【博士】隨機(jī)荷載作用下柔性路面結(jié)構(gòu)及路基動(dòng)力響應(yīng)研究【2006】

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　　學(xué)科專(zhuān)業(yè)：道路與鐵道工程　　授予學(xué)位：博士　　學(xué)位授予單位：中南大學(xué)　　學(xué)位年度： 2006年　　隨著公路交通車(chē)輛向大型、重型化的發(fā)展，超載超限現(xiàn)象非常突出。利用靜力法或擬靜力法設(shè)計(jì)的高速公路路面越來(lái)越難以滿(mǎn)足服務(wù)要求，對(duì)車(chē)輛與路基路面結(jié)構(gòu)相互動(dòng)力作用機(jī)理的深入研究勢(shì)在必行。本文以柔性路基路面為研究對(duì)象，將車(chē)輛和路基路面視為協(xié)調(diào)統(tǒng)一系統(tǒng)，針對(duì)目前高速公路重型車(chē)輛與路面之間相互動(dòng)力作用研究中的一些熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題(如路面表面狀況的描述和表達(dá)、隨機(jī)動(dòng)態(tài)荷載的描述和確定、路基路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)的獲取)進(jìn)行了較為深入的理論分析和試驗(yàn)研究，主要研究?jī)?nèi)容如下：　　1．從車(chē)輛振動(dòng)的隨機(jī)激勵(lì)源一路面的表面特性入手，利用頻域分析法對(duì)路面不平度的隨機(jī)功率譜密度函數(shù)(PsD)進(jìn)行了推導(dǎo)，著重分析了高速公路路面不平度PSD的特點(diǎn)和規(guī)律，認(rèn)為在路面隨機(jī)不平度激勵(lì)下產(chǎn)生的車(chē)輛動(dòng)荷載為時(shí)空都在變化的隨機(jī)荷載。在此基礎(chǔ)上，考慮輪胎阻尼作用，采用四分之一車(chē)輛動(dòng)力分析模型，編制Matlab程序?qū)π旭傆诓黄秸访嫔系能?chē)輛隨機(jī)動(dòng)荷載進(jìn)行了數(shù)值模擬，在時(shí)域內(nèi)給出了動(dòng)力車(chē)輛模型在任意車(chē)速下的隨機(jī)動(dòng)荷載時(shí)程曲線(xiàn)，并探討了車(chē)輛隨機(jī)動(dòng)荷載與路面激振頻率、車(chē)速、路面波長(zhǎng)、路面標(biāo)準(zhǔn)波數(shù)譜密度之間　　的關(guān)系，明確了車(chē)輛對(duì)路面隨機(jī)激勵(lì)輸入的特性和規(guī)律。　　2．針對(duì)柔性路基路面的基本物理力學(xué)特性，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，借助層狀體系理論，采用傳遞函數(shù)矩陣法，通過(guò)Fourier積分變換和Laplace積分變換，推導(dǎo)并給出了多層粘彈性體系在移動(dòng)簡(jiǎn)諧沖擊荷載作用下動(dòng)力方程的解析解?？紤]到解析的實(shí)際困難，提出基于ANSYS的粘彈性動(dòng)力有限元數(shù)值法作為對(duì)多層體系動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行求解的新途徑?！　?．根據(jù)柔性路基路面多層粘彈性體系假設(shè)，建立了柔性路基路面結(jié)構(gòu)三維動(dòng)力有限元模型，成功地將ANSYS大型有限元分析軟件應(yīng)用于車(chē)輛與路基路面相互動(dòng)力作用的研究中，模擬并探討了路基路面結(jié)構(gòu)在單輪組車(chē)輛荷載(包括考慮車(chē)輛側(cè)向力和切向力的三向荷載)作用下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)(主要包括動(dòng)位移、動(dòng)正應(yīng)力、動(dòng)剪應(yīng)力、動(dòng)應(yīng)變等)及其影響因素，闡明了柔性路基路面在車(chē)輛動(dòng)荷載作用下的疲勞損傷破壞規(guī)律和機(jī)理?！　?．成功地在常(德)張(家界)新建高速公路上進(jìn)行了重型車(chē)輛荷載作用下柔性路基路面各結(jié)構(gòu)層動(dòng)態(tài)響應(yīng)的試驗(yàn)研究?？疾炝塑?chē)輛載重、車(chē)速、車(chē)道因素對(duì)路基路面的動(dòng)態(tài)響應(yīng)規(guī)律的影響，分析了動(dòng)態(tài)響應(yīng)的頻譜特性和功率譜特性，并與路面不平度激勵(lì)特性進(jìn)行了比照，研究表明路面激勵(lì)、車(chē)輛振動(dòng)、荷載輸入、路基路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)具有相互依存的因果關(guān)系。通過(guò)二次回歸正交法，建立了路基路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)與車(chē)速、動(dòng)荷載、荷載二次效應(yīng)及車(chē)速荷載交互作用的數(shù)學(xué)模型，確立了各因素對(duì)路面結(jié)構(gòu)服務(wù)能力下降及損傷破壞的影響強(qiáng)度。　　5．建立反映實(shí)際試驗(yàn)車(chē)輛特性的二分之一動(dòng)力卡車(chē)模型，采用正規(guī)型方法對(duì)所建車(chē)輛模型的動(dòng)力方程進(jìn)行了求解。通過(guò)在ANSYS三維模型中輸入四輪組荷載模擬路基路面動(dòng)態(tài)響應(yīng)，將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值(動(dòng)應(yīng)變及動(dòng)應(yīng)力)進(jìn)行了對(duì)比研究，數(shù)值解與實(shí)測(cè)值比較吻合，說(shuō)明本文所建立粘彈性三維有限元模型合理可信。　　

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