随机荷载作用下柔性路面结构及路基动力响应研究

随着公路交通车辆向大型、重型化的发展，超载超限现象非常突出。利用静力法或拟静力法设计的高速公路路面越来越难以满足服务要求，对车辆与路基路面结构相互动力作用机理的深入研究势在必行。本文以柔性路基路面为研究对象，将车辆和路基路面视为协调统一系统，针对目前高速公路重型车辆与路面之间相互动力作用研究中的一些热点和难点问题(如路面表面状况的描述和表达、随机动态荷载的描述和确定、路基路面动态响应的获取)进行了较为深入的理论分析和试验研究，主要研究内容如下： 1．从车辆振动的随机激励源—路面的表面特性入手，利用频域分析法对路面不平度的随机功率谱密度函数(PSD)进行了推导，着重分析了高速公路路面不平度PSD的特点和规律，认为在路面随机不平度激励下产生的车辆动荷载为时空都在变化的随机荷载。在此基础上，考虑轮胎阻尼作用，采用四分之一车辆动力分析模型，编制Matlab程序对行驶于不平整路面上的车辆随机动荷载进行了数值模拟，在时域内给出了动力车辆模型在任意车速下的随机动荷载时程曲线，并探讨了车辆随机动荷载与路面激振频率、车速、路面波长、路面标准波数谱密度之间的关系，明确了车辆对路面随机激励输入的特性和规律。 2．针对柔性路基路面的基本物理力学特性，在现有研究成果的基础上，借助层状体系理论，采用传递函数矩阵法，通过Fourier积分变换和Laplace积分变换，推导并给出了多层粘弹性体系在移动简谐冲击荷载作用下动力方程的解析解。考虑到解析的实际困难，提出基于ANSYS的粘弹性动力有限元数值法作为对多层体系动力响应进行求解的新途径。 3．根据柔性路基路面多层粘弹性体系假设，建立了柔性路基路面结构三维动力有限元模型，成功地将ANSYS大型有限元分析软件应用于车辆与路基路面相互动力作用的研究中，模拟并探讨了路基路面结构在单轮组车辆荷载(包括考虑车辆侧向力和切向力的三向荷载)作用下的动态响应(主要包括动位移、动正应力、动剪应力、动应变等)及其影响因素，阐明了柔性路基路面在车辆动荷载作用下的疲劳损伤破坏规律和机理。 4．成功地在常(德)张(家界)新建高速公路上进行了重型车辆荷载作用下柔性路基路面各结构层动态响应的试验研究。考察了车辆载重、车速、车道因素对路基路面的动态响应规律的影响，分析了动态响应的频谱特性和功率谱特性，并与路面不平度激励特性进行了比照，研究表明路面激励、车辆振动、荷载输入、路基路面动态响应具有相互依存的因果关系。通过二次回归正交法，建立了路基路面动态响应与车速、动荷载、荷载二次效应及车速荷载交互作用的数学模型，确立了各因素对路面结构服务能力下降及损伤破坏的影响强度。 5．建立反映实际试验车辆特性的二分之一动力卡车模型，采用正规型方法对所建车辆模型的动力方程进行了求解。通过在ANSYS三维模型中输入四轮组荷载模拟路基路面动态响应，将数值模拟结果与现场实测值(动应变及动应力)进行了对比研究，数值解与实测值比较吻合，说明本文所建立粘弹性三维有限元模型合理可信。