基于轮胎－路面复杂动力特性的交叉口沥青路面设计

本论文以交叉口区域主要的行车特性及路面结构出现的典型破损类型，利用ANSYS有限元软件，建立了轮胎—路面作用模型，对3-D轮胎路面接触应力分布进行了计算，并对3-D轮胎路面接触应力作用下的沥青路面力学响应进行了分析。同时基于交叉口区域的行车特点，考虑更加接近实际受力状态的移动非均布荷载，采用有限元软件对交叉口路面的影响因素进行分析研究，找出其应力场的分布规律，并结合双剪统一强度理论，探讨交叉口路面的破坏原因。本研究成果对于揭示道路交叉口受力状况，破坏特征及针对其特殊复杂的受力状况进行有针对性的专门路面设计具有重要的理论意义及应用价值。 2100433B

城市道路交叉口区域的破坏是制约路网使用性能的瓶颈，随着交叉口规模的扩大，需要对交叉口路段进行专门道路设计。本研究首先界定合理的交叉口区域范围，通过交通调查、车辆运行特征分析确定用于设计的交叉口区域；然后针对交叉口车辆减速、加速频繁，采用轮胎－路面的复杂动态路面模型，利用动态有限元分析方法，分析交叉口沥青路面在荷载作用下的路面响应，尤其重视对于沥青面层剪切状态和表面拉伸状态的定量分析；然后结合沥青混凝土的性能参数，分析影响沥青路面使用性能的设计指标，提出合理的轴载换算系数确定方法；最后，利用最新引进的加速加载测试设备，在室内铺筑试验路，通过测试与分析，研究实际加、减速荷载下路面的破坏规律。课题研究目标，在于揭示交叉口路面破坏机理、提出合理设计指标，提出针对性的交叉口路面设计方法，改善城市道路交叉口的路面性能。

利用有限元软件ANSYS/LS-DYNA建立了轮胎路面复杂接触效应的有限元模型，结合结构动力学原理和Lagrange原理推导了不同路面条件下车身对轮胎的动态作用力计算模型，借助MATLAB/Simulink工具求解了车身对轮胎的动态作用力。利用ANSYS/LS-DYNA研究了轮胎在六种道路线形、五种摩擦条件下的运动规律，分析了各种路面的抗滑性能发展变化特性以及动荷载作用下的动力响应规律。结果表明：轮胎在凝冰条件下的运动速度和动能的降低速度和幅度都明显的小于在正常干燥路面的降低速度和幅度。凝冰条件下胎面摩擦力明显小于正常干燥路面的胎面摩擦力，制动距离则大于正常干燥路面的制动距离，充分说明路面凝冰对路面抗滑性能影响显著。凝冰沥青路面路表竖向应力和轮胎经过前路表水平剪应力均大于正常干燥路面,路表弯沉、轮胎经过后路表水平剪应力以及沿路面深度方向最大竖向应力、最大横向拉应力、最大横向拉应变和最大水平剪应力均小于正常干燥路面。凝冰沥青路面摩擦系数不仅影响路面抗滑性能而且影响其结构动力响应，随着路面摩擦系数增大，轮胎运动速度和动能降低幅度都明显增大，胎面摩擦力也相应增大，制动距离减小。凝冰沥青路面不同力学指标受路面摩擦系数影响规律不尽相同，路表弯沉和轮胎经过后的路表水平剪应力以及沿路面深度方向最大竖向应力、最大横向拉应力、最大横向拉应变和最大水平剪应力均随着摩擦系数增大而增大，路表竖向应力和轮胎经过前的路表水平剪应力则随着摩擦增大而减小。轮胎在曲线路段的运动速度和动能降低迅速，胎面摩擦力相应的增大，制动距离减小。曲线路段的路面动力响应指标普遍高于平直路段和纵坡路段，路面纵坡和超高会使路表的水平剪应力增大，却会使路面沿深度方向的相应力学指标的最大值减小。通过室内模型试验研究了凝冰沥青路面抗滑性能衰减规律并提出了预测模型，根据试验和有限元模拟结果，提出了凝冰沥青路面镶嵌破冰柱体的主动除冰抗滑装置，可有效解决凝冰沥青路面抗滑能力不足的问题，具有极大的推广应用价值。 2100433B

《基于横观各向同性的沥青路面设计理论及方法》 第一部分主要由基于横观各向同性的半空间体理论、多层弹性体系理论、沥青路面结构计算与分析程序、考虑路基路面材料横观各向同性特性沥青路面结构设计与分析等组成，第二部分为Erol Tutumluer博士主要从未粘结粒料基层（UAB）横观各向同性特性参数试验仪器的研制、室内试验验证、参数影响因素分析、实体工程的验证等方面进行了较为系统的研究与分析。《基于横观各向同性的沥青路面设计理论及方法》可供道路工程及相关学科的教师和研究生以及有关的研究人员和工程技术人员作参考。

我国潮湿山区公路路面冬季易形成凝冰，大气水分在凝冰上凝结的水膜使得路表完全丧失摩擦力，路面原有抗滑措施几乎失效，轮胎和路面间摩擦系数迅速降低，尤其在弯道、隧道出入口、长大纵坡等特殊高危路段，容易导致车辆行驶过程中产生滑移，危及行车安全。本项目拟通过室内小型模型试验实测轮胎与凝冰路面间摩擦力分布规律，考虑轮胎路面间非完全接触状态的瞬态耦合作用，求解车辆悬架和路面的不平度引起的车身对轮胎的真实动荷载作用，建立车辆与路面瞬态接触摩擦动力学数值分析模型，研究凝冰路面上车辆滑移时轮胎路面间相互作用受力特性和影响路面抗滑性能的力学响应指标，分析凝冰条件下高危路段沥青路面抗滑力学机理，根据力学分析结果和路面摩擦力实测结果建立路面抗滑性能衰减模型，为提高凝冰路面抗滑性能和我国抗滑沥青路面设计方法修订奠定基础。