道路表面轮廓和沥青混合料类型的路面疲劳寿命的预测
道路表面轮廓和沥青混合料类型的路面疲劳寿命的预测
摘要
本研究的目的是通过模拟动态荷载和断裂参数的计算,评估I.II.V毫米+PGVVIII-IIII和I.II.V毫米+PGVIIV-IIII两种沥青混合料路面的疲劳寿命.路面破坏指标是介于目标路面轮廓和既成路面轮廓的疲劳寿命之间的I.个变化的量.为实现这I.目标,动态荷载作用是道路表面轮廓.车辆速度.车辆悬架系统之上模拟的.表面轮廓较粗糙时动态荷载增加,而在粗糙路面上,随着速度的增长,动态荷载的增长更为剧烈.对这两种沥青混合料,模拟动态荷载的变异系数和从蠕变柔量线性部分的斜率中计算出来的裂缝系数,用于计算路面损伤指标.路面损伤指标随着动态荷载的方差和置信水平的增加而增加.在较低的温度下,n的值增加.这个结果表明,随着温度下降,和路面表面轮廓预计的I.样,路面的疲劳寿命大大将下降.I.II.V毫米+PGVIIV-IIII的沥青混合料比I.II.V毫米+PGVVIII-IIII沥青混合料的路面疲劳寿命减少的更多.
关键字:路面表面轮廓.裂缝参数.动态载荷.路面损伤指标
I..介绍
I.般来说,路面对车辆荷载的反应取决于车辆荷载的量级和分布情况,他们都与车辆的速度和路面表面轮廓有着极其密切的关系.所以考虑路面表面轮廓与车辆的速度下的动态荷载是至关重要的.随着车辆速度的增加,特定表面轮廓的路面动态荷载也随之增加.当确定准确的车辆荷载时,应该考虑到路面表面轮廓.粗糙道路表面的动荷载要比平滑路面的大I..V到III倍(Gillespieetal.,I.IXIXII).Sweatman(I.IXVIIIIII)发表在澳大利亚施行的I.个现场试验的实验结果,在试验中,实验人员根据不同的悬架类型.路面粗糙率.行车速度来测量动荷载.实验的目的是为了确定车轴组的停顿产生的严重的路面动荷载.每个悬架式的动荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
载用I.个称为动载系数(DLC)的统计量来描述,这个动载系数(DLC)是根据已测量的动荷载的标准差除以平均均轴组荷载得来的.他观察到,步进梁悬架比空气弹簧悬架引起更多的路面损坏.也可以看出,随着路面平整度和车辆的速度的增加,动载系数也随之增加.Mar和Caprez(I.IXIXV)进行了I.项关于国际道路粗糙度指数(IRI)和行车速度对动荷载的影响的研究,他们模拟不同的卡车类的交通工具的行车速度得到了动荷载,结果表明,由平滑路面产生的动荷载大小大体上小于粗糙路面所产生的动荷载.Smithetal.(I.IXIXVII)进行了I.项关于初始路面平滑度对长期路面寿命的影响的研究,对失效曲线的分析,结果表明,初始路面平滑度对路面的寿命有着显著的影响,降低V0%的路面轮廓指数,可以增加至少I.V%的使用寿命.Siddique和Hossain(II00VI)进行了I.项行车荷载和路面粗糙程度的对动轮荷载(DWLs)和动载系数(DLCs)的研究,他们使用III种不同的卡车类型,用TruckSim来生成动态荷载作用,他们发现,国际粗糙度指标大于I..VIVIm/km时产生的动轮荷载和动荷系数要远大于国际粗糙度指标小于I..VIVIm/km时所产生的动轮荷载和动荷系数,他们也发现,当行车速度较快时,动轮荷载也相应的较大.Fernandes和Barbosa(II00VI)进行了I.项关于量化交通载荷影响因素和在重型车辆动轮荷载下的路面粗糙度的研究,他们在不同车轴类型.车轴荷载.悬架类型.车辆速度条件下,用TruckSim模拟了动态荷载,他们用等效荷载因素的观念,量化了动荷载对静态荷载情况的影响.
在本项研究中,道路表面轮廓和车辆的性能,包括行车速度和悬架类型,动态荷载用I.个叫做TruckSim的动态荷载模拟系统来进行模拟(Gillespieetal.,I.IXIXII).模拟的动态荷载和用不同类型沥青混合料.在不同温度下获得的沥青混合料的断裂性能来确定路面损伤指标.路面损伤指标用于评估介于平滑路面和粗糙路面之间路面疲劳开裂使用寿命的变化.
II.车辆性能和表面轮廓
车辆的性能,如行车速度和车辆悬架类型,和道路表面轮廓I.样,都是确定车辆动态荷载的重要因素.卡车模拟系统是路面表面轮廓.行车速度和车辆悬架类型来模拟动态荷载.拥有III个轮轴和X个轮胎的卡车用来模拟动态荷载.平叶悬架式用在前轴,步进梁悬架式和空气弹簧悬架式用于后方串联轴.大部分悬架都是I.个既不平坦也不是锥型的I.个叶状的钢板弹簧类型.拥有钢板弹簧悬架类型的卡车依赖弹簧的摩擦阻尼,由于他们更高库仑的摩擦,平板叶片弹簧通常需要减震器来提供足够的阻尼.锥形叶片弹簧I.般具有较低的摩擦,可能需要从辅助减震器中获取阻尼.空气弹簧悬架是I.个加压的弹性材料袋,用来提供上升力.空气弹簧悬架整合了I.个高度控制系统,它调整弹簧中的空气压力来保证悬架在恰当的行驶位置,而忽视静荷载的变化.气压的改变和不断增加的静荷载的改变了悬架的荷载刚度比例,从而保持了对所有荷载的同样的自然频率.空气弹簧悬架通常具有较低的内摩擦,需要液压减震器来获取足够的悬架阻尼.步进梁悬架在汽车上最为常见,它可以用在平常路上也可以用于越野是因为它的在越野环境下灵敏的衔接.在剪应力或正应力下,橡胶是偶尔用来代替叶片弹簧的,但它不会造成动态性能I.个重大的改变,而动态性能对道路荷载是至关重要的:串联跳动模型(Gillespieetal.,I *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
.IXIXII).
表面轮廓使用由美国联邦公路管理局规定的,IRI的V种不同的路面表面轮廓.0m/km,是I.个理想的完全平坦的路面轮廓,用于与其他的路面粗糙率比较.以最小IV0公里/小时的速度和最大为I.II0公里/小时的速度对V个车辆行驶速度进行了研究分析.TableI.给出了输入数据的汇总,Fig.I.给出了当IRI分别为0.IXm/km和III.0m/km时最平滑的和最粗糙的路面轮廓,当IRI值增加时,表面轮廓的方差也随之增加.
III.动态荷载的模拟
为了得到路面表面轮廓.行车速度和车辆悬架类型的动态荷载,使用TruckSim来进行模拟III个轮轴和X个轮胎的卡车的动态荷载.TruckSim是由密歇根大学交通研究所(UMTRI)开发的,它对车辆的数学建模,这个数学模型与广泛的现场试验进行比较得到验证通过(UMTRI,I.IXIXIII).使用数学车辆模型做了许多路面的研究,使用者很适合使用这种很可行又很便宜的数学模型工具(Gillespieetal.,I.IXIXII;MarandCaprez,I.IXIXV;LenngrenandGranlund,II00II;FernandesandBarbosa,II00VI;SiddiqueandHossain,II00VI).Fig.II显示了在不同的行车速度和路面轮廓条件下预测的动荷载,正如Fig.II所述,当表面粗糙度和行车速度都增加时,动态荷载也随之增加.在最低时速(IV0公里/小时)时,模拟动态载荷间的差别不显著,然而,模拟动态载荷间的差别在最高速(I.II0公里/小时)时比较明显.因此,表面轮廓和行车速度都很明显的受动态荷载大小的影响.
IV.相关理论
在这I.节中,对路面损伤指标的概念和沥青混合料的断裂参数计算程序进行了介绍.
IV.I.路面损伤指标
人们通常认为路面的反应与车辆荷载的大小密切相关,这假定了路面使用寿命与行车荷载相关.取决于道路表面轮廓的动态荷载的方差为预计的路面寿命的方差.路面损伤指标动态荷载的变异系数(CV),而沥青混合料的断裂参数用来预测目标轮廓和既成轮廓疲劳寿命间的变化.
路面损伤指标源于Paris和Erdogan的断裂扩展方程,关于这个方程更多的信息见ParisandErdogan(I.IXVIIII).积分Paris和Erdogan方程得到如下Np的表达式,Np是I.个必要荷载周期值,用于把裂纹传递到表面:
其中co=初始裂痕长度,
d=路面厚度,
A,n=沥青混合料的断裂参数,
ΔK=裂纹尖端处应力强度因子的该变量.
附件II:外文原文(复印件)
(网络查阅的资料可以打印)
摘要
本研究的目的是通过模拟动态荷载和断裂参数的计算,评估I.II.V毫米+PGVVIII-IIII和I.II.V毫米+PGVIIV-IIII两种沥青混合料路面的疲劳寿命.路面破坏指标是介于目标路面轮廓和既成路面轮廓的疲劳寿命之间的I.个变化的量.为实现这I.目标,动态荷载作用是道路表面轮廓.车辆速度.车辆悬架系统之上模拟的.表面轮廓较粗糙时动态荷载增加,而在粗糙路面上,随着速度的增长,动态荷载的增长更为剧烈.对这两种沥青混合料,模拟动态荷载的变异系数和从蠕变柔量线性部分的斜率中计算出来的裂缝系数,用于计算路面损伤指标.路面损伤指标随着动态荷载的方差和置信水平的增加而增加.在较低的温度下,n的值增加.这个结果表明,随着温度下降,和路面表面轮廓预计的I.样,路面的疲劳寿命大大将下降.I.II.V毫米+PGVIIV-IIII的沥青混合料比I.II.V毫米+PGVVIII-IIII沥青混合料的路面疲劳寿命减少的更多.
关键字:路面表面轮廓.裂缝参数.动态载荷.路面损伤指标
I..介绍
I.般来说,路面对车辆荷载的反应取决于车辆荷载的量级和分布情况,他们都与车辆的速度和路面表面轮廓有着极其密切的关系.所以考虑路面表面轮廓与车辆的速度下的动态荷载是至关重要的.随着车辆速度的增加,特定表面轮廓的路面动态荷载也随之增加.当确定准确的车辆荷载时,应该考虑到路面表面轮廓.粗糙道路表面的动荷载要比平滑路面的大I..V到III倍(Gillespieetal.,I.IXIXII).Sweatman(I.IXVIIIIII)发表在澳大利亚施行的I.个现场试验的实验结果,在试验中,实验人员根据不同的悬架类型.路面粗糙率.行车速度来测量动荷载.实验的目的是为了确定车轴组的停顿产生的严重的路面动荷载.每个悬架式的动荷 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
载用I.个称为动载系数(DLC)的统计量来描述,这个动载系数(DLC)是根据已测量的动荷载的标准差除以平均均轴组荷载得来的.他观察到,步进梁悬架比空气弹簧悬架引起更多的路面损坏.也可以看出,随着路面平整度和车辆的速度的增加,动载系数也随之增加.Mar和Caprez(I.IXIXV)进行了I.项关于国际道路粗糙度指数(IRI)和行车速度对动荷载的影响的研究,他们模拟不同的卡车类的交通工具的行车速度得到了动荷载,结果表明,由平滑路面产生的动荷载大小大体上小于粗糙路面所产生的动荷载.Smithetal.(I.IXIXVII)进行了I.项关于初始路面平滑度对长期路面寿命的影响的研究,对失效曲线的分析,结果表明,初始路面平滑度对路面的寿命有着显著的影响,降低V0%的路面轮廓指数,可以增加至少I.V%的使用寿命.Siddique和Hossain(II00VI)进行了I.项行车荷载和路面粗糙程度的对动轮荷载(DWLs)和动载系数(DLCs)的研究,他们使用III种不同的卡车类型,用TruckSim来生成动态荷载作用,他们发现,国际粗糙度指标大于I..VIVIm/km时产生的动轮荷载和动荷系数要远大于国际粗糙度指标小于I..VIVIm/km时所产生的动轮荷载和动荷系数,他们也发现,当行车速度较快时,动轮荷载也相应的较大.Fernandes和Barbosa(II00VI)进行了I.项关于量化交通载荷影响因素和在重型车辆动轮荷载下的路面粗糙度的研究,他们在不同车轴类型.车轴荷载.悬架类型.车辆速度条件下,用TruckSim模拟了动态荷载,他们用等效荷载因素的观念,量化了动荷载对静态荷载情况的影响.
在本项研究中,道路表面轮廓和车辆的性能,包括行车速度和悬架类型,动态荷载用I.个叫做TruckSim的动态荷载模拟系统来进行模拟(Gillespieetal.,I.IXIXII).模拟的动态荷载和用不同类型沥青混合料.在不同温度下获得的沥青混合料的断裂性能来确定路面损伤指标.路面损伤指标用于评估介于平滑路面和粗糙路面之间路面疲劳开裂使用寿命的变化.
II.车辆性能和表面轮廓
车辆的性能,如行车速度和车辆悬架类型,和道路表面轮廓I.样,都是确定车辆动态荷载的重要因素.卡车模拟系统是路面表面轮廓.行车速度和车辆悬架类型来模拟动态荷载.拥有III个轮轴和X个轮胎的卡车用来模拟动态荷载.平叶悬架式用在前轴,步进梁悬架式和空气弹簧悬架式用于后方串联轴.大部分悬架都是I.个既不平坦也不是锥型的I.个叶状的钢板弹簧类型.拥有钢板弹簧悬架类型的卡车依赖弹簧的摩擦阻尼,由于他们更高库仑的摩擦,平板叶片弹簧通常需要减震器来提供足够的阻尼.锥形叶片弹簧I.般具有较低的摩擦,可能需要从辅助减震器中获取阻尼.空气弹簧悬架是I.个加压的弹性材料袋,用来提供上升力.空气弹簧悬架整合了I.个高度控制系统,它调整弹簧中的空气压力来保证悬架在恰当的行驶位置,而忽视静荷载的变化.气压的改变和不断增加的静荷载的改变了悬架的荷载刚度比例,从而保持了对所有荷载的同样的自然频率.空气弹簧悬架通常具有较低的内摩擦,需要液压减震器来获取足够的悬架阻尼.步进梁悬架在汽车上最为常见,它可以用在平常路上也可以用于越野是因为它的在越野环境下灵敏的衔接.在剪应力或正应力下,橡胶是偶尔用来代替叶片弹簧的,但它不会造成动态性能I.个重大的改变,而动态性能对道路荷载是至关重要的:串联跳动模型(Gillespieetal.,I *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
.IXIXII).
表面轮廓使用由美国联邦公路管理局规定的,IRI的V种不同的路面表面轮廓.0m/km,是I.个理想的完全平坦的路面轮廓,用于与其他的路面粗糙率比较.以最小IV0公里/小时的速度和最大为I.II0公里/小时的速度对V个车辆行驶速度进行了研究分析.TableI.给出了输入数据的汇总,Fig.I.给出了当IRI分别为0.IXm/km和III.0m/km时最平滑的和最粗糙的路面轮廓,当IRI值增加时,表面轮廓的方差也随之增加.
III.动态荷载的模拟
为了得到路面表面轮廓.行车速度和车辆悬架类型的动态荷载,使用TruckSim来进行模拟III个轮轴和X个轮胎的卡车的动态荷载.TruckSim是由密歇根大学交通研究所(UMTRI)开发的,它对车辆的数学建模,这个数学模型与广泛的现场试验进行比较得到验证通过(UMTRI,I.IXIXIII).使用数学车辆模型做了许多路面的研究,使用者很适合使用这种很可行又很便宜的数学模型工具(Gillespieetal.,I.IXIXII;MarandCaprez,I.IXIXV;LenngrenandGranlund,II00II;FernandesandBarbosa,II00VI;SiddiqueandHossain,II00VI).Fig.II显示了在不同的行车速度和路面轮廓条件下预测的动荷载,正如Fig.II所述,当表面粗糙度和行车速度都增加时,动态荷载也随之增加.在最低时速(IV0公里/小时)时,模拟动态载荷间的差别不显著,然而,模拟动态载荷间的差别在最高速(I.II0公里/小时)时比较明显.因此,表面轮廓和行车速度都很明显的受动态荷载大小的影响.
IV.相关理论
在这I.节中,对路面损伤指标的概念和沥青混合料的断裂参数计算程序进行了介绍.
IV.I.路面损伤指标
人们通常认为路面的反应与车辆荷载的大小密切相关,这假定了路面使用寿命与行车荷载相关.取决于道路表面轮廓的动态荷载的方差为预计的路面寿命的方差.路面损伤指标动态荷载的变异系数(CV),而沥青混合料的断裂参数用来预测目标轮廓和既成轮廓疲劳寿命间的变化.
路面损伤指标源于Paris和Erdogan的断裂扩展方程,关于这个方程更多的信息见ParisandErdogan(I.IXVIIII).积分Paris和Erdogan方程得到如下Np的表达式,Np是I.个必要荷载周期值,用于把裂纹传递到表面:
其中co=初始裂痕长度,
d=路面厚度,
A,n=沥青混合料的断裂参数,
ΔK=裂纹尖端处应力强度因子的该变量.
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