货车对不平整路面的动荷载分析

魏连雨，杨政龙，李思倩

(河北工业大学 土木工程学院，天津 300401)

随着中大型货车比例的不断增加，且车辆超载现象越来越严重，由路面不平度所引起的不同速度下的动态荷载成为了道路使用性能和寿命所必须考虑的因素之一。笔者采用多层弹性路面结构，采用有限元法对车辆动荷载及路面结构力学响应规律进行了模拟研究[1]。

1 动荷载试验介绍

本次试验在G307公路沧州崔尔庄段进行，动荷载称重仪器采用SM2000C动态称重仪，该仪器主要由道路称板和内部采集输出设备两部分组成。

试验车选用的是同型号三轴货车在满载(30 t)和超载(42 t)状态下不同车速的动荷载情况，每次试验车运行都是在单车道均匀车速通过动态称重仪称板，且在试验前已经通过试验车对动态称重仪进行了标定设置，数据为实际车辆对路面的荷载作用值，采集的具体试验数据如表1。

表1 动荷载试验数据

2 动荷载有限元模拟

2.1 荷载模型及参数

采用连续的半波正弦曲线作为动力加载函数来模拟实际汽车荷载，其表达式为[2-6]：

P(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中：P0为车辆静载，取车辆单边轮载，kN；P为振动荷载幅值，P=M0μω2[M0为车辆模型簧下质量，ω为振动圆频率，ω=2πv/L，v为车速，L为路面几何曲线波长；μ为路面几何不平顺失高(按国际高速公路平整度指数取值)]。

满载30 t(超载42 t)三轴货车其具体荷载计算参数如表2。

表2 荷载计算参数

2.2 有限元模型参数

基于弹性层状体系理论，对沧州市典型省道路面结构进行模拟分析，路面结构和相应材料参数如表3。

表3 路面结构材料参数

2.3 模型的建立

经过多次调试比较后，在保证计算精度的基础上，确定了三维模型的大小尺寸分别为长(Z方向)8 m、宽(X方向)8 m、高(Y方向)5 m[7]；车速取现场试验车所测实际车辆速度；单侧双轮轮胎当量接触[8]为0.24 m2，轮胎接地压力[9]为0.7 MPa；平整度为现场所测实际道路平整度值15 mm/3 m，具体路面有限元结构模型如图3。

图3 路面结构模型Fig.3 Pavement structure model

平整度按照国际平整度指数IRI来表示，根据道路表面形状和缺陷(凹陷、搓板和坑槽)，行驶感觉(可感受到的起伏不平和剧烈运动)和行驶速度(在干燥和直路上无交通拥挤状况下通常可行驶的速度)对路面做出了相应的平整度等级如表4。

表4 平整度等级

3 模拟结果分析

3.1 试验车模拟结果及分析

通过对30 t和42 t试验车与路面力学响应模拟得到相应的路面正压力值，并换算成车辆动荷载值与SM2000C动态称重仪所测现场数据进行匹配分析。图4(a)为30 t试验车模拟动荷载与实际检测数据匹配；图4(b)为42 t试验车模拟动荷载与实际检测数据匹配。

图4 试验车动荷载Fig.4 Dynamic load of testing car

由图4可知，模拟与实测数据基本吻合，文中有限元模型可以很准确的模拟实际货车行驶时对道路的动荷载情况。对于不同车速下动荷载的变化情况，30 t试验车动荷载在20 km/h之前是随着车速增大而增长的，在其之后随着速度增大动荷载基本保持一定范围内的速率降低的趋势，动荷载总共降低了约24.8%；42 t超载试验车在27 km/h之前和36 km/h之后动荷载经历了多次增减起伏，表现较为不稳定，但动荷载在整体上是随着速度增大而起伏减小的，动荷载总共降低了约7%。由此可以看到，超载车对路面的动荷载随着速度的变化比满载车要不稳定的多，且降低的比例要小，必然对路面造成的破坏作用要大。

3.2 平整度影响模拟分析

对试验道路固定平整度(15 mm/3 m)下的模拟分析，现按照前面介绍的平整度等级不断改变道路的平整度，分析42 t超载试验车在不同平整度情况道路上行驶时的动荷载变化情况，具体动荷载随着平整度等级的变化如图5。

图5 平整度影响下动荷载变化情况Fig.5 Dynamic load changes under the influence of flatness

由图6可以得到各平整度等级下的动荷载变化情况有明显不同。各个平整度下动荷载随着速度的增大都还保持着原有的增减起伏特点，但当平整度大于40 mm以后，当速度增大到36 km/h之后，动荷载从原来的降低趋势变为了增长，且随着平整度的增长，其动荷载增长趋势越来越大，以至于其值开始高于较低速度时的峰值。由此可以看到平整度对于货车对道路的动荷载变化作用效果很大，平整度越好的道路同样车况下对道路的破坏作用较小，随着平整度的变差，对路面的破坏也就慢慢变大，由原来的速度越大荷载作用越小变为速度越大荷载作用越大的情况，所以保持道路平整度平顺是很有必要的。

4 结 论

1)采用的动力曲线函数和路面有限元模型可以很好的模拟实际货车对路面的动荷载作用情况。对于同一路面平整度下，满载车随着速度的增大处于匀势的下降；而超载车随着速度的增大不断的出现增减起伏的不稳定趋势，这就造成较未超载车在较高速度时产生相对更大的动荷载作用，对路面产生更大的破坏。所以严格控制车辆超载对于保护路面寿命是很有必要的。

2)对于超载车在不同平整度等级道路下的动荷载变化可以看到随着平整度的变差，货车动荷载起初随着速度的增大变化趋势基本一致，但当增大到36 km/h之后随着速度增大，平整度差的道路所产生的动荷载开始变为主要的快速的增大趋势，以反较好平整度下动荷载为整体下降的趋势，而变为随车速增大不断增长的情况。因此，道路的平整程度对于车辆对路面动荷载作用大小有很大的影响，特别是在高速情况下，不同平整度等级下差别很大，在道路建设时应更加重视路面平整程度，以延长道路使用寿命和车辆行驶舒适程度。

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