传统混凝土路面破损程度对车辆动荷载的影响

朱 俊

(宁夏铁发人力资源服务有限公司，宁夏银川 750003)

我国道路交通网络越来越广泛，但是随之而来的是道路病害范围和程度也越来越广，混凝土路面常见的病害类型有错台和凹坑等[1-2]，这对车辆的行车安全和舒适性都将产生不利的影响，加之车辆的增加和超载车辆的违规行驶，导致上述路面病害的加剧发生，严重降低路面的使用寿命。

在以往车辆动力荷载与路面系统之间关系研究中，众多学者以沥青路面为研究对象，从不同方向进行了研究，伊学智[3]从线性和非线性2个角度考虑车辆是否超载对沥青路面的弯沉幅度的影响，得出了车辆荷载与弯沉幅度成幂指数函数关系的结论；有学者[4-6]通过数值模拟软件，以实际工程为背景建立三维模型，研究了路面结构、路面材料以及车辆荷载等级与路面不同层级的动力响应关系。还有学者以混凝土路面为研究对象，以数值模拟和数据统计等研究手段，研究了路面结构和荷载作用形式对路面动力响应的影响[7-9]。还有部分学者研究了动荷载作用下路面的寿命预测[10-11]。

虽然目前沥青混凝土的应用范围越来越广，但是混凝土还是具有强度高和抗腐蚀性能强等诸多优点，在部分工程中仍然在使用。本文以错台模型模拟道路破损，通过ADAMS数值模拟软件建立车辆动力学模型，研究混凝土路面的破损程度对于车辆动荷载的影响，对于行车安全性和舒适性具有重要的理论意义。

1 模型建立及分析

1.1 模型建立

四自由度的车辆在不平整的道路上行驶时，其振动模型能更好地反映前后轮的振动情况，因此，本文的研究对象是福田欧马可S5双轴车。根据相关定义，混凝土路面的衔接缝出现大于5mm的路面差即可定义为错台，示意图如图1所示。

图1 路面错台示意

1.2 错台对动荷载的分析

重型车辆在水泥路面上行驶时，其动荷载变化趋势一般以稳态均值为基准随机波动，主要变化参数是幅度和频率。以动荷载系数为研究指标，函数关系式为式(1)。

(1)

式中：PD为轮胎振动时相对路面的动荷载，kN；Pd为轮胎静止时相对路面的静荷载，kN。

当路面不平整，即存在错台时，车辆前后轮经过错台存在时间差，且轴距不同，时间差也存在差距，经过相关推导，得到前后车轮动荷载系数为：

(2)

(3)

式中：Dq为前车轮动荷载系数，Dh为后车轮动荷载系数，Pad和Pbd分别为前后轮相对地面的静荷载(kN)；P1和P2分别为前后轮相对地面的动荷载(kN)；m1、m2和m3分别为车辆、前轮和后轮重量(kg)；a和b分别为前后轮距离轴心的距离(mm)；d为轴距(mm)；g为重力加速度。

2 错台对车辆动荷载影响分析

2.1 不同错台高度对前后轮动荷载影响

由于研究的车辆前轮为单轮胎结构，后轮为双轮胎结构，因此需要对前后轮进行在不同错台高度下行驶时的动荷载研究，规定车辆为满载状态，车速设计为60km/h，错台高度以5mm为一个等级，一共设置6个不同高度的错台，仿真时间设置为10s，步长设置为800步，通过仿真得到的动荷载数据，可以得出不同错台高度与前后轮动荷载系数之间的关系，如图2所示。

从图2中可以看出，随着错台高度的增加，前后轮的动荷载系数变化趋势相似，即均是表现为不断增长的趋势，当错台高度从5mm增长到30mm时，前轮的动荷载系数从1.35增长至2.34，后轮的动荷载系数从1.20增长至1.98；在相同的错台高度情况下，前轮的动荷载系数均比后轮要高，这是因为即使货物的主要承载结构在车辆后部，但是后轮采用了双轮胎的结构，且后桥的承载能力远远高于前桥，因此能有效地减轻错台高度对车辆产生的振动影响。

从图2中还可以看出，当错台高度达到30mm时，汽车前轮的动荷载系数高达2.34，此时错台已经严重影响到了车辆的行驶过程中的安全及舒适性。同时由于力的相互作用效果，车辆所受的动荷载会反作用在路面上，从而使得路面受到较大的冲击力，间接地加剧了路面的破损程度和速度。

2.2 不同错台高度及车速对车辆动荷载影响

同理，通过仿真得到的动荷载数据，可以得出不同错台高度及车速与车辆动荷载系数之间的关系，如图3所示。从图中可以看出，当错台高度不变时，车辆的动荷载系数会随着行驶速度增加，且当错台高度不大于10mm时，随着车速增加，但是车辆动荷载系数增大的幅度较小，说明错台较小时对车辆的行驶安全性和舒适性影响较小。

图3 车辆动荷载系数与错台高度及车速关系曲线

从图3中还可以看出，当错台高度为10～20mm区间时，随着汽车行驶速度的提高，汽车动荷载系数的变化最大；当错台高度为25mm和30mm时，车辆的行驶速度达到100km/h，车辆的动荷载系数分别为2.63和2.65，相差极小，说明当错台的高度增加至一定量时，在一定的车速下，车辆的动荷载系数变化不太明显。

2.3 不同错台高度及载重对车辆动荷载影响

同理，通过仿真得到的动荷载数据，可以得出不同错台高度及载重与车辆动荷载系数之间的关系，如图4所示。从图中可以看出，当错台高度一定时，车辆的动荷载系数随着车辆的载重增加而减小，且当错台高度小于等于10mm时，载重的增加导致车辆动荷载系数减小的幅度较小，说明错台较小时对车辆的行驶安全性和舒适性影响较小。从图中还可以看出，当车辆的载重超过200kN时，即属于超载状态下，车辆的动荷载系数有显著降低的趋势。

图4 车辆动荷载系数与错台高度及载重关系曲线

从图4中还可以看出，当错台高度为10～30mm区间时，随着车辆载重的增加，车辆的动荷载系数变化幅度有明显的增大趋势；当错台高度为30mm时，车辆的载重从80kN增大到250kN时，车辆的动荷载系数分别为2.55和1.98。且在载重不变的情况下，随着错台高度的增加，车辆的动荷载系数显著增加。

3 结论

本文以错台模型模拟道路破损，通过ADAMS数值模拟软件建立车辆动力学模型，研究了错台路面与重载车辆动荷载系数的关系，得到结论：

(1)车辆动荷载系数与错台高度基本呈线性增长关系。当错台高度达到30mm时，动荷载最大系数高达2.34，严重影响车辆行驶安全性和舒适性，同时力的相互作用导致路面错台的破损程度。

(2)错台高度一定时，车辆动荷载系数与车速成正比；当错台达到一定值时，车速对车辆动荷载系数影响较小，错台高度成车辆动荷载系数主要影响因素。

(3)错台高度一定时，车辆动荷载系数与载重成反比，且在车辆超载时，动荷载系数有显著降低的趋势。