路橋過渡段容許臺(tái)階高度的確定

鄧露 閆王晨 朱全軍

摘要：為確定路橋過渡段的容許臺(tái)階高度，對車輛通過路橋過渡段時(shí)的整車舒適度和車橋安全性進(jìn)行了研究.以平均加權(quán)加速度均方根值作為整車舒適度指標(biāo)，以車輪動(dòng)力荷載最小值作為車輛安全性指標(biāo)，以局部沖擊系數(shù)作為橋梁安全性指標(biāo)，提出了一種基于整車舒適度和車橋安全性的容許臺(tái)階高度確定方法.分析了車速和臺(tái)階高度等因素對整車舒適度和局部沖擊系數(shù)的影響.結(jié)果表明：對高速公路和一級公路，整車舒適度對容許臺(tái)階高度的要求更為嚴(yán)格，其次是車輛安全性.對二級公路，容許臺(tái)階高度各控制指標(biāo)的嚴(yán)格程度由高到低依次為：整車舒適度、橋梁安全性和車輛安全性.對二級以下公路，其嚴(yán)格程度由高到低依次為：橋梁安全性、整車舒適度和車輛安全性.該方法從車輛舒適度、車輛安全性及橋梁安全性對臺(tái)階高度提出了更合理的控制標(biāo)準(zhǔn).

關(guān)鍵詞：路橋過渡段；容許臺(tái)階高度；數(shù)值模擬；局部沖擊系數(shù)；舒適度；加權(quán)加速度均方根值

中圖分類號：U416.01 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

由于橋頭引道和橋臺(tái)之間不可避免地存在沉降差異，在不設(shè)橋頭搭板的路橋過渡段往往會(huì)形成一定高度的臺(tái)階，即“錯(cuò)臺(tái)型”沉降.由此引起的橋頭跳車會(huì)影響行車的舒適度和安全性，其沖擊作用也會(huì)加速橋臺(tái)、伸縮縫及支座等的破壞.

現(xiàn)有的路面設(shè)計(jì)規(guī)范尚未針對路橋過渡段的差異沉降量提出合理的控制標(biāo)準(zhǔn).目前，國內(nèi)外很多學(xué)者＼[1-3＼]根據(jù)現(xiàn)場行車調(diào)查來確定容許臺(tái)階高度.但由于差異沉降受到橋臺(tái)類型、路堤填料類型和施工工藝等因素的影響，彼此得出的控制標(biāo)準(zhǔn)并不統(tǒng)一，且缺乏理論支持.此外，也有學(xué)者＼[4-7＼]從車輛舒適度及安全性角度對臺(tái)階高度的控制標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過理論研究，但也存在不足之處.第一，局限于評價(jià)單個(gè)位置處乘客的單軸向舒適度，未能從整體上模擬車輛多軸向的舒適度情況；第二，對安全性的考慮僅能保證車輪不脫離地面，忽略了跳車產(chǎn)生的沖擊作用對橋梁安全的影響.

為此，本文采用半車模型模擬車輛通過路橋過渡段的振動(dòng)情況.并以平均加權(quán)加速度均方根值作為整車舒適度指標(biāo)，以車輪動(dòng)力荷載最小值作為車輛安全性指標(biāo)，以局部沖擊系數(shù)作為橋梁安全性指標(biāo)，定量分析了車速和臺(tái)階高度等因素對舒適度和安全性指標(biāo)的影響.最后，基于整車舒適度和車橋安全性提出了更合理的容許臺(tái)階高度控制標(biāo)準(zhǔn).

1車輛經(jīng)過路橋過渡段的振動(dòng)模擬

1.1車輛模型選取

路橋過渡段差異沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與車型、車載及車速等因素有關(guān).其中，標(biāo)準(zhǔn)車輛的選取又與公路的等級和用途有關(guān).高速公路和一級公路宜以小汽車作為標(biāo)準(zhǔn)車輛＼[7-8＼]，以車輛安全性和整車舒適度作為容許臺(tái)階高度的控制指標(biāo).二級及二級以下公路以載重汽車為主＼[7＼]，兼有長途客車，故以載重汽車和長途客車作為標(biāo)準(zhǔn)車輛，并以標(biāo)準(zhǔn)車輛的安全性、長途客車的整車舒適度和載重汽車對橋梁的沖擊作用（即橋梁安全性），作為容許臺(tái)階高度的控制指標(biāo).參考文獻(xiàn)＼[7＼]和＼[9＼]，本文以各等級公路設(shè)計(jì)速度的最大值作為相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)車速.各等級公路的標(biāo)準(zhǔn)車輛、標(biāo)準(zhǔn)車速及容許臺(tái)階高度控制標(biāo)準(zhǔn)見表1.

由于路橋過渡段的“錯(cuò)臺(tái)型”沉降（見圖1）相比一般的道路不平整度要大，需要考慮車體的垂向振動(dòng)與俯仰運(yùn)動(dòng)；道路橫向的不平整往往可以忽略不計(jì)，故不考慮車體橫向的搖擺運(yùn)動(dòng).假設(shè)車體左右兩邊質(zhì)量對稱，采用集中質(zhì)量法將載重汽車簡化為7自由度半車模型（如圖2（a）所示），將客車和小汽車均簡化為4自由度半車模型（如圖2（b）所示），具體的車輛模型參數(shù)見文獻(xiàn)＼[7，10，11＼].

2.1整車舒適度水平

ISO建議以加權(quán)加速度均方根值作為舒適度評價(jià)的基本指標(biāo)＼[13＼].由于車輛通過路橋過渡段的時(shí)間很短，本文采用車輛經(jīng)過路橋過渡段的“瞬時(shí)”加權(quán)加速度均方根值，結(jié)合ISO＼[13＼]及鄭鄖＼[12＼]給出的加權(quán)加速度均方根值與人體主觀感受的關(guān)系（見表2），綜合評定車輛通過路橋過渡段時(shí)的舒適度.

平均加權(quán)加速度均方根值（average weighted rootmeansquare acceleration，簡稱為RMS）的計(jì)算如下：

RMS=（k2axa2wx+k2aya2wy+k2aza2wz）1/2. （6）

式中：kax，kay和kaz分別為x，y和z軸的加權(quán)系數(shù)，其值分別為1.4， 1.4和1.0；awx，awy和awz分別為x，y 和 z 軸向的“瞬時(shí)”加權(quán)加速度均方根值，計(jì)算如式（7）所示.

awj（t0）|j=x，y，z=1τ∫t0t0-τa2wj（t）|j=x，y，zdt1/2.（7）

式中：t0為考察時(shí)刻；τ為持續(xù)平均積分時(shí)間，這里取車輛經(jīng)過臺(tái)階前后各6 m的總時(shí)間；t為時(shí)間變量.

表2加權(quán)加速度均方根值與人體主觀感受之間的關(guān)系

Tab.2Relationship between weighted rootmeansquare

acceleration and peoples feeling

極不舒服

馮忠居＼[2＼]通過實(shí)地測試和理論分析得出車輛在通過臺(tái)階前后的速度降低值Δv與臺(tái)階高度h及速度v的關(guān)系，如式（8）所示.減速度ax的計(jì)算如式（9）所示.

Δv=0.145h1.09v0.21， （8）

ax=Δv/τ.（9）

簡單計(jì)算可知，車輛在經(jīng)過臺(tái)階前后速度變化很小，但由于通過時(shí)間很短，減速度不可忽略，可令awx=ax；假設(shè)車輛沿直線通過路橋過渡段，則awy=0；awz可按ISO 2631—1997中的頻率加權(quán)函數(shù)ωk（f）（式（10））對a濾波后得到.

ωk（f）=0.5，0.5

f4，2