 17 0 6 6 4 8 67 0 8 0 1 0 8 鬻 1 2 7 07 1 1 4 8 9 87 1 2 8 6 1 8 2 8 4 87 2 1 2 5 0 67 2 9 4 5 3 2 雾；l ；j 誊t 4 4 1 16 9 9 4 2 67 0 2 0 3 2 8 ；， 妖一“；一= 4 5 6 1 7 3 7 9 2 0 47 1 9 3 7 8 8 山表1 表4 和图2 1 9 图2 】18 可看出，模拟加载装置需要同时具备 2 l 调节频率和振幅的能力。实验结果表明，车辆对道路的载荷冲击，是一个持续但 不连续的脉冲链。脉冲数和作用间隔与车速、车型密切相关。此外，模拟脉冲载 荷的构造还和车辆的通过模式和交通流量有关。从车型来看，越是大型的车辆( 载 货车，大型车) 轴距越长，胁后轴作用载荷脉冲的时问川隔就越长，反映在模拟 加载装置的设计上，其载荷频率就越低。也就是说，车辆越小，模拟加载装置的 频率就越高。这也就意味着模拟加载装置的载荷作用频率最好应该能满足小型车 辆和大型车辆的加载频率要求。从车速看，车速越高，脉冲作用时间问隔越短， 也即载荷作用频率越高。 确切地说，例如对以3 0 k m h 行驶的捷达车进行模拟时，其第一个峰值到第 二个峰值的时f 日j 差为o 3 2 2 秒，而峰值需要从3 4 7 公斤调整到2 4 4 公斤。在极限 状态下，假设车辆一辆接一辆的通过，其安全距离为同一类型车辆的轴距，则模 拟脉冲载荷的作用频率是车速的函数，即在此车速下约为1 5 5 h z ，而在5 0 k m h 车速下为2 7 3 h z 。假设该种车型的车辆平均以5 0 k m h 通过桥头，而该车型的交 通流量为1 0 0 0 0 辆，则模拟载荷谱的时间长度应为2 0 0 0 0 x o 1 8 3 = 3 6 6 0 0 ) ，约为 一个小时。但是，对于相同车速和交通流量的载重车而言，模拟激励时问则为 2 0 0 0 0 x o 2 9 6 = 5 9 2 0 0 ) ，约为1 6 个小时。 对于模拟加载装置的振动幅值，由捷达车的测试结果可以看出，运动过程中 车辆的轮载与其额定载荷相差不大，因此，可以通过有代表性的运输车辆的技术 数据确定加载装置的振动幅值。 综上所述，模拟载荷谱山以下三个元素构成： 1 m 区鱼：取决于车型( 小型、大客、载重、超大型) ，选取代表性的车辆 测量得到； 2 塑地：三独蓝釜地丕回奎速王凶地越测量盟间差：选取代表性的车辆 测量得到； 3 交通流量：不同车型的统计，决定载荷谱的作用时间。 对于三轴车辆或多轴车辆而言，由于后轴到第三轴的距离很短，在较高车速 下作用于路面的脉冲间隔就很短，这对模拟加载装置提出了较高的要求，即在很 短的时间里，产生两个较高的脉冲。根据我们现在的技术水平，要想达到此要求， 还相当困难。因此，通过考虑载荷的实际作用形状和模拟加载装置的实现能力， 将第二、三轴的载荷加权叠加，以一个半正弦脉冲来表达，载荷幅值为两者之和， 作用时间为两者的算术平均。 而对于特大型载货列车，由于载荷大，车速慢，对桥头跳车不敏感，而且交 通流量小，所以，加载模拟中，可暂时不加考虑。 本设计的加载装置用于地基沉降实验台加速寿命试验，对其产生冲击波性的 要求就比实际的波形要特殊一些。假设有一系列同型号的双轴汽车排成一排，其 前后轴载荷相等。调整好车距使前一车后轮通过传感器后到后一车前轮通过的时 间间隔等于同一车前轮与后轮通过传感器的时间间隔。时间间隔为0 1 s ，相当于 轴距为5 m 的车以时速为1 8 0 k m 的速度通过传感器。 本章小结 论文核心部分是模拟车辆行驶过程中对路面施加的动态载荷。为了获得实际 载荷情况，课题组设计了实验来采集实际载荷数据。通过分析现有道路载荷测量 方法，结合课题实际条件确定了采用石英式载荷传感器作为本实验的核心部分， 取得了车辆对路面冲击载荷的第一手数据。为加载装置的设计提供了理论依据和 具体要求：模拟加载装置需要同时具备调节频率和振幅的能力。 第三章加载装置激振器的设计与分析 第一节加载装置激振器总体方案 一、模拟波形 用加载装置产生的冲击载荷波形对车辆通过路面一点所产生的冲击载荷波 形进行模拟，对该波形的要求如下【1 9 】【2 0 【2 l 】【2 2 】： 1 接近实例 在整个地基沉降实验台模拟道路地基沉降的实验过程中造成误差的因素非 常多。其中模拟车辆对路面所施加的动负荷与路面所受真实负荷的差别就是一个 非常主要的因素。在载荷的模拟过程中，模拟状态与实例越接近，则这个环节所 导致的系统误差越小，从而使整个实验系统误差减小，有利于实验产生更接近真 实情况的数据，更有效的支持实际工程施工工艺和施工机械的改进。 2 频率分量少 由于我们准备改装压路机，采用高速旋转的偏心块所产生的离心力来模拟车 辆通过时对路面的负荷，再加上这个负荷只能作用在垂直方向上，所以每个频率 分量就需要一对振动轴带动两个偏心块转动来产生。频率分量越少，则所需振动 轴就越少，激振器的体积就越小，重量也轻，对压路机整机性能改变的影响小， 压路机整机所需改动也少。 3 最高频率分量低 最高频分量低，由r o = 2 j t f 可得出产生这个频率分量的带动偏心块转动的振 动轴的最高转速就低，轴的转速越低，对制造的要求低，工艺简单，可以有效的 减少制造费用。而且振动轴的转速低，也降低了激振器齿轮传动设计中整体设计 参数要求，降低了成本。 4 低频分量的幅值小 频率分量的幅值的大小，在用振动轴带动偏心块转动来产生的正弦波中即是 其产生的最大激振力。出【2 3 1 p = - m e 2 式中： p - 激振力 m 偏心块质量 卜_ 祸心矩 a 卜_ 稍心块转动角速度 可知，在频率c o 减小的同时，激振力的幅值p 大幅度的减小。尽可能的使 高频分量有较大的幅值，在设计偏心块时就会很好的避免用质量和体积过大的偏 心块来产生同样的甚至小的激振力。这样也有利于激振器结构的合理布置。 以下是用几个常见的简单的波形来模拟车辆通过路面一点对其产生的冲击 载荷波形，通过傅立叶级数展开后分析其谐波分量来讨论哪一个比较接近我们所 要求的波形模拟要求。 根据我们在现场测试的结果，同一车辆以不同的速度经过路面上的某一点 时，其对路面作用力( 实际上是一个脉冲) 的幅值大小不同。速度高时，脉冲的 幅值大，但作用的时间短；速度低时，脉冲幅值小，但作用的时间较长。在整个 过程中，脉冲的面积是基本不变的。所以，以下几个波形的面积都是一样的。在 建立坐标系时，为了简化数据分析，消除初相位的影响，我们适当选择坐标系位 置使周期性信号波形关于纵坐标对称。这样其函数为偶函数，也使傅立叶级数为 单一的余弦级数。以下是我们考虑过的三种波形： ( 1 ) 方波如图3 1 1 所示 l 图3 1 1 方波 对其进行傅立叶级数展开有 工o ) = 嘞+ k 。c o s o r ) + 6 。s i n 0 f ) 】 ( 3 1 1 ) h ；l 式( 3 1 1 ) 中： c o o _ 基波频率，o = 2 ；i t 其中 卜信号周期 正整数 代a ( 3 1 2 ) 式得 代入( 3 1 1 ) 式得 旷亭印 铲歹2 掣3 - ) c o s b r 驴；印s i n 功 铲；f ：炒= z k h 铲詈f ：，n c o s 降r ) d t = 嚣咖纠 b = 0 偶函数 ( 3 1 2 ) 相一十荤哳) c o s 降f ) ， 根据我们对香种情况迸仃轹首分析，认为k = o 2 ，h = o 5 足比牧甘埋删，魃h 日 前四项为 x ( f ) - o z + 扣( o 帅。s 睁) + 去s i n ( 0 8 小。等， + 磊1s i n 0 加) c 。s ( 等刁 c 。 a ， - o - ：+ o ，眦。s 降 + 0 0 9 4 e o s ( - 等，) - 0 0 9 4 c o s ( 等- r ) 己h 代a ( 3 1 2 ) 式得 图3 1 2 三角波 a 。= ；。 詈，+ z 一弘+ ；r 一言r 十z n 弘= ：砌 吒= 号，( 罟，+ z 一) 。s ( 半t 卜+ f ( 一卺r + z ) ：。s 降t 础 = 志s i n 2 乩= 0 偶函数 代入( 3 1 1 ) 式得 m ) - 2 胁+ 4 hs i n 2b 吣。s ( 孚r ) ( 3 ”) 在k = - o 2 ，h = o 5 时，前四项为 加“争2 c o s ( 等，) + 嘉s i n2 c o s ( 制带咖2 c o s ( 等r ) ， 一o z + o ，s o c o s ( 引+ 0 2 2 9 e o s ( - 等，) + 0 1 0 2 c o s ( - 孚r ) ( 3 ) 梯形波如图3 1 1 3 所示 代入( 3 1 2 ) 式得 f 兰 图3 1 , 3 梯形波 a 。= ；正( 墨r + ；一弘+ ；虐詈黼+ ；( 一面8 h ，+ ；一弘= z 地 铲2 彦t i t k3 k “g 俘t 出+ 詈虐詈胁。俘t ) 出 + 号垂( 一面8 hr 峙m 孚t ) 出 = 菇8 h 忑【c 。s 胁) 一s ( 2 ”舫) 吮= 0 偶函数 代入( 3 1 1 ) 式得 加) = z 胁+ 荤j i 鞔b s 。七石) 一c 。s ( 2 n 肋) 】c 。s ( 芋f ( 。 ，) 川) i o “券脚计c o s ( o 嘶。s 降 ：蒙= 0 型鹬 邶，