路桥过渡段差异沉降控制标准与人车路相互作用

论文摘要

目前,桥头跳车已成为高速公路运营中迫切需要解决的世界性难题。桥头跳车直接影响行车速度,也影响行车的安全性和舒适性,是公路运营中的通病。而现有的路桥过渡段段差异沉降控制标准与交通荷载下路桥过渡段路面的计算模型和计算方法,不能对桥头跳车问题进行全面描述和合理解释。因而本文从人车路相互作用确定了基于行驶舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准和路桥过渡段路面车辆动荷载计算标准,并分析了车辆动荷载作用下路桥过渡段路面的响应特性。本文首先对路桥过渡段工后沉降的实际调查结果和理论计算结果进行比较分析,采用指数型曲线作为路桥过渡段纵断面沉降曲线,并建立了路桥过渡段路面不平整时域模型,为人车路的相互作用分析和路桥过渡段差异沉降控制标准的确定提供理论基础。其次对常见的人体承受全身振动的评价方法及行驶舒适性评价标准进行分析,选取人体加权加速度均方根值作为车辆通过路桥过渡段的行驶舒适性振动评价指标,此指标用来判断桥头跳车的严重程度。接着根据车辆垂向振动模型的对比分析将车辆简化为五自由度体系,从车辆动力学和路面动力学的角度分析了人车路相互作用的机理,建立了人车路系统垂向振动模型,采用谐波叠加法计算得到了人体加权加速度均方根值,这个过程应用MATLAB软件编制了相应的计算程序。同时分析了各关键因素对行驶舒适性的影响规律,提出了能综合考虑多因素的路桥过渡段差异沉降舒适性控制标准,该标准与路桥过渡段差异沉降结构性控制标准、张洪亮方法、PSI法和实测结果吻合都很好。然后针对现行路桥过渡段路面的车辆荷载计算标准存在的问题,从人车路相互作用,分析了各关键因素对桥头车辆动荷载的影响,计算了行驶车辆作用于路桥过渡段路面的车辆附加动荷载和动荷载系数,得到了不同路面等级的最大动荷载系数取值标准,并给出了相应的数值实现方法,以此为基础编制了相应的计算程序。最后建立了移动矩形车辆荷载作用下的路桥过渡段路面的计算模型,利用场域转换分析法和ABAQUS有限元软件进行车辆动荷载作用下路桥过渡段路面的响应分析,主要分析了车载、车速和阻尼比对路桥过渡段路面变形和受力的影响。基于计算分析结果,给出了移动荷载作用下路桥过渡段路面病害机理的合理解释,并提出了相关的建议。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 概述
• 1.1 路桥过渡段差异沉降的原因和对策
• 1.1.1 路桥过渡段差异沉降产生的原因分析
• 1.1.2 路桥过渡段差异沉降的危害
• 1.1.3 路桥过渡段差异沉降处理措施
• 1.1.4 路桥过渡段差异沉降控制标准
• 1.2 人车路相互作用
• 1.2.1 路面不平整模型
• 1.2.2 人的振动反应
• 1.2.3 车辆动荷载的研究
• 1.2.4 动荷载作用下的路面结构分析
• 1.3 本文的主要目的与研究内容
• 1.3.1 主要目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 第二章 人车路系统垂向振动分析模型及行驶舒适性评价标准
• 2.1 路面不平整模型
• 2.1.1 路桥过渡段差异沉降特性测试
• 2.1.2 路桥过渡段路面沉降变形的理论计算
• 2.1.3 路桥过渡段路面不平整模型的确定
• 2.1.4 参数的选取
• 2.2 车辆垂向振动分析模型
• 2.2.1 车辆振动模型的简化
• 2.2.2 车辆垂向振动的力学模拟
• 2.3 行驶舒适性的评价标准
• 2.3.1 路－车－座椅－人体振动系统
• 2.3.2 人体承受全身振动的评价方法
• 2.3.3 ISO 2631-1-1997 振动标准
• 2.3.4 路桥过渡段路面的行驶舒适性评价标准
• 2.4 本章小结
• 第三章 基于行驶舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准
• 3.1 人车路系统垂向振动方程及求解过程
• 3.1.1 相关的数学理论
• 3.1.2 行驶过程中的振动方程
• 3.1.3 车辆振动系统的固有频率
• 3.1.4 人体瞬时加速度的计算
• 3.1.5 人体加权加速度均方根值的计算
• 3.1.6 程序的编制
• 3.2 路桥过渡段路面的行驶舒适性数值分析
• 3.2.1 车辆基本计算参数
• 3.2.2 算例分析
• 3.2.3 行驶舒适性的影响因素分析
• 3.3 路桥过渡段的差异沉降控制标准
• 3.3.1 基于行驶舒适性的路桥过渡段差异沉降控制标准
• 3.3.2 对比分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 行驶车辆作用于路桥过渡段路面的动荷载计算
• 4.1 现行路桥过渡段路面的荷载计算标准
• 4.2 车辆动荷载的特性
• 4.3 桥头车辆动荷载分析
• 4.3.1 车辆附加动荷载的计算过程
• 4.3.2 动荷载评价指标
• 4.3.3 程序的编制
• 4.3.4 数值算例
• 4.4 车辆动荷载的影响因素分析
• 4.4.1 轴距的影响
• 4.4.2 车载的影响
• 4.4.3 车速的影响
• 4.4.4 路桥过渡段沉降区段长度
• 4.4.5 路桥过渡段的差异沉降量
• 4.5 动荷载系数的取值
• 4.6 本章小结
• 第五章 车辆动荷载作用下路桥过渡段路面的响应
• 5.1 车轮与路面接触轮迹的确定
• 5.2 水泥混凝土路面板在车辆动荷载作用下的解析解
• 5.2.1 数学模型
• 5.2.2 场域转换分析方法
• 5.2.3 移动矩形荷载下的响应
• 5.2.4 简单验证
• 5.2.5 数值算例
• 5.2.6 参数的敏感性分析
• 5.3 车辆动荷载作用下沥青混凝土路面响应的有限元分析方法
• 5.3.1 层状路面体系的基本假设
• 5.3.2 软件的选用
• 5.3.3 路桥过渡段有限元计算模型的建立
• 5.3.4 边界条件的确定
• 5.3.5 移动载荷的施加
• 5.3.6 材料特性及参数确定
• 5.3.7 ABAQUS 分析过程
• 5.3.8 路桥过渡段的变形和受力特性分析
• 5.3.9 参数影响分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 6.3 进一步研究的建议
• 致谢
• 主要参考文献
• 攻博期间发表的学术论文