随机荷载作用下柔性路面结构及路基动力响应研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.2 国内外研究现状及文献综述
• 1.2.1 车辆动力荷载特性研究现状
• 1.2.2 路基路面动力响应及数值模拟研究现状
• 1.2.3 路基路面动力试验研究现状
• 1.3 本课题的主要研究内容
• 第二章 路面表面特性分析
• 2.1 引言
• 2.2 路面不平度的定义及测量
• 2.2.1 路面不平度的定义
• 2.2.2 路面不平度的测量
• 2.2.3 路面不平度分析方法
• 2.3 路面不平度数值计算函数
• 2.4 不平整度时域模型
• 2.5 不平整度PSD（频域模型）
• 2.5.1 不平整度数学模型
• 2.5.2 不平整度PSD研究现状
• 2.5.3 不平整度PSD函数分析
• 2.5.4 高速公路路面不平度PSD特性
• 2.6 本章小结
• 第三章 车/路系统的激励特性及随机动荷载分析
• 3.1 引言
• 3.2 随机振动的统计特性
• 3.2.1 随机振动的数学说明
• 3.2.2 随机振动的时域分析
• 3.2.3 随机振动的频域分析
• 3.3 路面激励及随机动荷载
• 3.3.1 路面激励特性及PSD矩阵
• 3.3.2 车辆动力分析模型
• 3.3.3 作用于路面结构的随机动荷载
• 3.4 车辆随机动荷载数值模拟
• 3.4.1 数值模拟基本参数
• 3.4.2 数值模拟程序
• 3.4.3 数值模拟结果分析
• 3.5 本章小结
• 第四章 车/路系统的动力相互作用研究
• 4.1 引言
• 4.2 地基模型及基本假设
• 4.3 荷载作用模型
• 4.4 多层粘弹性半空间动力响应—解析法
• 4.4.1 传递矩阵解法
• 4.4.2 路基路面材料粘弹性模型
• 4.4.3 传递矩阵在多层粘弹性体系中的应用
• 4.5 多层粘弹性半空间动力有限元—数值法
• 4.5.1 动力平衡方程
• 4.5.2 质量矩阵和阻尼矩阵
• 4.5.3 边界条件
• 4.5.4 动力平衡方程的求解
• 4.5.5 收敛问题和时间步长
• 4.6 本章小结
• 第五章 随机荷载下路基路面动力响应三维有限元分析
• 5.1 引言
• 5.2 有限元计算模型及参数选取
• 5.2.1 模型建立
• 5.2.2 荷载模式
• 5.2.3 参数选取
• 5.3 单轮组动载作用下柔性路基路面动态响应分析
• 5.3.1 动载作用下的动位移
• 5.3.2 动载作用下的动应力
• 5.3.3 动载作用下的动应变
• 5.3.4 动载作用下的剪应力
• 5.3.5 考虑车辆侧向力和切向力的动态响应模拟
• 5.4 四轮组动载作用下柔性路基路面的动态响应模拟
• 5.4.1 车辆模型及输入方式
• 5.4.2 模拟结果分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 路基路面结构动态响应试验研究
• 6.1 引言
• 6.2 试验工点概况
• 6.2.1 常（德）—张（家界）公路概况
• 6.2.2 试验工点地基及各结构层形式
• 6.2.3 测试仪器及动态传感器的布设
• 6.2.4 试验车辆及试验设计安排
• 6.3 路基路面动态响应试验结果及分析
• 6.3.1 面层底部动应变特性分析
• 6.3.2 路基及基层动应力响应分析
• 6.3.3 车辆速度与车辆载重共同作用下的动态响应
• 6.4 数值结果与试验结果对比研究
• 6.4.1 动应变数值模拟解与实测结果对比
• 6.4.2 动应力数值模拟解与实测结果对比
• 6.4.3 对比结果分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 结论及建议
• 7.1 本文主要研究成果和结论
• 7.2 存在的不足及有待进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间的主要研究成果