汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法与流程

本发明涉及道路工程，特别涉及一种汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法。

背景技术：

1、20世纪90年代以来，我国的汽车产业进入了快速发展时期，汽车产品逐渐进入了个人消费领域，汽车产业的飞速发展离不开汽车试验场的使用，而且从一定程度上讲，汽车外业道路试验是考核和评价汽车质量的最终技术措施和手段，而汽车试验场则是专供汽车进行道路试验用的场所。汽车试验场中最核心、关键的试验道路则集中体现在高速环道上，从八十年代汽车试验场开建，国内陆续兴建了不少专业试验场，而高速环道从最早的听筒型水泥混凝土铺面发展到现在以椭圆型为主流的沥青铺面环道，平衡设计车速也从最初的120km/h，发展到现在的240km/h甚至更高的试验车速要求。高速环道是对新车型在持续高速行驶情况下进行耐久性试验、动力性试验、燃料经济性试验等的主要试验道路之一，是汽车试验场中专供汽车进行连续高速行驶试验的循环环道。

2、汽车试验场高速环道包括高速直道和高速环道，对于高速直道而言，仅存在车辆荷载作用于铺面中的水分引发的动水冲刷和孔隙水压力作用，高速直道存在发生水损坏的风险；对于高速环道而言，由于超高的存在，汽车高速行驶状态下，由于离心力作用，车轮施加给铺面一定的切向力作用，由此高速环道上铺面受力更为严苛。目前汽车试验场高速环道仍按照公路沥青路面结构设计方法进行设计不尽合理，使得汽车试验场高速环道铺面使用耐久性不能满足汽车长期试验需求。对于高速环道铺面而言，切向力的作用使得铺面结构内承受较大的剪应力，而铺面内高速行车下孔隙水的作用将加速铺面的剪切损坏。此外，由于汽车试验场通常建设于极端温度环境，极端高温将使得沥青铺面抗剪强度降低。

3、高速环道为大倾角曲面工况，倾角不低于40°，测试车辆为乘用车，测试车速不低于200km/h，由此沥青铺面上的受力条件不同于公路沥青路面，无法按照公路沥青路面结构设计方法进行设计，而目前尚缺乏试验场高速环道沥青铺面设计方法。

4、综上，200km/h及以上速度的高速行车、沥青铺面孔隙水的存在以及极端高温环境的耦合作用，使得高速环道沥青铺面处于极端严苛的服役环境，从而加速沥青铺面的损坏。由此，亟待提出一种设计方法，从设计阶段综合考虑高速行车切向力、孔隙水及高温环境等因素，设计合理可靠的沥青铺面结构。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中高速环道沥青铺面设计方法中未考虑车轮对铺面的切向力和铺面内孔隙水的因素，从而导致铺面设计不合理的缺陷，提供一种汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法。

2、本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

3、一种汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法，其包括以下步骤：

4、s1、确定沥青铺面的特征设计参数；

5、s2、根据特征设计参数计算试验车施加给沥青铺面的切向力；

6、s3、根据特征设计参数和切向力计算沥青铺面的结构的空间剪应力分布τxy、τxz、τyz，其中x向为行车方向，z向为垂直于沥青铺面向下的方向，y向为垂直于x向和z向的方向，τxy为沥青铺面的结构在z向的剪应力，τxz为沥青铺面的结构在y向的剪应力，τyz为沥青铺面的结构在x向的剪应力；

7、s4、根据空间剪应力分布τxy、τxz、τyz确定沥青铺面的结构内最大剪应力值和最大剪应力值的位置；

8、s5、确定沥青铺面的计算模型材料参数，根据模型材料参数确定沥青铺面的结构内最大剪应力的位置所处结构层位的沥青混合料的抗剪强度；

9、s6、将沥青铺面的最大剪应力值与抗剪强度进行对比，验算沥青混合料结构的抗剪强度是否大于沥青铺面的结构内的最大剪应力值，若是，则此沥青铺面的设计合格，若否，则此沥青铺面设计不合格。

10、在本方案中，首先确定计算沥青铺面抗剪强度所需的特征设计参数作为计算的已知条件，因为沥青铺面内的剪应力来自试验车对沥青铺面的切向力，所以要计算出试验车对沥青铺面的切向力值，根据此切向力确定沥青铺面内的剪应力分布τxy、τxz、τyz，根据沥青铺面内的剪应力分布找出沥青铺面内的最大剪应力的所在位置，根据最大剪应力的所在位置计算此处沥青混合料的抗剪强度，再将最大剪应力与抗剪强度作比较，如果最大剪应力大于抗剪强度，说明此沥青铺面不足以抵抗试验车的剪切破坏，所以设计不合格，反之，则设计合格。

11、通过上述步骤，由于考虑到试验车对铺面的切向力和铺面内孔隙水这些额外因素，使得铺面内剪应力分布的计算结果更为准确，最大剪应力与抗剪强度的比较更加具有可信度，从而使铺面设计更为合理。

12、优选地，特征设计参数包括高速环道高速车道设计超高、高速环道高速车道设计半径、设计车速、试验车轮距、试验车质心高度。

13、在本方案中，上述特征设计参数用于计算试验车内外侧车轮对沥青铺面的切向力，将切向力的影响考虑进该高速环道沥青铺面抗剪设计方法中，提高该方法的合理性。

14、优选地，在步骤s2中，切向力的计算公式如下：

15、

16、

17、

18、

19、fo＝f-fi

20、式中，wi为试验车后轴内侧车轮施加给沥青铺面的法向力，单位为kn；wo为试验车后轴外侧车轮施加给沥青铺面的法向力，单位为kn；fi为试验车后轴内侧车轮施加给沥青铺面的切向力，单位为kn；fo为试验车后轴外侧车轮施加给沥青铺面的切向力，单位为kn；g为试验车后轴轴重，单位为kn；h为试验车质心高度，单位为m；b为试验车轮距，单位为m；v为设计车速，单位为km/h；r为高速环道高速车道设计半径，单位为m；θ为高速环道高速车道设计超高。

21、在本方案中，wi与wo的计算都采用力矩平衡的方法，wi的计算是对外侧车轮与沥青铺面的接触点进行分析，wo的计算是对内侧车轮与沥青铺面的接触点进行分析，f的计算方式为试验车对沥青铺面的切向力的合力，也可写为fi+fo，fi的计算方法为f乘以内侧车轮对沥青铺面的法向力在试验车对沥青铺面的总法向力的占比，相应的fo即f与fi之差。

22、优选地，在步骤s2中，还包括计算试验车施加给沥青铺面的切向力因子ε，切向力因子ε的计算公式为：

23、ε＝f/(wi+wo)

24、试验车后轴内侧车轮施加给沥青铺面的切向力fi的计算公式为：

25、fi＝wi·ε

26、试验车后轴外侧车轮施加给沥青铺面的切向力fo的计算公式为：

27、fo＝wo·ε。

28、在本方案中，计算切向力因子ε为一种简化算法，在计算出一个车轮法向力的结果后可以直接计算该车轮的切向力，相比于上一种算法简化了计算内车轮对沥青铺面的法向力的占比，即不需要计算且在改变试验车型号(即改变试验车后轴轴重g)计算法向力后可直接计算相应的切向力，其他参数数值改变后，也不影响其计算过程的复杂程度，总体上缩短了计算步骤，且计算更为简单。

29、优选地，步骤s2与步骤s3之间还包括步骤s21，步骤s21包括：

30、计算出fi、fo的数值之后，比较fi、fo的数值大小，定义数值更大的切向力为切向力fl；

31、在步骤s3中，根据特征设计参数和切向力fl计算沥青铺面的结构的空间剪应力分布τxy、τxz、τyz，选取切向力大的车轮作为计算坐标的取值部位。

32、在本方案中，因为该汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法采用的是最大剪应力，所以只要计算切向力较大的车轮处的剪应力分布，步骤s21用于找出切向力较大的车轮，减少计算复杂程度。

33、优选地，在步骤s4中，计算多组空间剪应力分布τxy、τxz、τyz的数值以绘制包络图，根据包络图确定最大剪应力的所在位置；

34、其中，定义切向力大的车轮的下表面中心为沥青铺面的结构的空间剪应力分布τxy、τxz、τyz的坐标原点；x向和y向的坐标取值范围在x向和y向的平面内为以坐标原点为中心的矩形，矩形的各边边长均大于车轮的宽度；z向的取值范围大于0且不超过沥青铺面的深度。

35、在本方案中，计算范围选取以坐标原点为中心的矩形作为底面，沥青铺面的厚度为高的长方体，其中，矩形的各边边长均大于车轮的宽度，由于行车时主要应力分布于车轮与沥青铺面的接触面所在的铺面结构中，且车轮对沥青铺面施力时会导致车轮与沥青铺面的接触面外侧的小范围内发生形变，为了将这一部分形变所产生的影响考虑进计算结果，故选取上述范围作为该汽车试验场高速环道沥青铺面抗剪设计方法的计算范围，选取此计算范围的计算更加精确。

36、优选地，模型材料参数包括弹性模量、泊松比、渗透系数。

37、在本方案中，弹性模量和泊松比用于计算沥青铺面结构内最大剪应力位置所处结构层位的沥青混合料的抗剪强度，渗透系数作为计算沥青铺面内剪应力分布的一个计算条件，其为孔隙水对沥青铺面内剪应力的影响，将孔隙水的影响考虑进该方法，有利于更加精确地计算剪应力分布，从而使计算结果更为可靠。

38、优选地，沥青铺面的结构的空间剪应力分布τxy、τxz、τyz采用多孔介质流固耦合与有限元理论计算。

39、在本方案中，沥青铺面是多孔结构，其内部不可避免地含有空气等流体，采用多孔介质流固耦合理论将流体的影响算入剪应力的计算过程中，有限元理论的应用可以减少计算难度，使用有限元计算软件输入特征设计参数、模型材料参数、计算公式和计算坐标即可计算出沥青铺面的结构的空间剪应力分布τxy、τxz、τyz。

40、优选地，验算沥青铺面的设计合理性的验算公式为：

41、τm≤τd/k

42、式中，τm为沥青铺面的结构内的最大剪应力值，单位为mpa；τd为沥青铺面结构内最大剪应力位置所处结构层位的沥青混合料的抗剪强度，单位为mpa；k为结构安全系数，且k为常数；

43、若满足上述验算公式，则此沥青混合料的铺面的设计合格，若不满足，则不选用此沥青混合料作为沥青铺面的结构材料。

44、在本方案中，由于高速环道的服役条件通常为高温条件(40-60℃)，温度对沥青铺面的抗剪强度的影响不容忽视，沥青铺面结构安全系数k与温度有关，所以增加了结构安全系数k作为该设计方法的温度影响的计算条件，从而将温度作为该方法考虑的一个影响因素，提高检验抗剪强度的准确性。

45、优选地，沥青铺面的最高温度大于60℃时k取1.5，沥青铺面的最高温度在40-60℃时k取1.2，沥青铺面的最高温度小于40℃时k取1.1。

46、在本方案中，在不同的温度下结构安全系数k的数值会发生改变，本方案选取了在该高速环道的服役条件的温度区间内的结构安全系数k的数值，使计算更加准确。

47、本发明的积极进步效果在于：该高速环道铺面结构抗剪设计方法，以高速环道特征参数、试验车参数作为输入精准计算得出高速环道沥青铺面承受的切向力，采用多孔介质材料模型，在验算阶段引入基于环境温度的结构安全系数，从而在设计阶段充分考虑了高速环道大超高、高速行车、路面高温、高速行车下孔隙水作用等对铺面使用耐久性的不利因素，并以最不利条件为原则，提出了沥青铺面抗剪设计验算方法，显著提升了汽车试验场高速环道沥青铺面的合理性、有效性和可靠性，进而有助于提高高速环道沥青铺面的使用耐久性和服役品质。