（道路与铁道工程专业论文）温度与荷载作用下沥青路面受力特性研究.pdf

b y l i uy i f a n b e h u n a nu n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y 2 0 0 7 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g d i s c i p l i n eo f v e h i c l eo p e r a t i o ne n g i n e e r i n g c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rz h u m e n g l i a n g a s s o c i a t ep r o f e s s o rw e ij i a n g u o a p r i l 2 0 11 独立进行研究所取 本论文不包含任何 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 本人完全意识到本声明的法 律后果由本人承担 作者签名 勿l 九 日勃 力 年莎月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被 查阅和借阅 本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和 汇编本学位论文 本学位论文属于 1 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密凹 请在以上相应方框内打 作者签名 剀一亿 导师签名 辛孩 日期 劢厂年莎月7 e t 日期 驯年莎月7 日 q 以侈 摘要 沥青混凝土路面因其固有的优越性而在世界各地被广泛应用 沥青混凝土材 料性能比较复杂 其力学性能指标具有温度和加载时间的依赖性 但由于国内现 行沥青混合料和路面结构设计规范中虽对上述因素有所涉并以抗车辙能力及轴载 换算作为设计重要因素之一 但以上方法多属固定条件下的经验法且无法对荷载 温度下混合料粘弹特性 车辙形成规律以及环境影响因素作出解释 故本文从温 度和荷载的理论研究入手 在国内外现有研究成果基础上 采用数值模拟分析方 法对沥青路面温度场及荷载进行了广泛研究 本文首先从理论研究方面对沥青路面温度场的产生及方式进行了回顾 并对 现有研究应用现状进行了分析 其次 本文根据实地调查数据 明确了温度的主 要影响因素为太阳辐射与气温 而路面荷载则受交通量的影响较大 而后 从沥青路面温度场的两种通常方式导热与对流入手 简要介绍了各自 边界条件 并为之后的软件模拟奠定基础 在0 2 m p a o 7 m p a 1 2 m p a 1 7 m p a 的荷载条件及 1 5 1 5 c 的变温条件下 通过有限元软件a b a q u s 和路面分析软 件b i s a r 分别进行动 静载力学分析后 并基于基于粘弹性力学理论和d p 模型 分别对不同温度荷载组合下的路面应力应变进行了分析 认为在瞬时荷载及变温 条件下路面应力应变主要表现为线性变形且软件分析结果与实测结果据表明温度 在沥青层间具有明显滞后性影响 关键词 沥青混凝土路面 温度 荷载 实测 应力应变 a b s t r c t w i t ha s p h a l tc o n c r e t ep a v e m e n ti n h e r e n ta d v a n t a g e s i sw i d e l yu s e d i nt h ew o r l d o t h e 刑i s e t h ep r o p e r t i e so fa s p h a l tc o n c r e t ei sd e p e n d e db yt h em e c h a n i c a lo ft h e t e m p e r a t u r ea n dl o a dw h i c ha l e n o tt a k e ns e r i o u s l yi nc h i n aa s p h a l tp a v e m e n t m a t e r i a l s t r u c t u r a ld e s i g nb u to nt h em e t h o do f t h ea n t i r u t t i n ga n dl o a dc o n v e r s i o n t h ec o n d i t i o n so ft h ea b o v ea sas t y l i n gf i x e df a c t o ri np r o je c t t h e o r yd e s i g nc a l ln o t e x p l a i nt h ev i s c o e l a s t i cp r o p e r t i e so fm i x t u r eu n d e rt h et h u m b o fl o a d t e m p e r a t u r e r u t t i n ga n de n v i r o n m e n t a lf a c t o r s t h e r e f o r e i t i sb a s e do nt h ee x i s t i n gh o m ea n d a b r o a dr e s e a r e hr e s u l t st h a ti sf o c u so nt h er e s e a r c ho ft e m p e r a t u r ea n dl o a db a s e d o nm e c h a n i c so fa s p h a l tp a v e m e n t t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ef i e l do fa s p h a l tp a v e m e n t a n dt h el o a d sh a v eb e e ne x t e n s i v e l ys t u d i e d f i r s t l y f r o mt h et h e o r e t i c a l r e s e a r c ho nt h ep r o d u c t i o no fa s p h a l tp a v e m e n ta n d m e t h o do ft e m p e r a t u r ef i e l dw e r er e v i e w e d a n dt h ea p p l i c a t i o no fe x i s t i n gr e s e a r c h a n a l v z e st h ec u r r e n ts i t u a t i o n s e c o n d l y b a s e do nf i e l ds u r v e yd a t a d e f i n e dt h em a i n f a c t o r sa f f e c t i n gt h et e m p e r a t u r eo ft h es o l a rr a d i a t i o na n da i rt e m p e r a t u r e a n dt h e r o a dl o a di si n f l u e n c e db yt h et r a f f i c t h e n f r o mt h ea s p h a l tp a v e m e n tt e m p e r a t u r ef i e l d a n dc o n v e c t i o nt h e r m a l c o n d u c t i v i t yo ft w ow a y st o s t a r ti su s u a l l yab r i e fi n t r o d u c t i o nt o t h e i rb o u n d a r y c o n d i t i o n s a n dt ol a yt h ef o u n d a t i o nf o rs u b s e q u e n ts o f t w a r e s i m u l a t i o n i n0 2 m p a 0 7 m p a 1 2 m p a 1 7 m p al o a dc o n d i t i o n sa n d 1 5 1 5 o co f t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s t h ef i n i t e e l e m e n ts o f t w a r ea b a q u sa n dp a v e m e n ta n a l y s i s s o f t w a r eb i s a rr e s p e c t i v e l yd y n a m i c s t o i cm e c h a n i c a la n a l y s i s a n db a s e d o n v i s c o e l a s t i c i t yt h e o r ya n dt h ed pm o d e l r e s p e c t i v e l y u n d e rd i f f e r e n tr o a ds u r f a c e t e m p e r a t u r el o a dc o m b i n a t i o no f s t r e s sa n ds t r a i na r ea n a l y z e d t h a tt h ei n s t a n t a n e o u s l o a d 锄dt e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s m a i n l yt h er o a dl i n e a rs t r e s s s t r a i nd e f o r m a t i o na n d t h es o f t w a r ea n a l y s i sr e s u l t sw i t he x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a tt h et e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt ot h ea s p h a l tl a y e rh a sa s ig n i f i c a n tl a ge f f e c t k e y w o r d s a s p h a l tp a v e m e n t t e m p e r a t u r e t r a f f i c l o a d p r o j e c tm e a s u r e d l o a d s t r a i n 目录 摘要 至 a b s t r c t i i 第一章绪论 1 1问题提出及研究意义 1 1 2 国内外研究概况 2 1 2 1路面温度场研究现状 2 1 2 2 路面荷载研究现状 4 1 3 主要研究内容及技术路线 6 1 3 1 主要研究内容 6 1 3 2 技术路线 6 第二章安新高速交通量实测与交通参数分析 2 1 区域道路网分析 8 2 2 区域交通流现状分析 9 2 2 1安新高速交通现状分析 9 2 2 21 0 7 国道交通现状分析 1 2 2 3 交通需求预测 1 3 2 3 1交通小区划分 1 3 2 3 2基年0 d 估计 1 3 2 3 3 交通量预测 1 4 2 4 交通参数分析 2 3 2 5 本章小结 2 6 第三章安新高速温度场实测及影晌因素分析 3 1 温度场实测目的 2 7 3 2 温度场实测方案 2 7 3 2 1观测内容 2 7 3 2 2 观测频率 2 7 3 3 温度场实测结果及分析 2 8 3 3 1环境因素 2 8 3 3 2道路结构温度 2 9 3 4国内路面温度场实测结果分析 3 2 3 4 1昼夜温度变化规律 3 2 3 4 2 气温与路面温度的关系 3 2 3 4 3不同深度处温度与气温的相关关系 3 3 3 5 第四章 4 1 4 2 4 3 本章小结 3 4 温度和荷载作用下路面受力特性分析 路面力学计算方法 3 5 动载作用下的路面受力特性分析 3 8 4 2 1 参数及模型选择 3 8 4 2 2 荷载作用下路面应力响应 3 9 4 2 3 动荷载下路表最大剪应力分析 4 0 温度条件下的路面受力特性分析 4 3 4 3 1 层状体系模型假设 4 6 4 3 2 路面结构参数的选择 4 7 4 3 3 温度对路面力学特性的影响 4 8 4 3 4 荷载对路面力学特性的影响 5 1 4 4 温度与荷载条件下的路面受力分析 5 3 4 5 本章小结 5 6 第五章主要结论与建议 5 1主要结论 5 7 5 2 研究建议 5 7 参考文献 j 5 9 致谤 6 2 附录攻读硕士学位期间发表论文及参加的科研项目 6 3 第一章绪论 1 1问题提出及研究意义 沥青路面自8 0 年代在我国广泛研究和使用后 因具有无接缝 平整度好 噪音低 工期短 养护易回收等特点 至2 0 1 0 年底沥青路面在我国高等级道路 中的占有比例已达到9 5 以上 然而 随着我国汽车制造业 交通运输业及全球 温度的不断变化 国内路用环境正逐渐表现出大吨位 高轴载 重轮压 交通 渠化严重及路表气温升高等特点 据资料表明 l 现有车辆额定轴载多超过现 有标准轴载1 0 0 k n 胎压也随之超过o 7 m p a 而各省干线公路超限超载也均达 6 0 以上 我国虽然大部分地区太阳直接辐射量呈下降趋势 但路表气温却呈 相反趋势 高等级公路路面设计使用年限较长 其中沥青混凝土路面设计年限一般为 1 2 年到15 年 在设计使用年限内沥青路面应具有良好的稳定性 耐久性及良好 的服务水平 然而今年来我国已建成的多条高速公路均在运营较短时间内便出 现较为严重的早期破坏 这对道路服务水平造成了影响 同时也造成交通运输 综合效益的下降 针对此现象 对沥青路面设计 施工及养护阶段对沥青路面 长期性能进行综合考虑已引起业内人士关注 沥青路面作为环境中的结构物 主要受温度和荷载影响 尽管国内现行沥 青混合料和路面结构设计规范中虽对上述因素有所涉并以抗车辙能力及轴载换 算作为设计重要因素之一 可以上方法多属固定条件下的经验法且无法对荷载 温度下混合料粘弹特性 车辙形成规律以及环境影响因素作出解释 仅以规范 中推荐的轮辙试验为例 车辙板试验虽考虑了变时异荷均载下温度对沥青混合 料的影响 但此结果只适于短时 恒温 匀速下的单层薄板情况并无法建立起 长时 变温 非匀速下路面应力和应变建立起联系 而大型直道试验结果也存 在适用度低的缺陷 那么如何对温度和荷载作用下路面的受力特性进行分析呢 在考虑到现有温 度场分析方法的不足后 本文对路面温度场采用实测与理论结合的方式进行分 析 并使用有限元软件和路面分析软件以达到温度与荷载作用下路面应力应变 分析 1 2国内外研究概况 1 2 1路面温度场研究现状 路面温度场研究是为了保证路面结构设计在不利温度条件下具有足够的稳 定性而不使路面产生突然破坏 由于其相应研究多建立在传热学 1 1 和气象学基 础上 故现有的测定路面温度场方法主要可分为理论法及统计法 理论法是根据传热假设在实测数据基础上 代入到微积方程进行数值预估 的一种方式 但多数实际问题由于边界 几何和物理等条件过于复杂且需要大 量实测数据对热物性参数进行耦合 故使用此法可能得不到所求问题的解析解 进而无法直接应用于工程 但其不存在统计法地区适用性差的缺点 统计法则是通过大量实测数据统计结果分析而得来的一种方法 但由于存 在测试方式以及所选地区的差异 故造成所得结果建立的预估模型存在适用精 度问题 因此 早在1 9 2 5 年 美m a r l i n g t o n 地区就对自然条件下沥青路面的温度状况 进行了实测工作 随后 各国研究者针对沥青路面温度场作了大量的调查观测 和分析研究工作 19 5 7 年 b a r b e r t 2 0 首先结合气象数据得到了非稳态场下气温 辐射及路表温 度的关系 如式1 1 t a x l b x 0 5 瓦 3 x a x 1 1 式中 于一路表平均气温 由于b a r b e r 在是按平均气温和日变化太阳辐射作为热力学的参数取值 而未 考虑到小时辐射量和最高气温的影响 故其计算结果与实测路表结果的误差一 般为o 一3 0 c 且不适于低温环境 1 9 6 8 年 s t r a u b t l 等人在b a r b e r 基础上引入了面层厚度的影响并使用埋设热 电偶方式对纽约北部沥青路面温度场进行连续2 4 小时进行测量 认为路表温度 的主要影响源是太阳辐射 而在使用数学模型进行实际温度模拟时 模型初始 温度的选取对拟合精度影响较大 此后 s o u t h g a t e 等人利用气温实测数据对路 面温度进行拟合 其结果却与s t r a u b 结果相异 他认为路面温度在一定深度范围 内和前五天平均气温间存在较好的线性关系 同年 h i l l s 和b r i e n 对一维粘弹性 层状体的沥青层温度应力进行理论预估 此后 h a a s 和t o p p e r j u 把此结果推向路 面整体结构 并指出理论解中引用板状结构的精度要优于杆件结构 1 9 7 0 年 d e m p s e y 和t h o m p s o n t m 以正弦曲线假设拟合了各时刻下的最不利温 度 对冻融条件下层状体系的温度场变化进行了探讨 次年 c h r i s t i s o n 和 a n d e r s o n 通过一维非稳态场的隐式形式导出了低温环境下沥青路面的热传导方 程 同年 w i l l i a m s o n 对s c h e n k 开发的f o r t r a ni v 程序进行了改进并用于温度 2 场预测 1 9 7 3 年 n o s s l m 以气象学中的霜冻灾害作为目标在引入温度影响后 解释了 霜冻对路床的渗透行为 1 9 7 4 年 b e r g l 2 运用表面能量平衡方法建立了水泥路 面结构温度场微观与宏观间的关系 并由黎巴嫩机场的实测数据得到了良好的 验证 1 9 7 6 年 w i l s o n 在不考虑云量对太阳辐射的影响后对英国4 条道路温度场 的实测数据 并把e m e r s o n 的桥梁温度热流运动方程经改进后引入沥青路面的温 度梯度 1 9 8 8 年和1 9 9 3 年s o l a m a n a n 和k e n n e d y t 3 j 据能量平衡原理对b a r b e r 模型的不 足作出了补充 北美s h r p 计划在吸收以上结果的同时根据实测数据规定路表深 度2 0 r a m 为路表温度并得到了路表温度l 与乙间的关系 如式1 2 棚 t 0 0 0 6 1 8 l a t 2 o 2 2 8 9 l a t 4 2 2 x o 9 5 4 5 1 7 7 8 1 2 1 9 9 8 年 l u k a n e n o 等人以l t p p s m p 实测的路面温度状况为基础 采用统 计方法分析了路面温度分布状况 极端空气温度以及纬度之间的相关关系 并 根据分析结果建立了沥青路面温度场预估模型 2 0 0 0 年 h e r m a n s s o n 2 2 1 1 9 在一维热传导方程中引入差分法后提出了预估沥 青路面在夏季高温下路面的温度场模型 一年后 h e r m a n s s o n 建立新的计算模 型来考虑风引起的热损失 之后又基于一维传热方程建立了预估高温下沥青路 面温度场的仿真模型 模型参数主要为小时太阳辐射量 气温和风速 而太阳 辐射中的长 短波段则分别由气温 路表温度及路表反射率计算确定 热对流 带来的温度损失则主要通过风速确定 2 0 0 1 年 p a r k t j 等人提出了用于修正f w d 弯沉和反算模量的路面温度预估模 型 该模型不需要b e l l s 和b e l l s 2 模型所要求的前5 天或者前l 天的气温数据 p a r k 等人利用实测数据对模型进行了验证 结果表明该模型具有较高的精度 而 且适用于不同气候和地理条件的地区 2 0 0 5 年 m i n h o t o 及m a n u e l 等人采用三维 有限元方法来预估沥青路面不同深度的温度状况 国内温度场研究最早始于1 9 8 4 年 吴赣昌 s 以热弹性力学理论为基础 采用 偏微分方程组的边值理论和二维奇异积分方程理论 对半刚性路面中基层己产 生贯穿厚度的裂缝时的温度应力场进行了研究 分析了温度场对路面体的影响 他认为 1 路面结构温度场完全由路面材料特性和环境气候条件决定 其中部 分参数 如路表热交换系数等与待求的路面温度场有密切的非线性关系 2 高 等级路面结构通常由面层 基层和土基组成 是一种多层结构 应以多层体系 为基础对沥青路面温度状况进行研究 3 路面结构温度场应视为二维 沥青路 面的温度场不仅沿深度变化 并且沿水平方向变化 路中和路边温度有明显的 不同 4 在大幅度降温的过程和冬季低温时期 沥青路面的温度场通常不处于 3 拟稳定状态 因而不能完全按照周期性温度场理论来研究 严作人t 3 0 在层状体系假设的基础上 从传热学和气候学的基本理论着手 用 解析法对水泥路面一维温度场作了较深入的分析 并从理论上分析了不同基层 对路面温度场的影响 其结果可用于计算路面结构内的最高和最低温度 以及 水泥路面的最大温度梯度等 张肖宁等 在一维纵向路面结构简化条件下采用无内热源瞬态热导微分方 程及其边界条件建立了低温情况的沥青面层应力松弛过程中温度应力场瞬态数 值计算模型 太阳辐射是路面温度场的主要影响源 但国内路面有效辐射的实测方法比较 困难 吴赣昌 1 5 1 等在b a r b e r 和严作人有效辐射的近似计算方法基础上 引入大气 逆辐射与地表环境辐射后建立了路表有效辐射的日变化过程曲线的计算方法 并使用长春地区的气候条件为例 进行了温度场计算 黄晓明 秦健 l s 对路面温度场路用环境及分布规律进行分析后 认为气 温和太阳辐射强度为主要影响源 通过对我国上海 乌鲁木齐 唐山地区路面 温度实测和气象资料中气温和太阳辐射强度收集后以此作为主要输入参数进行 了多项式回归分析并建立了沥青路面温度场预估模型 之后又考虑到预估模型 在不同地区的适用性并加入地区历年月平均气温对此模型进行修正 1 2 2 路面荷载研究现状 交通重载问题一直是国内外道路研究的热点之一 各个国家 地区以及多家 科研机构均对该方面进行了全面深入的研究 而随着该项研究工作的发展 该 方面的设计理论方法及结构优化组合模式已日趋完善 在道路结构设计要评价的最重要因素是车辆类型和车辆运行方式的作用 现 有国内外轴载换算多源于美国的e s w l 换算方法 当量圆单轮荷栽 e s w l 的 定义是 在一定路面体系的指定位置上 单轮荷裁产生预选参数的且 应力 应 变 弯沉或损坏 与多轮荷裁在路面结构之内同样位移之内产生的量相等 最早的e s w l 方法之一是美国工程师兵团提出的 采用的是路基垂直应力 相等概念 以后修订此法的e s w l 是采用b o u s s i n e p 单层板理论和泊桑比0 5 在已知深度按最大垂直弯沉确定的 在此法中 e s w l 的接触面积假定等于多 轮体系酌一个轮胎 h u a n g j 研究了用双层理论对e s w l 的作用 他考虑了界面 等弯沉条件 等接触面 之后又考虑表面等弯沉 界面弯沉和界面的垂直应力 接触压力相等 但由于道路上行驶车辆的轴载相异而造成路面结构的损伤程度是不同的 利用单一施荷的疲劳方程 处理路面上复杂多变荷载的方法通常可分为等效换 算法和基于m i n e r 定律的疲劳迭加法 等效换算法是指以一种固定车型为依据 4 进行不同轴载间的换算 而m i n e r 定律则是在分别计算各级轴载的疲劳损耗后 按线性迭加原理确定总的疲劳消耗 c j d o d d s t 3 j 等人对道路平整度方面进行了大量实地调查 而对比其试验 数据发现路面平整性可采用自功率谱密度进行描述 d u n c a n s m i t h 和w i l s o n 等人设计中充分对路基材料物理性质的不均匀性 通过矩形单元对圆形均布荷 载作用下沥青路面结构的应力及位移进行了全面分析 结果证明蜕化结果与弹 性层状体系进行解析所得结果之间误差相差不大 g e r r a r d t 和h a r l s i o n 进行了 各种路面对当量单轮荷载的作用 和轮胎装置作用的综合性理论研究 这项研 究考虑了标准的型式 路面厚度 模量比 泊松比等作用的影响 上世纪八十年代 加拿大对其境内安大略省内车辆尺寸及荷载实际状况进 行了详细调查 调查结果显示 当出现一定程度超载现象时公路车辆荷载分布 明显加重 而数据分析则解释了特定车型总重与不同轴载分布的关系 对于超 限部分的轴荷载 采用力学分析方法研究路面在重载作用下的力学反应变化 并以此作为衡量路面损坏的标准 建立了力学模型以计算不同级别荷载产生的 力学损耗 国内早在上世纪6 0 年代到7 0 年代便开始对路面荷载进行研究 山西交通 科学研究所的黄勇 虞文景1 1 1 等人针对重载道路的特点 根据疲劳等效原则 得出了以基层底面拉应力为指标的车辆轴载换算公式和相应的设计方法 为了建立轴载等效换算公式 6 0 年代后期至7 0 年代初 根据不同轴载车 辆在国内各省进行了大量轻 重轴载的弯沉值的大量对比试验 提出了弯沉与 轴载之间的换算关系 交通部 东南大学 长沙理工大学和北京市公路局联合进行了沥青路面轴载 换算标准的研究 对现有规范中不能对重载车辆进行换算等问题进行了探讨 胡小弟 孙立军1 3 1 等人采用三维有限元分析工具 分析了不同的沥青路面结构在 不同车型及其不同荷载量 不同作用力分布形式下的力学响应分析后 认为轮 胎接地形状接近于矩形且作用力非均布 孙璐 等人在基于随机理论的基础下对路面与简化车辆模型之间作用力进 行了研究 分析了行车速度 荷载轴重等因素对动荷载的影响 金睿臣 宋健 等人利用a d a m s 软件对针对1 1 自由度汽车建立了非线性振动模型 并采用伪白噪 声法模拟实际路面的不平整性 研究中将路面与车辆荷载分隔 开创了车辆一 路面结构动力学新体系 陶向华 黄晓明等人建立了四分之一车辆模型 基于 模型对汽车各项动载特性进行了研究分析 并得出了车速以及路面平整性对车 辆动载变化造成的影响 葛剑敏 o l 通过研究柔性路面上车辆各向振动 对各项因素进行单因素分析后 发现了对车辆振动产生影响的主要因素及其相互之间的规律 蒯行成 李永红 1 7 1 等以装有平衡悬架系统和全悬浮驾驶室的三轴汽车为研究对象 建立了车辆多 自由度振动系统模型 为了便于采用实模态叠加法进行随机振动分析及优化设 计 提出了一种阻尼矩阵的等效方法 采用模态阻尼比将系统的实际阻尼矩阵 转化为对角阵 在此基础上导出了系统的响应功率谱密度矩阵 并用路面不平 度功率谱函数构造车轮处输入功率谱密度矩阵 对车辆的随机振动进行了分析 在上述研究中 一些学者在建立车辆振动模型时忽视了轮胎阻尼的影响 这实 际上考虑的是火车车轮的作用 与汽车轮载有较大差距 1 3主要研究内容及技术路线 1 3 1主要研究内容 本文在国内外现有温度场研究的基础上 借鉴最新的研究方法对不同温度 和荷载下路面结构进行等效研究 具体内容如下 1 对安新高速沥青路面环境影响因素一交通量 轴载 路表温度 气温及太 阳辐射等进行实地检测 并对检查结果进行分析 2 根据安新高速荷载场实测结果进行轮胎接触面积及作用时间简化 指出不 同荷载下轮压面积造成的影响 3 从传热学角度对沥青路面温度场的热物性进行描述 并通过有限差分法中 的向前差分法对主要参数进行反算 4 根据以上分析结果 代入到有限元软件a b a q u s 和壳牌b i s a r 程序进行温 度荷载条件下的路面应力应变计算 1 3 2 技术路线 本文采用现场实测与理论分析相结合的方法 制定如下的技术路线图 6 图1 1 本文的技术路线图 7 第二章安新高速交通量实测与交通参数分析 车辆在行驶过程中 通过轮胎胎面将荷载传递到路面 路面的不平整会激 发车辆的振动 产生作用于路面的动态荷载 进而引起路面响应 车辆动荷载 的存在 会缩短车辆的行驶寿命 并加剧路面的破坏 目前 我国路面结构设 计方法是以车辆的静荷载作为结构的外力荷载 这在荷载不太大 运行速度较 低的情况下 基本上是合理的 然而 随着车速的提高 交通量的增加 静力 荷载与车辆行驶过程中路面受到的实际作用力之间的差异越来越大 因此 通 过交通实测分析车辆实际作用于路面的动荷载对路面结构的影响是十分必要 的 2 1区域道路网分析 安新高速公路沿线区域主要包括安新高速公路 国道g 1 0 7 国道g 1 0 6 省道s 3 0 l 2 1 9 s 3 0 2 s 3 0 3 s 3 0 4 s 3 0 5 s 2 2 2 s 1 0 l 等道路 安新高速 公路路线全长1 1 3 1 7 3 k i n 其中安阳市境4 7 2 5 k m 鹤壁市境3 6 2 k m 新乡市 境2 9 1 k m 为双向4 车道 国道g 1 0 7 为二级公路 路面宽1 5 1 8 米 路况基 本良好 国道g 1 0 6 省道s 2 1 9 均为二级公路 路面宽1 2 1 5 米 路况基本 良好 省道 3 0 1 位于安阳市北部 向西可由安阳市市区道路连接到国道g 1 0 7 向东可连国道g 1 0 6 2 0 0 7 年s 3 0 1 林州至内黄段将建成高速公路 省道s 3 0 3 位于安阳市南部 向西可由安阳市市区道路连接到国道g 1 0 7 向东可连国道 g 1 0 6 目前道路状况较好 省道 3 0 4 鹤壁至濮阳段为高速公路 向西可连国道g l0 7 向东可连国道 g 1 0 6 省道 3 0 5 浚县至大贲店段为二级公路 向西与国道g 1 0 7 相连 省道 2 2 2 为二级公路 与国道g 1 0 7 相交于安新高速公路西侧 省道s 1 0 1 为二级 公路 连接新乡和濮阳两地级城市 与国道g 10 7 相交于新乡市东侧 区域道 路网如图2 1 所示 8 图2 1区域道路网图 2 2区域交通流现状分析 2 2 1安新高速交通现状分析 安新高速公路历年年平均日交通量见表2 1 表2 1安阳至新乡高速公路年平均日交通量 辆 日 小客车当量交通量 p c u h 年份小货车中货车大货车 小客车大客车 客车货车 合计 2 0 0 55 1 91 4 7 33 5 9 42 5 9 l3 9 23 1 7 91 1 8 8 81 5 0 6 7 2 0 0 65 6 4 1 4 1 74 2 9 32 7 6 23 8 53 3 4 01 4 5 3 71 7 8 7 6 2 0 0 7 5 8 8l 1 0 0 3 8 3 5 2 7 9 04 4 3 3 4 5 5 1 3 0 8 51 6 5 4 0 2 0 0 87 7 61 2 6 13 9 9 93 6 0 l5 4 94 4 2 51 5 0 2 51 9 4 4 9 2 0 0 98 7 01 0 5 23 6 6 43 8 9 65 0 84 6 5 81 4 3 4 21 9 0 0 0 2 0 1 09 3 8 9 6 l 3 8 3 l 4 1 6 35 7 4 5 0 2 41 5 3 9 4 2 0 4 1 9 年增 1 2 6 8 1 9 1 2 9 9 9 5 7 9 3 9 5 9 5 3 0 6 2 7 长率 由表2 1 可知 安新高速公路年平均日交通量呈上升趋势 年平均增长率 为6 2 7 根据交通发展规律 随着国民经济的快速发展 交通需求将快速增 长 道路流量将持续上升 9 2 0 1 0 年8 月2 日 8 月9 日由安新高速改扩建工程项目部 长沙理工大学 组织人员进行了安新高速公路路段交通量调查 对调查资料进行统计分析 计 算出安新高速公路各路段车型比重如表2 2 所示 表2 2 安新高速公路各路段车型比重 路段名称 一型车二型车三型车四型车五型车 省界至安阳 2 1 8 3 4 8 7 1 0 1 6 2 6 7 9 3 6 3 4 安阳至安阳南 2 3 7 3 6 8 3 1 1 1 l 2 3 4 1 3 4 9 2 安阳南至汤阴 2 3 5 l 6 4 0 1 0 0 4 2 4 6 4 3 5 4 l 汤阴至鹤壁 2 7 9 1 4 7 2 1 1 7 7 2 4 1 0 3 1 5 1 鹤壁至浚县 2 5 7 6 5 3 7 9 3 6 2 2 2 l 3 7 3 0 浚县至淇县 2 4 1 9 8 4 4 1 2 7 8 2 4 0 6 3 0 5 3 淇县至卫辉 2 9 0 3 6 0 2 9 6 9 2 7 7 7 2 7 4 9 卫辉至新乡 1 9 6 6 6 0 4 1 2 1 7 3 0 8 8 3 1 2 5 全路段平均值 2 4 4 5 6 0 9 1 0 8 9 2 5 4 8 3 3 0 9 注 车型按 收费公路车辆通行费车型分类 j t t4 8 9 2 0 0 3 标准划分 即与表2 1 车 型对应 由表2 2 可知 安新高速公路大型车比重很大 其中四型车大于2 0 五 型车超过3 0 大型车交通对路面质量 道路通行能力的影响较大 道路方向分布不均系数是指主要行车方向交通量与双向交通量的比值 见 式2 1 道路方向分布不均系数 圭至簧嵩攀x 1 0 0 2 1 车道分布不均系数用来描述各车道承担交通量的不均衡程度 若设最靠近 中央分隔带车道的分布不均系数为l 其它车道的分布不均系数是其承担交通 量与最靠近中央分隔带车道交通量的比值 见式2 2 库道分布不均系数 丽蒜篡 2 2 l o 表2 3 安新高速公路方向分布不均系数和车道分布不均系数 瀑 路段流量 p c u 日 车道分布不均系数 方向分布 新安方向安新方向 不均系数 新安方向安新方向 路段名称 超车道行车道超车道行车道 省界至安阳 1 0 0 7 39 6 1 05 1 1 8 l2 1 9l 1 6 7 汤阴至鹤壁1 3 2 2 3 1 3 0 7 35 0 2 9 l 1 3 8 l0 8 8 鹤壁至浚县 1 3 3 0 91 1 7 4 15 3 1 3 11 3 8l1 6 6 浚县至淇县 l l l 9 91 3 1 6 15 4 0 3 l1 0 3l1 0 7 淇县至卫辉1 3 2 8 7 1 3 1 0 9 5 0 3 4 l0 7 71 0 9 6 卫辉至新乡 1 2 7 0 91 3 8 2 65 2 1 l1 1 ll1 4 5 由表2 3 可知 道路方向分布不均系数在5 0 附近 表明年平均日交通量 方向分布差别不大 而车道分布不均系数则在1 3 左右 表明行车道承担交通 量大于超车道 对安新高速公路2 4 小时连续观测的交通量数据绘制时交图 如图2 2 示 图2 2 安新高速公路交通量时变图 由图2 2 可知 交通量在2 4 小时呈现较为明显的变化 虽然未出现较大幅 度波动 但仍出现上 下午两个高峰小时 早高峰流量略高于晚高峰流量 高峰小时流量比是指高峰小时交通量与日交通量的比值 其计算公式见式 2 3 高峰小时流量比 重笔警x 1 0 0 2 3 各路段高峰小时流量比如表2 4 所示 枷 瑚 啪 姗 鲫 枷 猢 o i 上童v删覆 表2 4 安新高速公路高峰小时流量比 高峰小时交通量 路段名称 日交通量 p c u b 高峰小时流量比 p c u h 省界至安阳 9 9 81 9 6 8 35 0 7 安阳至安阳南 1 0 9 2 2 0 4 4 45 3 4 安阳南至汤阴 1 2 7 l2 3 8 0 35 3 4 汤阴至鹤壁 1 4 6 72 6 2 9 65 5 8 鹤壁至浚县 1 3 9 72 5 0 5 05 5 7 浚县至淇县 1 5 9 3 2 4 3 6 06 5 4 淇县至卫辉 1 6 1 62 6 3 9 66 1 2 卫辉至新乡 1 4 8 l2 6 5 3 55 5 8 2 2 21 0 7 国道交通现状分析 项目影响区域主要由安新高速公路和国道g 1 0 7 承担区域南北向交通流 掌握国道g 1 0 7 交通流现状 有利于掌握通道内交通流变化规律 国道g 1 0 7 历年交通状况如表2 5 所示 表2 5 国道g 1 0 7 年平均日交通量 辆 日 小货中货大货 小客大客拖挂 小客车当量交通量 p c u 年份 合计日 车车车车车车 客车货车合计 2 0 0 51 0 4 i1 0 1 47 8 l2 8 4 08 4 29 0 47 4 2 26 8 3 74 1 0 41 0 9 4 l 2 0 0 61 1 5 29 5 78 8 02 8 4 61 0 0 78 7 67 7 1 86 9 7 54 3 5 61 1 3 3 l 2 0 0 71 2 3 59 0 59 2 72 8 3 01 0 2 67 1 47 6 3 76 5 8 94 3 6 91 0 9 5 8 2 0 0 8 1 8 6 01 1 7 8 9 7 8 2 9 9 29 9 95 6 08 5 6 77 2 6 34 4 8 91 1 7 5 2 2 0 0 91 5 7 69 5 31 2 0 61 9 4 57 6 97 2 67 17 57 5 9 43 0 9 81 0 6 9 3 2 0 1 01 9 0 61 0 3 l1 2 3 92 1 9 78 8 2 5 5 47 8 1 07 5 9 2 3 5 2 01 1 1 1 2 年增 1 2 9 0 3 3 9 6 7 5 0 0 0 9 3 9 3 3 1 0 2 2 1 2 3 0 2 0 3 l 长率 由表2 5 可知 国道g 1 0 7 年平均日交通量较为稳定 年平均增长率o 3 l 1 2 2 3 交通需求预测 2 3 1交通小区划分 交通小区的划分是进行社会经济和交通运输需求预测的基础 小区划分的 数量及大小应适宜 小区过多会使统计分析工作复杂化 小区太少又不能满足 预测精度要求 本项目o d 小区划分以河南省及安新高速公路沿线主要行政区 划为基础 本着以项目影响区为主兼顾周边地区的原则 充分考虑项目所在区 域特征及交通流分布特征 将项目影响区划分为1 1 个交通小区 对高速公路沿 线地区细分到县 一个或几个县作为一个交通小区 对于外围区域 将同一交 通流方向的区域划作一个交通小区 对划定的交通小区可采用规定码或自然码 两种编码方法 本项目采用自然码 各小区编码如表2 6 所示 表2 6o d 小区编号说明 小区编号 小区形心 本小区包含的重要节点 隶属区域 1 安阳安阳 安阳南安阳市区 安阳县 2 林州林州林州及长治方向 3 鹤壁鹤壁鹤壁市区 内黄 南乐方向 4 汤阴汤阴汤阴 5 淇县淇县淇县 滑县 6 浚县浚县浚县 7 新乡新乡新乡市区 获加 辉县 长垣 8 卫辉卫辉卫辉 9 郑州郑州郑州以南区域 l o 磁县磁县河北以远 l l 濮阳濮阳濮阳市 2 3 2 基年o d 估计 以 安阳至新乡高速公路改扩建工程可行性研究报告 提供的2 0 1 0 年o d 矩阵为基础 并考虑交通小区重新划分后所引起的o d 转移及各小区交通发生 吸引量的增长 确定基年 2 0 0 1 0 年 各小区交通发生量g i 吸引量a j 和o d 矩 阵分别如表2 7 和表2 8 所示 1 3 表2 7 基年各交通小区的发生量和吸引量 辆 日 小区编号发生量吸引量小区编号发生量吸引量 l8 2 8 91 0 5 3 371 5 4 2 51 5 7 4 l 23 7 0 94 1 3 986 9 66 6 5 34 7 8 l4 4 6 49 2 1 2 1 4 2 1 6 4 6 4 6 8 61 2 4 31 01 3 7 6 21 2 2 5 5 5 2 7 0 7 1 9 8 4 1 l8 5 9 l 7 6 0 2 61 9 6 61 5 5 5 合计 8 1 8 2 6 8 1 8 2 6 表2 8 基年o d 矩阵 辆 日 o dl234567891 01 1 1o1 5 3 22 0 72 6 72 6 37 01 1 9 01 21 5 2 02 3 8 88 4 0 2 5 108 31 581 91 9 3 5 4 1 5 22 5 78 5 31 4 3 37 003 2 01 7 32 7 05 0 l4 45 1 83 1 0 1 1 4 3 41 4 61 22 0 702 23 33 628 37 0 7 5 54 3 62 41 7 07 8o3 4 88 3 11 9 24 2 l 9 7 1 0 9 62 7 643 4 31 6 l3 8 2o2 4 22 71 4 41 3 3 2 5 4 72 1 6 81 9 0 93 7 83 45 0 01 4 102 0 58 3 7 68 4 5 8 6 9 82 lo5891 4 83 0 201 1 45 33 6 91 5 4 92 3 55 4 76 92 4 45 68 1 4 l1 1 507 2 7 02 9 8 8 l o2 0 4 92 7 89 4 22 5 51 4 l5 91 5 3 93 l7 2 6 501 2 0 3 l l1 3 0 47 51 5 8 23 62 4 24 1 11 0 2 33 33 0 5 38 3 20 2 3 3交通量预测 改扩建期间各路段交通量按交通规划理论采用 交通生成预测 交通分布预 测 交通方式划分预测 交通量分配预测 的四阶段模型进行预测 交通生成预测是根据国民经济发展状况 对各交通小区的交通需求总量进 行预测 常用的交通生成预测模型有乘车系数法 产值系数法 弹性系数法和 组合预测 乘车系数定义为区域旅客运量与人口数之比 故乘车系数法又称为原单位 发生率法 它用区域总人口与平均每人年度乘车次数来预测客运量 其预测模 型见式2 4 q f c 卢 2 4 式中 q f 为预测