蘇曼曼, 張洪亮

(1. 石家莊鐵道大學(xué) 交通運輸學(xué)院, 河北 石家莊 050043; 2. 長安大學(xué) 特殊地區(qū)公路工程教育部重點實驗室, 陜西 西安 710064)

橋臺與引道之間的差異沉降是引起路橋過渡段不平整的主要原因,不平整的橋頭會影響行車的舒適性與安全性,加劇橋頭損壞,增大維修費用.在路橋過渡段設(shè)計與施工中雖然采取諸多方法對該段路基進行加固與支撐[1-3],但差異沉降仍然不可避免.對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,國內(nèi)外對橋頭乘坐舒適性進行了很多現(xiàn)場試驗研究.對于不設(shè)搭板的路橋過渡段,文獻[4]認為錯臺高度達到1.2 cm時會產(chǎn)生跳車;文獻[5]認為當車輛以高于100 km·h-1的車速通過錯臺高度為2 cm的橋頭時,會產(chǎn)生明顯的跳車感覺;文獻[6-7]認為錯臺高度低于1.5 cm時對行車舒適性無影響.當橋頭設(shè)有搭板時,文獻[4]認為搭板縱坡值低于0.5%時不影響乘車舒適性;文獻[8]認為0.8%可作為簡支跨橋梁搭板縱坡容許變化值;文獻[9]通過現(xiàn)場試驗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 橋頭振動評價指標不合理、不一致,如果采用加速度加權(quán)均方根值作為評價指標,車輛經(jīng)過橋頭時振動波形系數(shù)較大,屬于典型的瞬態(tài)振動,因此采用該值會低估振動的影響; ② 不同試驗人員舒適性感受不同,容許差異沉降受試驗人員主觀影響較大;③ 現(xiàn)場試驗時,試驗車輛的車速難以準確控制.

鑒于此,有學(xué)者采用理論法進行了相關(guān)研究.文獻[13]通過五自由度車輛模型研究了路橋過渡段的差異沉降.文獻[14]通過三自由度車輛模型,研究車輛通過橋頭的振動,并提出采用最大瞬態(tài)振動值(MTVV)作為橋頭跳車的振動評價指標較為合理.但文獻[14]未對MTVV進行分級,故如何對MTVV進行分級有待進一步研究.而且理論法建立車輛模型通常將車輛輪胎簡化成一個阻尼為0的彈簧,忽略了實際輪胎阻尼對振動的影響;現(xiàn)有的三、五自由度車輛模型均無法考慮車輛的側(cè)傾與轉(zhuǎn)動,這與實際不符[15],有必要構(gòu)建整車模型進行相關(guān)研究.筆者前期已構(gòu)建整車模型,并對普通瀝青路面平整度進行了研究,結(jié)果表明采用整車模型進行平整度的評價更合理[16].

為此,針對利用理論法與現(xiàn)場試驗法研究路橋過渡段的缺陷,本研究提出采用整車模型仿真法對路橋過渡段平整度的振動舒適性進行研究.

1 人-車-路相互作用仿真

采用ISO 2631-1:1997《機械振動與沖擊:人體暴露于全身振動的評價》提出的輔助評價方法中的最大瞬態(tài)振動值(MTVV)作為振動舒適性評價指標,進行路橋過渡段人體舒適性的評價.MTVV計算公式為

(1)

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

利用Carsim建立整車模型和路橋過渡段模型,進行人-車-路相互作用仿真.

1.1 整車車輛模型

采用桑塔納3000作為仿真試驗車,以Carsim軟件中E-class車輛作為基礎(chǔ)模型,通過設(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)見表1.

表1 車輛模型參數(shù)

1.2 路橋過渡段模型

① 設(shè)有搭板的路橋過渡段，選擇6,8,10和12 m作為搭板長度進行模擬工況設(shè)計,每種搭板長度對應(yīng)6個縱坡變化值,即0.001,0.002,0.004,0.006,0.008和0.010.② 不設(shè)搭板的路橋過渡段，選擇錯臺臺階高度分別為1,2,3,4,5和6 cm.根據(jù)設(shè)定的路橋過渡段模擬工況,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渡段道路文件,分別以60,80,100和120 km·h-1的車速對每個路橋過渡段工況進行人-車-路相互作用模擬仿真,如圖1所示,并采集實時座椅加速度數(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車速通過搭板長度8 m、縱坡變化值0.6%的路橋過渡段的座椅垂向加速度數(shù)據(jù).圖3為臺階高度1 cm的路橋過渡段的座椅垂向加速度數(shù)據(jù).

圖2 搭板長度8 m、縱坡變化值0.6%工況模擬結(jié)果

圖3 臺階高度為1 cm工況模擬結(jié)果

2 仿真結(jié)果分析

2.1 設(shè)有搭板的路橋過渡段

車輛駛過設(shè)有搭板的橋頭時,瞬間振動時間t0為

(2)

式中:L為搭板長度,m;l為車輛軸距,m;v為車輛通過過渡段的車速,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)計算最大瞬態(tài)振動值MTVV,繪制MTVV變化曲線圖，如圖4-7所示,進而分析搭板長度、縱坡變化值和車速對MTVV的影響.

圖4 L=6 m時MTVV變化規(guī)律

圖5 L=8 m時MTVV變化規(guī)律

圖6 L=10 m時MTVV變化規(guī)律

圖7 L=12 m時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不同長度搭板的路橋過渡段時,由搭板縱坡變化值引起的MTVV變化規(guī)律基本一致;當搭板縱坡變化值小于0.4%時,以同一車速通過不同搭板長度引起的MTVV值相差較小,當縱坡變化值高于0.4%時,MTVV值相差逐漸變大.

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

3) 搭板長度L的影響.圖8為搭板縱坡變化值為0.4%時不同搭板長度下MTVV變化曲線.顯然,隨著L的增加,不同車速下的MTVV值都會增長,最大增長幅度約為12%;同一速度下,車輛駛過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MTVV變化規(guī)律

2.2 不設(shè)搭板的路橋過渡段

車輛通過設(shè)有臺階的路橋過渡段時,先確定車輛前輪接觸臺階時的時間點,然后取該時間點向后0.2 s之內(nèi)的加速度數(shù)據(jù)進行處理.臺階高度與車速對最大瞬態(tài)振動值MTVV的影響如圖9所示.

圖9 不同臺階高度下MTVV變化規(guī)律

1) 車速的影響.相同臺階高度下,當車速由60 km·h-1增大到120 km·h-1,臺階高度為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,當v<80 km·h-1時,MTVV隨臺階高度升高的增長率相對較小,當v>80 km·h-1時則增長率變大.

2) 臺階高度的影響.同一行車速度下,當臺階高度小于3 cm時,MTVV隨著臺階高度的增高增長緩慢;當臺階高度高于3 cm后,每增加1 cm,則MTVV增加 33.6%～49.5%.可見,臺階高于3 cm時,對舒適性影響更強烈.

3 最大瞬態(tài)振動值分級標準

以京港澳、鄭焦晉高速公路各路橋過渡段為試驗地,對乘客通過不同橋頭的行駛舒適性進行問卷調(diào)查,為降低因個體主觀差異對舒適性調(diào)查的影響,隨機抽取不同年齡、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)駛過橋頭時的人體舒適性進行問卷調(diào)查.調(diào)查中將乘客舒適性分為A,B,C和D等4個等級,每個等級對應(yīng)的分值如下:A表示舒適(行車平穩(wěn)無振動)為1分;B表示稍不舒適(有輕微振動)為3分;C表示不舒適(有振動)為5分;D表示很不舒適(有大幅振動)為7分.根據(jù)調(diào)查問卷,統(tǒng)計不同車速下每個等級的人數(shù),并依據(jù)各舒適性等級所對應(yīng)的分數(shù),計算評分加權(quán)值μ.然后,根據(jù)每個橋頭的實際狀況結(jié)合模擬仿真結(jié)果,建立不同車速下人體舒適性評分與最大瞬態(tài)振動值MTVV的相關(guān)性對應(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、人體舒適性評分加權(quán)值與MTVV的對比表(見表2,3).

表2 車速為80 km·h-1時數(shù)據(jù)對比表

根據(jù)不同車速、不同橋頭的人體舒適性評分加權(quán)值和MTVV數(shù)值,對二者的關(guān)系進行數(shù)值擬合,如圖10所示.

表3 車速為100 km·h-1時對比表

圖10 舒適性評分加權(quán)值與MTVV值關(guān)系

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

表4 最大瞬態(tài)振動值與人體舒適性感受對應(yīng)表

4 容許差異沉降

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

表5 容許縱坡變化值

表6 容許臺階高度

5 平整度評價方法

1) 簡單評估法.簡單評估法的評價指標為本研究提出的容許差異沉降值(見表5,6),評價路橋過渡段平整度時,量取路橋過渡段差異沉降值,并與表5,6中的數(shù)值進行比較即可,以舒適性程度來評判橋頭路面平整度是否需要維修.

2)仿真評價法.仿真評價方法以最大瞬態(tài)振動值為平整度評價指標.步驟如下:以桑塔納3000為模擬試驗車,利用Carsim軟件建立整車模型;實測路橋過渡段縱斷面高程,根據(jù)實測數(shù)據(jù)進行路面建模;以設(shè)計車速進行人-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),計算MTVV;結(jié)合表4對測試的路橋過渡段平整度進行評價.

6 結(jié) 論

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

2) 提出MTVV分級標準,分別針對設(shè)有搭板和不設(shè)搭板的路橋過渡段提出容許縱坡變化值、容許臺階高度.

3) 本研究以座椅作為振動舒適性評價點,進行橋頭平整度的舒適性評價,提出了簡單評估法和仿真評價法兩種路橋過渡段平整度評價方法.

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