路桥过渡段沉降控制指标

摘摘 要要 桥头跳车是目前公路建设中急需解决的问题之一 本文利用汽车平顺性评 价的理论 建立 车辆 人体 座椅 振动系统 对台背不同差异沉降对行车 舒适性的影响进行分析 并结合相关文献资料的结果 提出台背过渡段沉降的 控制标准 在路基与地基之间设置扩大基础 利用有限元分析不同基础模量和 基础厚度对应力扩散的影响 本文还对大孔隙混凝土这一材料进行试验分析 提出了台背一定范围内采用大孔隙混凝土填筑 可以解决台背一定范围内的土 体不易压实和台背排水等问题 最后本文利用分层总和法对台背地基的工后沉 降量进行计算分析 关键词关键词 桥头跳车 差异沉降 行车舒适性 扩大基础 大孔隙混凝土 ABSTRACT Bridgehead bump is one of the urgent problems in the process of highway construction In this paper a mechanic model of man chair vehicle system with 3 degrees of freedom is built to analyze the effects on automobile ride comfort due to the differential settlement between roadway approach embankments and bridge structures On the base of some field survey results on abundant literature and the calculating results in this paper the controlling criterion of the differential settlements on approach embankment has been put forward In this paper the enlargement base has been set between subgrade and foundation The finite element method is employed to analyze the influence of the modules and the thickness of the base material The hollow concrete has been filled in the interface between abutment and approach embankment It is successful to solve the problem of poor compaction near the abutment because of restricted access It is also very useful to drainage of the embankment At last the foundation settlements are calculated and analyzed Keywords bridgehead bump differential settlement ride comfort enlargement base hollow concrete 目目 录录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 问题的提出 1 1 2 国内外的研究概况 2 1 3 本文的主要研究内容 4 第二章第二章 研究方案和研究方法研究方案和研究方法 6 2 1 研究方案 6 2 2 研究方法 8 第三章第三章 路桥过渡段沉降控制指标研究路桥过渡段沉降控制指标研究 10 3 1 过渡段沉降差异产生的原因分析 10 3 2 汽车平顺性评价基本理论 12 3 3 过渡段沉降差异对行车舒适性的影响 16 3 4 过渡段沉降控制指标的提出 25 第四章第四章 路桥过渡段沉降控制指标应用路桥过渡段沉降控制指标应用 28 4 1 工后沉降量计算理论 28 4 2 实测数据反演计算工后沉降量 32 4 3 沉降控制指标的应用 33 第五章第五章 台背填料基底应力有限元分析台背填料基底应力有限元分析 35 5 1 概述 35 5 2 影响路基基础应力扩散作用的因素分析 37 5 3 影响路基基础底面拉应力分布的因素分析 42 5 4 路基结构设计的一般原则 44 第六章第六章 台背回填区材料试验分析台背回填区材料试验分析 46 6 1 大孔隙混凝土试验 46 6 2 台背回填区材料试验 54 第七章第七章 台背地基沉降计算分析台背地基沉降计算分析 64 7 1 地基应力计算分析 64 7 2 台背地基沉降计算分析 68 第八章第八章 路桥过渡段沉降病害处治措施研究路桥过渡段沉降病害处治措施研究 71 8 1 路桥过渡段沉降病害处治的一般措施 71 8 2 路桥过渡段沉降病害处治措施结构设计研究 74 第九章第九章 主要结论和进一步研究的建议主要结论和进一步研究的建议 79 9 1 结论 79 9 2 进一步研究的建议 80 参考文献 81 致谢 第一章第一章 绪论绪论 第一节第一节 问题的提出问题的提出 公路是国民经济的重要命脉 由于其特有的优越性和灵活性 发挥着其他 运输方式所不可替代的作用 公路建设又是国家最主要的基础产业之一 公路 交通事业的迅速发展 为经济的持续发展注入了强大的活力 但是 从已投入使用的高等级公路特别是高速公路来看 存在着不少问题 其中比较常见的道路病害是 路面在台背回填处出现沉陷或断裂 车辆通过台 背回填处跳车 而且随着高速公路的迅速发展 车辆快速 安全 经济和舒适 的要求越来越高 这个问题越来越突出 影响公路使用性能和运输效益的发挥 因此必须解决跳车问题 但如何解决台背回填处的跳车问题 虽已引起公路建 设行业的重视 但并未获得满意的解决办法 桥头跳车是由于桥涵结构物和路基刚度的差异 桥涵一定范围内的路基顶 面相对桥面整体变形下降 出现了不同高低的错台 通称为台阶 这些台阶的 形成因素大概有以下几个方面 构造方面 桥与路的分界处前后一是刚性体 一是柔性体结构 在结构刚度上差异很大 柔性材料对能量的吸收要比刚性材 料大 故在刚柔突变处必然引起震动突变 设计方面 路桥分别由不同的工 程师按各自的要求进行设计 路桥连接处没有共同的设计控制指标 造成结构 不连续 施工工艺 桥台的施工为混凝土浇注或拼装砌筑而成 其构成上较 之路基填土均质而密实 整体性好 桥台台背填土尤其是靠近台背一定范围内 的压实 实际施工中往往是薄弱环节 大部分是桥台完工后填桥背 作业面小 填筑和碾压受到限制 而且在靠近台背一定范围内存在着碾压不到的死角 因 而施工上就给桥头跳车留下了隐患 路堤下天然地基的沉降 地基在路堤荷 载作用下都必然会产生竖向沉降变形 由于地基土的土质不同 即使在相同的 荷载作用下 所产生的最大沉降量以及沉降达到稳定所需的时间也不同 台 背路基填料的压缩变形 台背回填材料一般为渗透性多孔隙材料 施工中不能 将填料颗粒间空隙完全消除 加上桥头处一般为高填土路基 通车后 在车辆 荷载和自身重力作用下 填料迅速压缩 空隙率降低 在短时间内产生压缩沉 降 造成跳车 排水不畅及填土流失 在桥涵与路堤的连接部位 由于存在 缝隙 地表水会沿缝隙渗透 对路基填土产生冲刷和浸蚀 造成各种细粒土的 流失 随着路面各结构层的破坏 在车辆荷载作用下导致桥头路基沉陷 从而 也加剧台阶的形成 桥头跳车的危害主要表现在以下两个方面 降低行车速度 影响路面行 驶性能 由于台阶的存在 将导致车辆通过时产生跳动和冲击 从而对桥梁和 路面造成附加的冲击荷载 并使司乘人员感到颠簸不适 严重的则使通过的车 辆大幅度减速 有的甚至造成行车事故 影响了公路的正常营运 受到公路界 的广泛关注 山西省大运公路曲沃县滏河桥因桥头跳车严重 曾多次造成翻车 事故 桥两侧栏杆经常被撞毁 影响伸缩缝的使用 加大了养护费用 由于 车辆通过桥头时产生的跳动和冲击 加速了桥台 桥头搭板 支座和伸缩缝的 损坏 同时也加剧了车辆的机件 轮胎等磨损 降低车辆的使用寿命 公路养 护部门每年都要花费相当数量的资金进行维修和养护 桥头跳车不但在我国公 路上存在 在国外也是尚待解决的问题 美国大约 25 的桥梁受到桥头跳车的 影响 全国每年为此花费的修理费用预计高达 1 亿美元以上 因此桥头跳车已 成为高等级公路营运中急待解决的问题 对此进行总结和研究 具有较为普遍 的现实意义 第二节第二节 国内外的研究概况国内外的研究概况 为了消除台阶 防止和解决跳车 保持良好的路况 设计部门和施工单位 采用了许多行之有效的措施和方法 有关院校和科研单位也立题从不同角度对 跳车进行了研究 针对引起桥头跳车的几个主要因素 目前国内外研究者已经 有了一些解决桥头跳车的思路 从减小地基沉降的角度来看 方法主要有两类 一类是换填法 一类是加 固法 换填法就是将地基表面的高压缩性土挖出 然后换填颗粒比较粗的材料 如天然砂砾 开山碎石 工业废渣 半刚性材料或土工织物等 这种换填法只 适用于不良土质 土层比较薄 一般不超过 3m 的地基 如果软土层较厚 采 用这种方法不经济 同时施工也是非常困难的 目前在国内应用较多的有以下 几种加固方法 1 采用深层搅拌法加固桥头软基 使软土硬结成具有整体性 和一定强度的优质复合地基 从而提高桥头软土地基的承载力 减少沉降量 特别是工后沉降量 缩短固结期 提高边坡稳定性 不足之处一是造价较高 二是设计计算方法不成熟 尚待进一步完善 而且影响搅拌桩质量问题的关键 因素 粉体的计量问题 目前还未得到很好的解决 另外 搅拌桩的质量检测 也缺少全面的规范 2 采用砂桩加固桥头软基 该法属粒料桩类型 适用于松 砂地基 杂填土或软土 对地基土起置换作用 竖向排水作用和挤密作用 为 加速地基固结 减少后期沉降 一般根据实际情况 配合堆载预压或超压施工 使地基强度显著提高 同时改善地基的整体稳定性 其造价在深层搅拌法与堆 载预压法之间 3 采用塑料排水板堆载预压法加固桥头软基 该法属竖向排水 体预压类型 主要适用于透水性低的软弱粘性土 为加速排水固结 减少工后 沉降 一般配合堆载预压或超压施工 使地基的有效应力增大抗剪强度和承载 力及稳定性都得以提高 其特点是造价较低 但效果较上述两种类型差 仍存 在少量工后沉降 从减小路基填料压缩变形的角度来看 可以有两种方法 一种是采用轻质 材料填筑路基 另一种是采用某种材料实现台背回填区的 刚柔过渡 填筑轻 质材料可以减轻路堤自重 有效降低地基应力 减少沉降并增大安全系数 常 用的轻质材料如粉煤灰等 粉煤灰容重小 具有振动易密性 施工方便 对于 压路机难以正常作业的台背特别有利 在靠近台身及耳背墙处的死角 采用小 型平板振动器振压即可达到足够的密实度 用粉煤灰填筑桥涵台背 可以大大 降低路堤对地基的荷载 有利于减少地基沉降以及路基对桥台的侧压力 在软 基路段和高填方路段 这一优点更为突出 现在广东等地开始试验推广的新型 超轻质材料 泡沫聚苯乙烯块 其密度很小 约 30kg m3左右 抗压强度约为 0 25MPa 且吸湿性极小 耐水性好 所以使用泡沫聚苯乙烯块 可大大减轻 路堤体的重量 能成功的遏止桥涵连接路堤的过渡沉陷 从而避免台阶产生 另外还具有施工简便 不污染环境 能缩短工期等优点 同时还可以减少桥台 等构筑物的土压力及侧向压力 从而减少构筑物的移动变位 改善结构物的稳 定性 其缺点是在汽油或柴油作用下有溶解倾向 并且价格昂贵 路基体与结 构物之间存在着较大的刚度差 这个刚度差的存在必然引起路基体与结构物之 间产生较大的刚度突变和塑性变形相对差 从而产生跳车 如果使这个刚度差 在路基体与结构物台墙之间的一定范围内渐变 使得塑性变形相对差也在这一 范围内渐变 且保证渐变后任何一点的刚度差不致引起跳车 任何一点的塑性 变形相对差不致使路面沉陷或断裂 这就是台背回填设计的 刚柔过渡 思想 使用刚度介于路基土与台墙刚度之间的某种材料 但沿长度方向变化其厚度 也即台背回填与路基接头采用一定的倾斜角相衔接 使得台背回填远薄近厚 使两种性质不同的体系在抗垂直变形能力上平滑过渡 从而实现台背回填的 刚柔过渡 从路面结构的处理角度来看 可以考虑以下两种方法 1 设置桥头搭 板 搭板设计可以使在柔性路堤产生的较大沉降逐渐过渡到刚性桥台上 桥头 搭板长度设计应根据路基的容许工后沉降值计算确定 常取 3m 15m 当超过 8m 时 宜设计成两段式或三段式搭板 搭板处理桥头跳车 短期内可有效的 防止桥头跳车 但是大量调查资料表明设置桥头搭板的长期效果并不明显 并 且对差异沉降较大的桥头不适用 而且有时还会出现一些新的问题 如 搭 板断裂后引起路面开裂 导致地表水下渗破坏天然地基 因温度变化引起的搭 板热胀冷缩使搭板变形 拱起 破坏路面 尽管在桥台路堤衔接处无明显跳 车 但在枕梁处发生局部下沉造成这一部位的跳车 搭板和路堤的衔接处也会 有二次跳车产生 为避免二次跳车 常在搭板尾端加设一段浅埋的变厚式埋板 其长度一般取 3m 5m 对于水泥混凝土路面 也可将与搭板连接处的路面板改 为变厚式板 2 采用过渡性路面 根据桥涵的长度和路基的容许工后沉降值 计算等情况 在桥头一定范围内铺设过渡性路面 待路堤沉降基本完成后 一 般为 3 5 年 再改铺原设计永久性路面 这种措施对水泥混凝土路面比较适 合 从其他方面考虑 如在设计和施工中设置必要的地下排水设施和加强施工 质量控制和管理 在台背回填土时可沿整个台背竖直面用间断级配碎石或砾石 材料做透水层 以利于排除渗入土体的积水或因冻融产生的游离水 使土体保 持永久性干燥状态 防止塑性变形和地基下沉 为了使填方压实度达到要求 必须完善施工工艺 方法和强化施工质量管理 严格按照操作规程施工 加强 建设监理工作 对台背施工的填土材料 压实机具 填土厚度进行检查 分层 验收 层层把关 严格执行工序验收制度 这样才能确保桥涵两端填土和路堤 施工质量 美国和中国一些文献报道 在路桥过渡段尝试采用了土工合成材料以降低 过渡段回填物的总沉降和不均匀沉降 挪威国家道路研究室经过二十余年的试 验研究和十余年的使用实践 在解决桥涵台背填土问题上 采用一些轻质材料 如成块膨胀聚苯乙烯 泡沫塑料 对降低桥台背路基沉降取得了显著效果 以上各种解决桥头跳车的思路和方法都基于同一出发点 即采用必要措施 使桥头两侧的刚度差 沉降差控制在设定的允许范围内 使原本在桥路连接处 有限范围内的产生桥头跳车的各种不良因素 通过人为的设计 构造措施 由 更大范围的路面结构体系来承担 吸收 但是值得一提的是 对过渡段沉降量的控制 各国并没有一致或明确的标准 日本道路协会建议连接桥梁的填土路堤中心处铺筑路面后 3 年内的容许剩余沉 降量 希望不超过 10 30cm 我国交通部重庆公路科学研究所在有关研究报告 中指出 对于高级路面铺后 20 年内 邻近人工构造物路段容许工后沉降值定为 10 20cm 较为适当 我国已建和在建高速公路桥头基本上以容许工后沉降量为 指标 控制标准为 10cm 第三节第三节 本文的主要研究内容本文的主要研究内容 本文首先利用汽车平顺性评价的方法 对台背不同差异沉降对行车舒 适性的影响进行分析 并结合相关文献资料的结果 提出台背过渡段沉降 的控制指标 然后过渡段沉降的控制方法进行总结分析 并在有限元计算 分析的基础上结合回填区材料试验结果 提出台背路基结构设计方案 主 要研究内容如下 1 提出路桥过渡段沉降的控制指标 2 分析过渡段沉降控制指标的应用 3 利用有限元计算分析台背路基结构的基底应力 4 分析台背回填区材料试验结果 5 提出路基作用于地基表面的荷载分布形式为抛物线分布的条形荷载 并 对台背地基沉降进行计算分析 第二章第二章 研究方案研究方案和研究方法和研究方法 本文立题研究过渡段沉降控制指标和沉降控制方法 因此各项方案的 确定和安排 均是服从于和服务于这两个方面的 本文首先参照汽车平顺 性评价方法 提出路桥过渡段沉降的控制指标 并对指标的应用进行分析 阐述 接着提出在路基底部加设扩大基础 进行应力分析和材料试验 最 后结合目前已有的地基和路面处理措施提出台背沉降处理的整体措施 并 对台背地基的沉降进行计算分析 第一节第一节 研究方案研究方案 2 1 1 过渡段沉降控制指标的提出及其应用研究 1 提出路桥过渡段的沉降控制指标 目前 过渡段容许工后沉降控制指标及其确定方法因实际情况不同而无法 统一 因此各国并无一致或明确的标准 考虑到桥头跳车最大的危害之一 是 影响汽车的平顺性能 以致引起乘客的不适 针对这一点 本文的研究思路如 下 1 分析桥头过渡段的沉降机理 并根据沉降机理的分析提出过渡段沉降 控制标准的数学表达式 2 利用汽车行驶平顺性的评价方法评价过渡段差异沉降对行驶舒适性的 影响 3 结合相关文献资料的结果 提出路桥过渡段沉降的控制指标 其中包 括容许工后沉降控制指标以及容许差异沉降控制指标 2 路桥过渡段沉降的控制指标的应用 1 简单概述台背工后沉降量的计算理论以及计算方法 2 通过容许工后沉降控制指标 可以用来验算新建公路的台背工后沉降 量 从而决定是否需要采取相应的措施以减少其工后沉降 由于差异沉降控制 指标是基于行车舒适性提出的 因此利用该指标可以检验已通车公路在运营使 用过程中其台背差异沉降是否满足容许沉降差的要求 从而决定是否需要采用 相应的养护措施以保证过渡段的行车舒适性 2 2 2 过渡段沉降控制方法的研究 1 台背路基结构应力计算分析 本文从减小地基应力以达到减小台背地基工后沉降的这一目的出发 进行 台背路基结构设计 在路基底部设置扩大基础 扩散台背填土对地基的应力 根据对台背路基结构的设计 建立台背结构的有限元模型 对地基顶面的应力进行有限元计算 最后根据计算结果 提 出路基结构设计原则 2 台背回填区材料试验 桥台背是桥梁与路基相衔接的特殊路段 特别是靠近桥台的部位不能用大 型压路机进行振动碾压 所以这一部位的压实很难得到很好的保证 容易产生 压缩沉降 引起桥头跳车 由于台背回填料自身固结和施工存在困难 若不对 台背填方作加固处理 则桥台背路基的工后沉降问题就得不到解决 因此 本 章选择强度高 压缩性好 自重较轻的半刚性材料作为台背回填区材料 且选 择具有轻质 透水性良好 易于施工特性的无砂大孔隙混凝土作为靠近台背难 压实区的回填材料 台背回填区材料试验内容如下 1 无砂大孔隙混凝土试验 包括无砂大孔隙混凝土的原材料 密度 孔隙率 强度 施工性试验分析 并对无砂水泥粉煤灰混凝土的密度 孔隙率以及强度进行了试验分析 2 半刚性材料试验 主要进行石灰土 二灰土强度试验分析 以确定石灰土 二灰土的配合比 3 台背沉降控制方法研究 根据对路基结构的有限元分析和台背回填区的材料试验分析 并结合目前 成功的地基和路面处理方案 提出台背结构设计如图 2 2 所示 半 刚 性 类 回 填 料 大孔隙砼 cm砂 浆封层 100cm 60cm 2 200cm 半刚性扩大基础 图 2 2 台背设计示意图 4 台背地基沉降计算 1 根据路基结构有限元分析的计算结果 提出路基作用于地基表面的荷 载分布形式为抛物线分布的条形荷载 推导出抛物线分布的条形荷载作用在半 无限地基表面时的应力计算公式 2 结合工程实践及室内试验 对台背地基的沉降计算进行研究分析 对 所设计的台背路基结构进行计算验证 第二节第二节 研究方法研究方法 2 2 1 理论计算分析 1 沉降控制标准的计算 1 过渡段沉降机理分析 2 建立车辆 人体 座椅的振动模型如图 2 1 所示 利用 Matlab 程序 计算桥头过渡段路面不平整的功率谱密度 给出不同差异沉降下人体对振动的 反应即乘坐者的舒适度 K m Kt 1 m C 2 q z1 z2 s s KC sm p 图 2 1 车辆 人体 座椅振动系统 2 台背路基结构的有限元分析 有限单元法是在上个世纪六 七十年代发展起来的强有力的数值分析方法 它的出现使很多复杂的工程分析问题应刃而解 随着计算机技术的快速发展和 普及 有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领 域 成为一种丰富多彩 应用广泛并且实用高效的数值分析方法 本文采用通用有限元软件 MSC NASTRAN 对路基结构进行计算 计算内容 主要包括以下几个方面 1 分析不同的路基模量下 基础模量及厚度对基础应力扩散作用的影响 2 分析不同地基模量对基础应力扩散作用的影响 3 分析不同基础模量和地基模量对基础底面拉应力的影响 4 分析不同基础厚度对基础底面拉应力的影响 3 地基土的应力及沉降计算 1 抛物线分布的条形荷载作用下弹性半空间体中的应力计算 2 分层总和法计算地基的沉降量 2 2 2 室内试验研究 1 原材料的性质分析 主要包括水泥 粉煤灰 石灰 土的基本性质分析 2 材料物理性质分析 本次试验按照 公路工程无机结合料稳定材料试验规程 JTJ057 94 中 有关规定进行 采用重型击实标准确定混合料的最大干密度和最佳含水量 3 力学性质试验 试件均按最大干密度和最佳含水量和试件容量控制采用静力压实法制备 在养生室常温湿气养生 无侧限抗压强度试验 间接抗拉强度试验 1 无侧限抗压强度试验 将饱水 24h 后的试件放到路面材料强度试验仪的升降台上 使试件的形变 以约 1mm min 的等速率增加进行抗压强度试验 资料的整理分析时 抗压强度 RC按下式计算 MPa 2 1 A P Rc 式中 P 试件破坏时的最大压力 KN A 试件的截面积 A d2 4 d 为试件的直径 cm 2 间接抗拉强度试验 将养生至规定龄期且饱水 24h 后的试件放到路面材料强度试验仪升降台上 然后在试验过程中 保持使试件的形变约 1mm min 的等速率增加进行劈裂试验 劈裂强度 Ri 按下式计算 2 2 dH p Ri 2 式中 试件破坏时的最大压力 KN p H 试件高度 m d 试件直径 m 第三章第三章 路桥过渡段沉降控制指标的研究路桥过渡段沉降控制指标的研究 桥头跳车是由于桥台和台背路基产生差异沉降而造成的 国内外已有 大量研究如何减少台背的沉降 以达到消除桥头跳车的目的 目前 一般 采用容许工后沉降作为过渡段沉降的控制指标 工后沉降指的是施工完成 以后所发生的沉降 汽车驶过桥头时 由于沉降差异的台阶会激起汽车的振动 使司乘人员处 于振动环境之中 车辆振动会影响着人的舒适性 工作效能和身体健康 本章 基于这一点 参照汽车评价平顺性的方法来评价桥头沉降差异对行车舒适性的 影响 进而提出过渡段沉降的控制标准 第一节第一节 过渡段沉降差异产生的原因分析过渡段沉降差异产生的原因分析 目前的路桥过渡段常采用设钢筋混凝土搭板和不设搭板两种情况 本节就 这两种情况下过渡段的沉降机理进行分析 为下文的进一步研究提供基本的依 据 3 1 1 设搭板时的沉降分析 对于使用钢筋混凝土搭板的桥头过渡段 桥头搭板的一端搁置在桥台背上 另一端通过枕梁设在引道土体上 为了便于分析沉降差产生的过程 我们做出 如下假设 1 竣工时桥面和搭板面的纵坡相等 均为 i1 2 桥头沉降过程中 搭板绕简支端转动 且可以被视为平直的刚体 3 搭板上和桥面上的面层结构和厚度相同 不产生沉降差 1 桥头过渡段沉降差产生的过程 由于影响因素较多 为了便于分析问题 假设在沉降过程中存在桥面纵坡 i2b等于搭板面纵坡 i2a的情况 如图 3 1 这样可以将桥头沉降过程分为以下 两个阶段 i1 2ai i2b 3i 1 2 3 2bi L x y bS Sa 局部脱空 搭板 图 3 1 设桥头搭板时沉降差异示意图 第一阶段是竣工后至桥面纵坡 i2b等于搭板面纵坡 i2a时这一过程 主要是 桥面由于墩台产生沉降造成纵坡变化控制 其值不能过大 否 b S 121 ii a 则将造成桥面破坏 伸缩缝挤坏及支座条件变差 因此 各国的桥梁设计规范 均有限制 第二阶段是桥台沉降趋于稳定后至整个引道土体趋于稳定 此时的主要特 点是桥面纵坡 i2b与搭板纵坡 i3不相等 两者之间称为纵坡差 即 2 其大小对过渡段的行车平顺性影响很大 这是本章所要研究的重 b ii 232 点内容之一 2 沉降差异的表示 为了进一步分析差异沉降的危害 我们还需对沉降差异用某一数学表达式 来表示 通过对沉降差异的形成过程的分析 我们可以将搭板远台端部沉降趋 于稳定时的总工后沉降量分成两个部分 即 a S 3 SSS ba 1 式中 桥台基础的预期工后沉降量 b S 桥台与搭板远离台端下土体之间的差异沉降量 S 参照文献 9 的研究成果 桥台基础预期工后沉降量可以用如下公式计算 即 3 21 LSb 2 式中 桥台基础工后沉降值占基础总沉降值的比例系数 主要与地基土类 1 型有关 对于低压缩性饱和粘土 对于中压缩性饱和粘土 40 0 1 对于高压缩性饱和粘土 70 0 1 85 0 1 考虑桥台基础形式的系数 一般地 对于摩擦桩基础 2 对于扩大基础 500 1 2 300 1 2 桥梁边跨跨径 m L 以 L 表示搭板长度 以表示桥台基础与搭板远离台端下土体的工后沉降S 差 表示桥面纵坡和搭板面纵坡的差异值 如图 3 1 所示 得到以下关系式 2 3 LS 21 3 由此可见 桥台与引道土体容许沉降差并不是一个常数 而是与纵坡差和搭板 长度均有关系 2 1 2 未设桥头搭板时的沉降分析 未设置桥头搭板的水泥混凝土路面 沥青混凝土路面 由于桥台和引道土 体沉降差异在桥头形成一个陡坎或台阶 如图 3 2 所示 从行车安全和舒适性 来看 台阶对行车的影响比设置搭板时的影响要大 y 2i x 2 3 1 1i Sb Sa S 图 3 2 未设桥头搭板时沉降差异形成的台阶示意图 未设置桥头搭板时 由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成一个陡坎或 台阶 为了便于分析 也将工后引道土体沉降趋于稳定时的总沉降量分成两 a S 部分 即 3 SSS ba 4 式中 桥台基础的预期工后沉降值 b S 桥台与引道土体之间的差异沉降值 S 的计算在前面已经介绍过 S 就是台背产生的台阶高度 对汽车行驶 b S 平顺性的影响很大 这也是本章将要研究的问题 第二节第二节 人体舒适性评价基本理论人体舒适性评价基本理论 3 2 1 汽车行驶平顺性评价标准及评价方法 汽车振动对人体的影响 既取决于振动频率与强度 振动作用方向和暴露 时间 也取决于人的心理 生理状态 70 年代初 国际标准化组织 ISO 在 综合大量有关人体全身振动的研究工作和文献的基础上 定出了国际标准 ISO2631 人承受全身振动的评价指南 此后经过修订和补充 于 1997 年公 布了 ISO2631 1 1997 E 人体承受全身振动评价 第一部分 一般要求 此标准对于评价长时间作用的随机振动和多输入点多轴向振动环境对人体的影 响时 能与主观感觉更好的符合 国际标准 ISO2631 标准中推荐两种方法对人承受全身振动进行评价 1 1 3 倍频带分别评价方法 1 3 倍频带分别评价方法认为 同时有许多个 1 3 倍频带都有振动能量作用 于人体时 各频带振动作用无明显的联系 对人体产生影响的 主要是由人体 感觉的振动强度最大的一个 1 3 倍频带所造成 加权加速度均方根值分量反映 人体对各 1 3 倍频带振动强度的感觉 1 3 倍频带分别评价方法的评价指标就是 加权加速度均方根值分量中的最大值 把它和最敏感频带允许的界限值加以比 较 进行评价 2 总加权值评价方法 这个方法是用 1 80Hz 20 个 1 3 倍频带加权加速度均方根值的分量的方 和根值 总加权加速度均方根值来评价 在 ISO2631 1 人承受全身振动的评 价第一部分一般要求 中对总加权值方法有如下说明 最近 对舒适及工效 的研究表明 在振动频谱由几个振动分量组成 或是一个宽频带振动的场合下 加权方法常常可以较好的反映此类运动的影响 因而当希望用单一数值定量表 示这类单项振动时 现在推荐加权方法作为优先选用的评价方法 本文采用后一种方法作为评价方法 利用垂直方向加权加速度均方根值 或加权振级来评价振动对人体舒适和健康的影响 评价标准见表 3 1 w a aw L 表 3 1 垂直方向加权加速度均方根和加权振级与人的主观感觉之间的关系 加权加速度均方根值 2 smaw加权振级 dBLaw人的主观感觉 1 25 122 极不舒适 3 2 2 路面不平度的功率谱密度 通常把路面相对基准平面的高度 q 沿道路走向长度 x 的变化 称为 xq 路面不平度函数 在评价人体舒适性时 作为汽车振动输入的路面不平度 主 要采用路面功率谱密度描述其统计特性 在本文的研究过程中 我们暂且将路 桥过渡段内的由于沉降差异而引起的路表起伏不平这一现象 称为路面的不平 度 我们将通过建立人体舒适性评价模型 分析沉降差异对行车舒适性的影响 1 路面不平度的模型 对于路面不平度的研究 各国学者提出了不同形式的功率谱密度表达式模 型 1972 年 ISO TC108 制定了以路面不平度的功率谱密度表达式模型和分级方 法 1986 年我国学者在进行了大量研究的基础上 也提出了类似的表达式和分 级方法 制定了相应的国家标准 即 GB7031 86 车辆振动输入 路面平度 表示方法 标准建议路面功率谱密度用下式作为拟合表达式 nGq 3 5 w qq n n nGnG 0 0 式中 n 为空间频率 m 1 它是波长的倒数 表示每米中包含几个波长 n0为参考空间频率 n0 0 1m 1 为参考空间频率 n0下的路面功率谱密度值 称为路面不平 0 nGq 度系数 单位为 m3 w 为频率指数 它决定路面功率谱的频率结构 上述标准还提出了按路面功率谱密度把路面的不平度分为 8 级 表 3 2 规 定了各级路面的平度系数范围及其几何平均值 分级方法采用的频率指数 w 2 表 3 2 路面不平度 8 级分类标准 路面平度系数 Gq n0 10 6m2 m 1 n0 0 1m 1 路面不平度等级 下限几何平均上限 A81632 B3264128 C128256512 D51210242048 E204840968192 F81921638432768 G3276865536131072 H131072262144524288 路面功率谱除了可以用垂直位移功率谱密度来表示外 还可以采用 nGq 速度功率谱密度和加速度功率谱密度来补充描述路面不平度的统计 nG q nG q 特性 它们之间的关系如下 3 2 2 4 2 nGnnG nGnnG qq qq 6 2 时间频率功率谱密度与空间频率功率谱密度的转化 对汽车振动系统的输入除了路面不平度 还要考虑车速这个因素 根据车 速 v 将空间频率功率谱密度换算为时间频率功率谱密度 当汽车 nGq fGq 以一定的车速 v 驶过空间频率 n 的路面时 输入的时间频率 f 是 n 和 v 的乘积 即 3 vnf 7 根据功率谱的定义 可以得到与的换算式 nGq fGq 3 1 nG v fG qq 8 将式 3 7 和式 3 8 关系代入式 3 5 得到时间频率路面功率谱密 度表达式 当 w 2 时 得 fGq 3 2 2 00 2 0 0 1 f v nnG n n nG v fG qqq 9 相应地 也可以得到时间频率表示的速度和加速度的功率谱密度与位移功 率谱密度的关系式 3 vnnGfGffG qqq 2 00 22 4 2 10 3 2 2 00 44 16 2 vfnnGfGffG qqq 11 从上式中可以看出路面速度功率谱密度幅值在整个频率范围内为一常数 即为 白噪声 幅值大小与不平度系数有关 0 nGq 3 2 3 线性振动系统的简介 对于一般的振动问题 可以用图 3 3 所示的框图来说明 输入 或激励是 表示初始干扰或激振力等外界因素对系统的作用 输出 或响应是表示系统在 输入或外界激励作用下所产生的动态响应 图 3 3 一般振动系统示意图 振动系统 输入输出 激励响应 在本章的研究过程中 输入是指路桥过渡段由于沉降差异而引起的路面纵 坡高低起伏 振动系统是指本文采用的 车辆 人体 座椅 系统 输出是指 人体的垂直加速度均方根值或人体的主观感觉 系统有线性和非线性之分 但对于大量的工程问题 线性系统模型就可以 得到逼真的结果 本文所采用的 车辆 人体 座椅 系统是常参数线性系统 对于常参数线性系统 当系统的激励 输入 是平稳过程时 系统的响应 输 出 也一定是平稳的 我们将分析的汽车振动系统简化成图 3 6 所示的模型 由随机线性振动基本理论可以得到 振动响应的功率谱密度与路面位移 fGx 输入的功率谱密度存在以下如下简单关系 fGq 3 2 fGfHfG q qx x 12 式中 为系统响应 x 对输入 q 的频率响应函数的模 即qxfH 2 qx fH 幅频特性 该式是随机振动理论中一个极其重要的公式 它明确地指出了输入 输出与系统动态特性三者之间的关系 第三节第三节 过渡段沉降差异对行车舒适性的影响过渡段沉降差异对行车舒适性的影响 3 3 1 人体舒适性评价模型的建立 1 四分之一车辆模型 当汽车前 后轴悬架质量分配达到一定值时 前后轴悬架系统的垂直振动 几乎是独立的 于是可以将车辆简化成如图 3 4 所示的车身和车轮两个自由度 振动系统 一般称为 车身 车轮 双质量系统或四分之一车辆模型 图中 m2为悬挂系统质量 车身质量 m1为非悬挂系统质量 车轮质量 K 为悬挂 刚度 C 为阻尼器阻尼系数 Kt 为轮胎刚度 车轮与车身的垂直位移坐标分别 为 z1 z2 坐标原点选在各自的平衡位置 q 为路面激励对系统的输入 m2 m1 K Kt C z2 z1 q 图 3 4 1 4 车辆模型 根据牛顿第二定律 可以建立系统的运动方程如下 3 0 0 1212111 121222 qzKzzKzzCzm zzKzzCzm t 13 通过对方程 3 13 进行求解 可以得到车身加速度对路面速度激励的幅 频特性 3 2 1 2 22 22 41 q z q z jH qz 14 式中 3 2 0 2 0 2 2 2 0 2 0 1 1 41 1 1 1 15 为刚度比 KKt 为质量比 12 mm 为车身部分的阻尼比 2 2 KmC 为频率比 为车身部分的固有频率 0 0 20 mK 2 人体 座椅的振动模型 把人体简化为一刚性质量 ms 它与座椅的弹性 阻尼元件构成一单自由度 振动系统 如图 3 5 所示 图中 Ks为座椅的弹性刚度 Cs为座椅的阻尼系数 ms为人体质量 座椅垂直位移坐标为 p 坐标原点选在其静力平衡位置 q 为外 界激励对系统的输入 根据牛顿第二定律 单自由系统在外界激励下的运动方 程为 3 0 qpKqpCpm sss 16 通过对方程 3 16 的求解 可以得到座椅位移 p 对外界激励 q 的幅频特 性 3 2 1 22 2 22 2 1 41 sss ss qz q p jH 17 式中 为系统的阻尼比 s ssss mKC2 为系统的频率比 为子系统固有频率 s 0ss 0s sss mK 0 K m C s q p s s 图 3 5 人体 座椅振动系统 3 车辆 人体 座椅系统的振动模型 在四分之一车辆模型上附加 人体 座椅 子系统 就构成 车辆 人体 座椅 振动系统 如图 3 6 所示 用于评价路面激励对人体振动影响 在人体质量 ms比车身质量 m2小很多时 可以忽略人体质量的惯性力对pms 车身质量 m2运动的影响 而车身垂直振动 z2是人体 座椅子系统的输入 于是 传至人体的加速度 p 对路面速度输入 q 的幅频特性等于 人体 座椅 子系统 的幅频特性与 车身 车轮 双质量系统幅频特性的乘积 即 3 q z z p q p 2 2 18 式中 可以由四分之一车辆模型的传递特性得到 如式 3 14 所示 qz 2 可以由 人体 座椅 振动系统的传递特性得到 如式 3 16 2 zp 所示 K m Kt 1 m C 2 q z1 z2 s s KC sm p 图 3 6 车辆 人体 座椅振动系统 4 模型的参数 在计算过程中 车辆 人体 座椅 振动系统的参数如表 3 3 所示 表 3 3 车辆 人体 座椅 振动系统的参数 刚度比 质量比 车身部分的 固有频率 f0 车身部分的 阻尼比 人体 座椅 子系统的固有频 率 fs0 人体 座椅 子系统的阻尼比 s 9101 1Hz0 202 5Hz0 30 3 3 2 过渡段沉降差异的功率谱密度的计算 1 计算方法简介 功率谱估计有多种估计方法 一般可以分为参数化方法与非参数化方法 现代谱估计的参数方法很好地改善了经典谱估计方法的缺点 这类方法的基本 思想是认为随机信号是白噪声通过某个模型产生的 不必认为 N 个以外 nx 的样本数据为零 这样考虑更接近实际 所以有可能改善谱估计的效果 本文 在计算时过渡段路面不平度的功率谱时采用的是尤利 沃克自回归方法 采用 Matlab 信号处理工具箱的 pyulear 函数实现该功率谱的计算 通过本章第一节对过渡段沉降差异的形成过程的分析 现对设搭板和未设 搭板两种情况下的过渡段沉降产生的不平度的位移功率谱进行计算 1 设桥头搭板时的功率谱计算 根据第一节的分析 设搭板时路桥过渡段的路面不平度函数可表示为 3 lxy ii 19 桥面与搭板容许纵坡差 i 搭板长 m l 采用 Matlab 语言编制的程序对路面不平度函数进行计算机处理 计算得到 位移功率谱密度 计算结果如表 3 4 所示 表中还列出了与路面不平度分级标 准对应的过渡段路面不平度等级 从表中可以看到 随着台背纵坡差的增加 位移功率谱密度逐渐增大 表 3 4 不同沉降差异对应的功率谱密度 序号纵坡差 位移功率谱 10 36 0 mnGq 路面不平度等级 10 150B 20 2210C 30 3460D 40 4850D 50 51300D 60 61800D 图 3 7 至图 3 9 分别为纵坡差 0 2 0 4 和 0 6 时的位移功率谱密度i 曲线 横轴为空间频率的对数坐标 纵轴为位移功率谱密度 从图中可以看到 1 这些不同纵坡差下的路面功率谱密度曲线具有相同的形式 2 功率谱密度曲线在低频区具有较高的激励能量 即在空间频率 n 0 1m 1 时 功率谱具有较大的值 3 纵坡差越大 相应的功率谱密度也越大 1 2 0 1 2 4 5 6 7 m 3 图 3 7 纵坡差为 0 2 时的功率谱密度曲线 0 1 2 0 5 1 5 2 5 3 3 图 3 8 纵坡差为 0 4 时的功率谱密度曲线 1 2 0 1 2 4 5 6 7 m 3 图 3 9 纵坡差为 0 6 时的功率谱密度曲线 2 未设搭板时的功率谱计算 对未设搭板时 过渡段沿道路走向长度 b 的路面不平度函数可近似表示为 3 x b ay sin 20 台阶高度 m a 采用 Matlab 语言编制的程序对不同台阶高度下的路面不平度函数进行计 算机处理 计算得到位移功率谱密度 结果如表 3 5 所示 表中还列出了与路 面不平度分级标准对应的过渡段路面不平度等级 从表中可以看到 随着台阶 高度的增加 位移功率谱密度逐渐增大 表 3 5 不同台阶高度下对应的功率谱密度 序号台阶高度 cm 位移功率谱 10 36 0 mnGq 路面不平度等级 11120C 22470C 331080D 441870D 553000E 图 3 10 至图 3 12 分别为台阶高度为 1cm 2cm 和 3cm 时的位移功率谱密 度曲线 横轴为空间频率的对数坐标 纵轴为位移功率谱密度 从图中可以看 到 1 这些不同台阶高度下的路面功率谱密度曲线具有相同的形式 2 台阶高度越大 相应的功率谱密度也越大 0 1 2 0 4 6 8 1 2 4 6 8 2 m 3 图 3 10 台阶高度为 1cm 时的功率谱密度曲线 0 1 2 0 1 2 4 5 6 7 8 m 3 图 3 11 台阶高度为 2cm 时的功率谱密度曲线 0 1 2 0 4 6 8 1 2 4 6 8 m 3 图 3 12 台阶高度为 3cm 时的功率谱密度曲线 2 3 3 过渡段沉降差异对行车舒适性的影响评价 1 评价指标的计算步骤 当把汽车振动系统近似为线性系统时 通过前面的分析 由式 3 12 可 以得到 车辆 人体 座椅 系统中人体的垂直加速度响应谱可以由下式计算出 3 2 fGfHfG q qp p 19 式中 为路面输入的速度功率谱 fG q 将 3 10 式代入式 3 19 可以得到人体垂直加速度功率谱为 3 qp qp fHnvGnfG 2 0 2 0 2 4 20 将加速度功率谱对频率积分可以求得人体垂直加速度均方值为 3 dffHnvGndffG qp qpp 2 0 0 2 0 2 0 2 4 21 将 1 80Hz 频率范围划成 20 个 1 3 倍频带 则第 j 个 1 3 倍频带上人体振 动加速度均方根值为 3 22 2 1 uj ij j f f pp dffG 式中 中心频率为 fj j 1 2 3 20 个 1 3 倍频带加速度均方根 j p 值 m s2 分别是 1 3 倍频带的中心频带为 fj的下 上限频率 见表 3 6 ujij ff Hz 然后 再按式 3 23 计算 w a 3 23 2 1 20 1 2 j pjw j wa 表 3 6 1 3 倍频带的上下限频率及其加权系数 1 3 倍频带中心频率 Hzf j 下限频率 Hzfij上限频率 Hzfuj加权系数 j w 10 91 120 5 1 251 121 40 56 1 61 41 80 63 2 01 82 240 71 2 52 242 80 80 3 152 83 550 90 4 03 554 51 00 5 04 55 61 00 6 35 67 11 00 8 07 191 00 10 0911 20 80 12 511 2140 63 16 014180 50 20 01822 40 40 25 022 4280 315 31 52835 50 25 40 035 5450 20 50 045560 16 63 056710 125 80 071900 10 2 计算结果分析 通过计算可以得到不同沉降差异下的人体垂直加权加速度均方根 并结合 表 3 1 可以得到不同情况下人体的主观感受 见表 3 7 和 3 8 从表 3 7 中可 以看出 设搭板的情况下 当台背的纵坡差大于 0 3 时 人体的主观感觉是 不舒适或极不舒适 从表 3 8 中可以看到 不设搭板的情况下 当台背形成的 台阶高差大于 2cm 时 人体的主观感受是不舒适或极不舒适 表 3 7 不同纵坡差下的加速度均方根值和人的主观感觉 设搭板 序号纵坡差 加权加速度均方 根值 aw 人的主观感受路面不平度等级 10 1 0 267 保持舒适 B 20 2 0 547 稍不舒适 C 30 3 0 809 相当不舒适 D 40 4 1 100 不舒适 D 50 5 1 3