路橋過渡段容許臺階高度的確定

鄧露 閆王晨 朱全軍

摘要：為確定路橋過渡段的容許臺階高度，對車輛通過路橋過渡段時的整車舒適度和車橋安全性進行了研究.以平均加權加速度均方根值作為整車舒適度指標，以車輪動力荷載最小值作為車輛安全性指標，以局部沖擊系數作為橋梁安全性指標，提出了一種基于整車舒適度和車橋安全性的容許臺階高度確定方法.分析了車速和臺階高度等因素對整車舒適度和局部沖擊系數的影響.結果表明：對高速公路和一級公路，整車舒適度對容許臺階高度的要求更為嚴格，其次是車輛安全性.對二級公路，容許臺階高度各控制指標的嚴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階高度提出了更合理的控制標準.

關鍵詞：路橋過渡段；容許臺階高度；數值模擬；局部沖擊系數；舒適度；加權加速度均方根值

中圖分類號：U416.01 文獻標識碼：A

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

現有的路面設計規范尚未針對路橋過渡段的差異沉降量提出合理的控制標準.目前，國內外很多學者＼[1-3＼]根據現場行車調查來確定容許臺階高度.但由于差異沉降受到橋臺類型、路堤填料類型和施工工藝等因素的影響，彼此得出的控制標準并不統一，且缺乏理論支持.此外，也有學者＼[4-7＼]從車輛舒適度及安全性角度對臺階高度的控制標準進行過理論研究，但也存在不足之處.第一，局限于評價單個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情況.并以平均加權加速度均方根值作為整車舒適度指標，以車輪動力荷載最小值作為車輛安全性指標，以局部沖擊系數作為橋梁安全性指標，定量分析了車速和臺階高度等因素對舒適度和安全性指標的影響.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階高度控制標準.

1車輛經過路橋過渡段的振動模擬

1.1車輛模型選取

路橋過渡段差異沉降控制標準與車型、車載及車速等因素有關.其中，標準車輛的選取又與公路的等級和用途有關.高速公路和一級公路宜以小汽車作為標準車輛＼[7-8＼]，以車輛安全性和整車舒適度作為容許臺階高度的控制指標.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準車輛，并以標準車輛的安全性、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），作為容許臺階高度的控制指標.參考文獻＼[7＼]和＼[9＼]，本文以各等級公路設計速度的最大值作為相應的標準車速.各等級公路的標準車輛、標準車速及容許臺階高度控制標準見表1.

由于路橋過渡段的“錯臺型”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與俯仰運動；道路橫向的不平整往往可以忽略不計，故不考慮車體橫向的搖擺運動.假設車體左右兩邊質量對稱，采用集中質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見文獻＼[7，10，11＼].

2.1整車舒適度水平

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

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

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

式中：kax，kay和kaz分別為x，y和z軸的加權系數，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”加權加速度均方根值，計算如式（7）所示.

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

式中：t0為考察時刻；τ為持續平均積分時間，這里取車輛經過臺階前后各6 m的總時間；t為時間變量.

表2加權加速度均方根值與人體主觀感受之間的關系

Tab.2Relationship between weighted rootmeansquare

acceleration and peoples feeling

極不舒服

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

Δv=0.145h1.09v0.21， （8）

ax=Δv/τ.（9）

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

ωk（f）=0.5，0.5

f4，2