蘇曼曼, 張洪亮

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院, 河北 石家莊 050043; 2. 長(zhǎng)安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 陜西 西安 710064)

橋臺(tái)與引道之間的差異沉降是引起路橋過(guò)渡段不平整的主要原因,不平整的橋頭會(huì)影響行車的舒適性與安全性,加劇橋頭損壞,增大維修費(fèi)用.在路橋過(guò)渡段設(shè)計(jì)與施工中雖然采取諸多方法對(duì)該段路基進(jìn)行加固與支撐[1-3],但差異沉降仍然不可避免.對(duì)橋頭容許差異沉降的研究是預(yù)防跳車的關(guān)鍵,為確定容許差異沉降值,國(guó)內(nèi)外對(duì)橋頭乘坐舒適性進(jìn)行了很多現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究.對(duì)于不設(shè)搭板的路橋過(guò)渡段,文獻(xiàn)[4]認(rèn)為錯(cuò)臺(tái)高度達(dá)到1.2 cm時(shí)會(huì)產(chǎn)生跳車;文獻(xiàn)[5]認(rèn)為當(dāng)車輛以高于100 km·h-1的車速通過(guò)錯(cuò)臺(tái)高度為2 cm的橋頭時(shí),會(huì)產(chǎn)生明顯的跳車感覺(jué);文獻(xiàn)[6-7]認(rèn)為錯(cuò)臺(tái)高度低于1.5 cm時(shí)對(duì)行車舒適性無(wú)影響.當(dāng)橋頭設(shè)有搭板時(shí),文獻(xiàn)[4]認(rèn)為搭板縱坡值低于0.5%時(shí)不影響乘車舒適性;文獻(xiàn)[8]認(rèn)為0.8%可作為簡(jiǎn)支跨橋梁搭板縱坡容許變化值;文獻(xiàn)[9]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)提出高速公路橋頭搭板容許縱坡變化值不宜大于0.5%.

綜上可知,不同學(xué)者提出的容許差異沉降值并不一致,主要原因[10-12]如下: ① 橋頭振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)不合理、不一致,如果采用加速度加權(quán)均方根值作為評(píng)價(jià)指標(biāo),車輛經(jīng)過(guò)橋頭時(shí)振動(dòng)波形系數(shù)較大,屬于典型的瞬態(tài)振動(dòng),因此采用該值會(huì)低估振動(dòng)的影響; ② 不同試驗(yàn)人員舒適性感受不同,容許差異沉降受試驗(yàn)人員主觀影響較大;③ 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí),試驗(yàn)車輛的車速難以準(zhǔn)確控制.

鑒于此,有學(xué)者采用理論法進(jìn)行了相關(guān)研究.文獻(xiàn)[13]通過(guò)五自由度車輛模型研究了路橋過(guò)渡段的差異沉降.文獻(xiàn)[14]通過(guò)三自由度車輛模型,研究車輛通過(guò)橋頭的振動(dòng),并提出采用最大瞬態(tài)振動(dòng)值(MTVV)作為橋頭跳車的振動(dòng)評(píng)價(jià)指標(biāo)較為合理.但文獻(xiàn)[14]未對(duì)MTVV進(jìn)行分級(jí),故如何對(duì)MTVV進(jìn)行分級(jí)有待進(jìn)一步研究.而且理論法建立車輛模型通常將車輛輪胎簡(jiǎn)化成一個(gè)阻尼為0的彈簧,忽略了實(shí)際輪胎阻尼對(duì)振動(dòng)的影響;現(xiàn)有的三、五自由度車輛模型均無(wú)法考慮車輛的側(cè)傾與轉(zhuǎn)動(dòng),這與實(shí)際不符[15],有必要構(gòu)建整車模型進(jìn)行相關(guān)研究.筆者前期已構(gòu)建整車模型,并對(duì)普通瀝青路面平整度進(jìn)行了研究,結(jié)果表明采用整車模型進(jìn)行平整度的評(píng)價(jià)更合理[16].

為此,針對(duì)利用理論法與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)法研究路橋過(guò)渡段的缺陷,本研究提出采用整車模型仿真法對(duì)路橋過(guò)渡段平整度的振動(dòng)舒適性進(jìn)行研究.

1 人-車-路相互作用仿真

采用ISO 2631-1:1997《機(jī)械振動(dòng)與沖擊:人體暴露于全身振動(dòng)的評(píng)價(jià)》提出的輔助評(píng)價(jià)方法中的最大瞬態(tài)振動(dòng)值(MTVV)作為振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)指標(biāo),進(jìn)行路橋過(guò)渡段人體舒適性的評(píng)價(jià).MTVV計(jì)算公式為

(1)

式中:aw(t)為瞬時(shí)頻率加權(quán)加速度幅值,m·s-2;τ為持續(xù)平均積分時(shí)間,s;t為積分變量時(shí)間,s;t0為瞬時(shí)時(shí)間,s.

利用Carsim建立整車模型和路橋過(guò)渡段模型,進(jìn)行人-車-路相互作用仿真.

1.1 整車車輛模型

采用桑塔納3000作為仿真試驗(yàn)車,以Carsim軟件中E-class車輛作為基礎(chǔ)模型,通過(guò)設(shè)定輪胎、轉(zhuǎn)向系和懸架等參數(shù)建立整車模型.車輛部分參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 車輛模型參數(shù)

1.2 路橋過(guò)渡段模型

① 設(shè)有搭板的路橋過(guò)渡段，選擇6,8,10和12 m作為搭板長(zhǎng)度進(jìn)行模擬工況設(shè)計(jì),每種搭板長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)6個(gè)縱坡變化值,即0.001,0.002,0.004,0.006,0.008和0.010.② 不設(shè)搭板的路橋過(guò)渡段，選擇錯(cuò)臺(tái)臺(tái)階高度分別為1,2,3,4,5和6 cm.根據(jù)設(shè)定的路橋過(guò)渡段模擬工況,利用Carsim軟件中道路模塊建立道路模型.將加速度傳感器設(shè)置于主駕座椅,調(diào)用不同工況建立的路橋過(guò)渡段道路文件,分別以60,80,100和120 km·h-1的車速對(duì)每個(gè)路橋過(guò)渡段工況進(jìn)行人-車-路相互作用模擬仿真,如圖1所示,并采集實(shí)時(shí)座椅加速度數(shù)據(jù).

圖1 人-車-路相互作用模擬仿真

圖2為仿真車輛80 km·h-1車速通過(guò)搭板長(zhǎng)度8 m、縱坡變化值0.6%的路橋過(guò)渡段的座椅垂向加速度數(shù)據(jù).圖3為臺(tái)階高度1 cm的路橋過(guò)渡段的座椅垂向加速度數(shù)據(jù).

圖2 搭板長(zhǎng)度8 m、縱坡變化值0.6%工況模擬結(jié)果

圖3 臺(tái)階高度為1 cm工況模擬結(jié)果

2 仿真結(jié)果分析

2.1 設(shè)有搭板的路橋過(guò)渡段

車輛駛過(guò)設(shè)有搭板的橋頭時(shí),瞬間振動(dòng)時(shí)間t0為

(2)

式中:L為搭板長(zhǎng)度,m;l為車輛軸距,m;v為車輛通過(guò)過(guò)渡段的車速,km·h-1.

根據(jù)不同工況下仿真得到的加速度數(shù)據(jù),參照式(1)計(jì)算最大瞬態(tài)振動(dòng)值MTVV,繪制MTVV變化曲線圖，如圖4-7所示,進(jìn)而分析搭板長(zhǎng)度、縱坡變化值和車速對(duì)MTVV的影響.

圖4 L=6 m時(shí)MTVV變化規(guī)律

圖5 L=8 m時(shí)MTVV變化規(guī)律

圖6 L=10 m時(shí)MTVV變化規(guī)律

圖7 L=12 m時(shí)MTVV變化規(guī)律

1) 搭板縱坡變化值的影響.仿真車輛以不同車速駛過(guò)不同長(zhǎng)度搭板的路橋過(guò)渡段時(shí),由搭板縱坡變化值引起的MTVV變化規(guī)律基本一致;當(dāng)搭板縱坡變化值小于0.4%時(shí),以同一車速通過(guò)不同搭板長(zhǎng)度引起的MTVV值相差較小,當(dāng)縱坡變化值高于0.4%時(shí),MTVV值相差逐漸變大.

2) 車速v的影響.對(duì)于同一搭板長(zhǎng)度的路橋過(guò)渡段,當(dāng)v<80 km·h-1時(shí),MTVV隨搭板縱坡變化值的增長(zhǎng)幅度緩慢;當(dāng)v>80 km·h-1時(shí),MTVV增長(zhǎng)幅度提高.可見(jiàn),MTVV值對(duì)大于80 km·h-1的車速更為敏感.

3) 搭板長(zhǎng)度L的影響.圖8為搭板縱坡變化值為0.4%時(shí)不同搭板長(zhǎng)度下MTVV變化曲線.顯然,隨著L的增加,不同車速下的MTVV值都會(huì)增長(zhǎng),最大增長(zhǎng)幅度約為12%;同一速度下,車輛駛過(guò)L=10,12 m的橋頭引起的MTVV值較為接近.

圖8 縱坡變化值為0.4%時(shí)MTVV變化規(guī)律

2.2 不設(shè)搭板的路橋過(guò)渡段

車輛通過(guò)設(shè)有臺(tái)階的路橋過(guò)渡段時(shí),先確定車輛前輪接觸臺(tái)階時(shí)的時(shí)間點(diǎn),然后取該時(shí)間點(diǎn)向后0.2 s之內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)進(jìn)行處理.臺(tái)階高度與車速對(duì)最大瞬態(tài)振動(dòng)值MTVV的影響如圖9所示.

圖9 不同臺(tái)階高度下MTVV變化規(guī)律

1) 車速的影響.相同臺(tái)階高度下,當(dāng)車速由60 km·h-1增大到120 km·h-1,臺(tái)階高度為1～6 cm的MTVV分別增加了0.91～1.41倍;以v=80 km·h-1作為分界點(diǎn),當(dāng)v<80 km·h-1時(shí),MTVV隨臺(tái)階高度升高的增長(zhǎng)率相對(duì)較小,當(dāng)v>80 km·h-1時(shí)則增長(zhǎng)率變大.

2) 臺(tái)階高度的影響.同一行車速度下,當(dāng)臺(tái)階高度小于3 cm時(shí),MTVV隨著臺(tái)階高度的增高增長(zhǎng)緩慢;當(dāng)臺(tái)階高度高于3 cm后,每增加1 cm,則MTVV增加 33.6%～49.5%.可見(jiàn),臺(tái)階高于3 cm時(shí),對(duì)舒適性影響更強(qiáng)烈.

3 最大瞬態(tài)振動(dòng)值分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

以京港澳、鄭焦晉高速公路各路橋過(guò)渡段為試驗(yàn)地,對(duì)乘客通過(guò)不同橋頭的行駛舒適性進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查,為降低因個(gè)體主觀差異對(duì)舒適性調(diào)查的影響,隨機(jī)抽取不同年齡、職業(yè)的健康公眾人員參與小汽車以不同車速(60,80,100和120 km·h-1)駛過(guò)橋頭時(shí)的人體舒適性進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查.調(diào)查中將乘客舒適性分為A,B,C和D等4個(gè)等級(jí),每個(gè)等級(jí)對(duì)應(yīng)的分值如下:A表示舒適(行車平穩(wěn)無(wú)振動(dòng))為1分;B表示稍不舒適(有輕微振動(dòng))為3分;C表示不舒適(有振動(dòng))為5分;D表示很不舒適(有大幅振動(dòng))為7分.根據(jù)調(diào)查問(wèn)卷,統(tǒng)計(jì)不同車速下每個(gè)等級(jí)的人數(shù),并依據(jù)各舒適性等級(jí)所對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù),計(jì)算評(píng)分加權(quán)值μ.然后,根據(jù)每個(gè)橋頭的實(shí)際狀況結(jié)合模擬仿真結(jié)果,建立不同車速下人體舒適性評(píng)分與最大瞬態(tài)振動(dòng)值MTVV的相關(guān)性對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù).限于篇幅,僅提供車速分別為80,100 km·h-1的縱坡變化值、人體舒適性評(píng)分加權(quán)值與MTVV的對(duì)比表(見(jiàn)表2,3).

表2 車速為80 km·h-1時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)比表

根據(jù)不同車速、不同橋頭的人體舒適性評(píng)分加權(quán)值和MTVV數(shù)值,對(duì)二者的關(guān)系進(jìn)行數(shù)值擬合,如圖10所示.

表3 車速為100 km·h-1時(shí)對(duì)比表

圖10 舒適性評(píng)分加權(quán)值與MTVV值關(guān)系

結(jié)合圖10中的人體舒適性評(píng)分值與MTVV的相關(guān)關(guān)系式、不同舒適程度對(duì)應(yīng)的加權(quán)分值及ISO 2631-1:1997中對(duì)舒適性的劃分,制定了最大瞬態(tài)振動(dòng)值與人體舒適性感受對(duì)應(yīng)表(見(jiàn)表4).

表4 最大瞬態(tài)振動(dòng)值與人體舒適性感受對(duì)應(yīng)表

4 容許差異沉降

以人體出現(xiàn)不舒適感受的MTVV低限,作為路橋過(guò)渡段容許差異沉降量化值的界限值,結(jié)合路橋過(guò)渡段各工況仿真結(jié)果擬合式,反算路橋過(guò)渡段的容許縱坡變化值、不設(shè)搭板的路橋過(guò)渡段容許臺(tái)階高度,計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5,6.

表5 容許縱坡變化值

表6 容許臺(tái)階高度

5 平整度評(píng)價(jià)方法

1) 簡(jiǎn)單評(píng)估法.簡(jiǎn)單評(píng)估法的評(píng)價(jià)指標(biāo)為本研究提出的容許差異沉降值(見(jiàn)表5,6),評(píng)價(jià)路橋過(guò)渡段平整度時(shí),量取路橋過(guò)渡段差異沉降值,并與表5,6中的數(shù)值進(jìn)行比較即可,以舒適性程度來(lái)評(píng)判橋頭路面平整度是否需要維修.

2)仿真評(píng)價(jià)法.仿真評(píng)價(jià)方法以最大瞬態(tài)振動(dòng)值為平整度評(píng)價(jià)指標(biāo).步驟如下:以桑塔納3000為模擬試驗(yàn)車,利用Carsim軟件建立整車模型;實(shí)測(cè)路橋過(guò)渡段縱斷面高程,根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行路面建模;以設(shè)計(jì)車速進(jìn)行人-車-路相互作用模擬仿真;仿真結(jié)束,輸出座椅加速度數(shù)據(jù),計(jì)算MTVV;結(jié)合表4對(duì)測(cè)試的路橋過(guò)渡段平整度進(jìn)行評(píng)價(jià).

6 結(jié) 論

1) 車速、縱坡變化值和臺(tái)階高度為MTVV的主要影響因素,3個(gè)影響因素均存在分界點(diǎn),車速、縱坡變化值和臺(tái)階高度分界點(diǎn)分別為80 km·h-1,0.4%和3 cm.當(dāng)?shù)陀诜纸琰c(diǎn)時(shí),MTVV隨各因素的增大而緩慢增長(zhǎng);當(dāng)高于分界點(diǎn)時(shí),則增長(zhǎng)迅速.

2) 提出MTVV分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),分別針對(duì)設(shè)有搭板和不設(shè)搭板的路橋過(guò)渡段提出容許縱坡變化值、容許臺(tái)階高度.

3) 本研究以座椅作為振動(dòng)舒適性評(píng)價(jià)點(diǎn),進(jìn)行橋頭平整度的舒適性評(píng)價(jià),提出了簡(jiǎn)單評(píng)估法和仿真評(píng)價(jià)法兩種路橋過(guò)渡段平整度評(píng)價(jià)方法.

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