面向路面结构和材料及车辆信息的路面加速度多角度解析研究

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作为路面动力响应的组成部分,路面加速度响应因与道路服役状态和车辆信息紧密相关而具有重要研究价值。一方面由物理定义可知,加速度与物体的受力状态、位移、模量均密切相关,故而路面加速度能从侧面反映路面结构的受力变形和路面材料的刚度变化。另一方面就成因而言,路面加速度正是由来往车辆所致,因此通过解析路面加速度还可获取相关车辆信息。有鉴于此,本文即围绕路面加速度,从路面结构、路面材料、车辆信息等多个角度对其开展解析研究。首先,针对移动荷载作用下路面加速度场的分布与响应规律开展了系统性研究。依托现场实际路段建立起三维有限元模型,通过对比路面竖向加速度的实测值与模拟值验证了所建道路模型的可靠性,并结合路面三向加速度的分布云图和时程曲线,详细讨论了路面加速度场的分布与响应规律,进而基于正交试验,分析了车载、车速、上面层模量和阻尼比对于无损路面加速度响应的影响程度,相应获得了无损路面加速度响应对此四项影响因素的敏感性排序。其次,针对含不同裂缝损伤形式的路面结构的加速度响应作进一步研究。在控制变量的前提下,考虑了包括不同裂缝位置、裂缝长度、裂缝数目、裂缝间距以及裂缝扩展与否等典型裂缝损伤形式在内的共计十四种工况,进而以其中无损路面竖向加速度峰值为基准,提出了竖向加速度峰值变化率这一评价指标以描述不同裂缝损伤形式所带来的具体影响,从侧面验证了路面加速度在裂缝损伤监测方面的潜在应用,为道路服役期间的裂缝损伤监测提供了新的思路。第三,针对以加速度积分反映路面位移的问题进行了探讨。通过室内振动台振动试验和室外车致路面振动测试,获得了标准正弦振动模式下和实际车致振动模式下的加速度信号,在此基础上对比了直接积分与间接积分、时域积分与频域积分的运算结果,初步确定了适于处理路面加速度数据的积分方法,进而结合直线道加载试验,进一步验证了经由加速度积分获知路面位移的可行性。第四,从路面材料的角度对沥青混合料试件在典型加载模式下的加速度信号变化规律开展了试验研究。基于实际试验条件,分别选择劈裂疲劳试验、OT拉伸试验(OT为Overlay Tester的缩写)作为荷载控制模式、位移控制模式的代表试验,通过采集和分析沥青混合料试件在加载全过程中的加速度信号,详细阐释了其在这两类加载模式下的变化规律,从加速度的视角定性描述了沥青混合料试件的受力破坏过程。最后,从车辆信息的角度继续围绕路面加速度进行解析研究。根据我国现行相关规范,借助有限元模拟获得了不同车型作用下的路面加速度信号谱,在此基础上从时域、频域两方面对车致路面加速度信号展开讨论,着重分析了路面加速度的时频特征与行驶车辆的轴数、速度、轴距以及轴载之间的关联,并提出了一种基于路面加速度低频分布、适于两轴车辆和三轴车辆的车辆信息获取新方法,进而依托云南省内某示范工程路段开展路面加速度实测研究,进一步验证了路面加速度在车辆信息获取中的实际应用。总体而言,路面加速度蕴含极为丰富的物理信息,值得开展更为全面与深入的解析研究;希望本文有助于提升对路面加速度的认知理解,同时亦为今后相关研究提供有益参考。
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