刻槽混凝土路面表面功能研究

摘要

刻槽是提高水泥混凝土路面抗滑性的重要措施。但是刻槽混凝土路面噪声过大，路表构造耐久性不足问题突出，严重制约了水泥混凝土路面的推广与应用。为了推广水泥混凝土路面的应用，水泥混凝土路面的设计理念正在由目前的单一强度要求，转为在保证结构强度及其耐久性基础上，重视路表功能设计。本文依托国家西部交通建设科技项目“水泥混凝土路面表面功能研究”(项目编号：200731822301-8)，在广泛收集并分析国内外混凝土路面表面功能研究相关成果的基础上，对刻槽混凝土路面抗滑性、噪声和耐磨性等表面功能特性进行了深入而系统的研究。
　　 在分析轮胎与路面相互作用机理的基础上，应用有限元软件，建立了不同刻槽参数组合的纵向和横向刻槽混凝土路面与轮胎橡胶块的接触模型；分析了刻槽宽度、刻槽间距对混凝土路面与轮胎间纵向摩擦力和横向摩擦力的影响，为分析刻槽混凝土路面摩擦机理和选择合理的刻槽参数提供了理论依据。
　　 基于流体动力学理论，建立了刻槽混凝土路面上轮胎发生滑水的3D有限元体积模型，并利用NASA滑水试验数据对所建有限元模型进行了验证；在此基础上，计算了轮胎在不同刻槽参数混凝土路面上以不同速度运行时胎底的动水压力，绘制了不同刻槽参数混凝土路面上轮胎的速度—胎底动水压力曲线，得到了不同刻槽混凝土路面上轮胎发生滑水的运动方程；变化刻槽深度、刻槽宽度和间距，研究了不同刻槽混凝土路面上轮胎的滑水规律及刻槽参数对滑水的影响；以刻槽参数为因子，建立了轮胎不同运行速度时，胎底动水压力预测模型。
　　 引入了轮胎/路面噪声的滑行通过法，建立了轮胎/路面噪声的室内加速下落法，制订了这两种测试方法的实施细则。利用滑行通过法对西安市郊的4条横向刻槽混凝土路面的噪声进行了实测，建立了测试速度与声压的关系，得到了横向刻槽混凝土路面噪声的一些基本特性。同时，利用室内加速下落法对横向刻槽、纵向刻槽、光面及多孔隙混凝土路面的声压水平进行了实测，分析了光面及多孔隙混凝土路面与刻槽混凝土路面的噪声平差异的原因。在此基础上，利用灰色关联度分析法分析了刻槽参数对横向刻槽和纵向刻槽混凝土路面噪声水平的影响程度。
　　 研发了混凝土路面磨损室内加速试验设备，提出了刻槽混凝土路面构造深度衰减测试方法——平板法。以槽宽、槽深、槽间距等三个刻槽参数为因素，设计了正交试验，利用平板法测定了各组混凝土板在磨损过程中不同时刻的构造深度，并对正交试验结果进行了直观分析、极差分析和方差分析，确定了影响刻槽混凝土路面构造深度衰减的重要因素和耐磨性好的刻槽组合。利用摆式摩擦系数仪得到了不同磨损时刻的混凝土路面的摆值，在此基础上利用GM(1，1)模型建立了刻槽混凝土磨损过程中的摆值衰减规律模型。
　　 以水灰比、水泥用量、砂率和粗集料最大粒径等混凝土耐磨性的影响因素为因子，以混凝土的工作性、力学性能和耐磨性为评价指标设计正交试验，并利用模糊数学理论对多个评价指标的耐磨混凝土配合比设计方案进行评价，得到了耐磨性最优的配合比。在此基础上，研究了矿物掺合料对混凝土路面耐磨性的影响，并提出了混凝土路面耐磨性改善方案。
　　 最后，建立了以抗滑性、噪声值及耐磨性作为评价指标的混凝土路面表面功能评价体系，采用熵值法确定了各个指标的权重，建立了基于熵权与Topsis法的混凝土路面表面功能综合评价模型，并对常见刻槽组合的纵向及横向刻槽混凝土路面表面功能进行了评价，得到了表面功能最优的刻槽组合。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 路面—轮胎相互作用

1．2．2 轮胎滑水研究

1．2．3 混凝土路面噪声研究

1．2．4 混凝土路面抗滑衰减及改善措施研究

1．2．5 混凝土路面刻槽参数选择

1．3 主要研究内容

第二章 刻槽混凝土路面/轮胎相互作用分析

2．1 轮胎/路面相互作用机理

2．2 轮胎与路面相互作用有限元模型的建立

2．2．1 模型尺寸及网格划分

2．2．2 材料参数

2．2．3 边界条件及荷载

2．3 横向刻槽参数对混凝土路面/轮胎相互作用的影响分析

2．3．1 方案设计

2．3．2 结果分析

2．4 纵向刻槽参数对混凝土路面/轮胎相互作用影响分析

2．4．1 正常行驶条件下纵向刻槽参数对轮胎/路面相互作用力的影响

2．4．2 轮胎侧偏时纵向刻槽参数对轮胎/路面相互作用力的影响

2．5 本章小结

第三章 刻槽混凝土路面上轮胎滑水特性研究

3．1 轮胎滑水模型的建立

3．1．1 滑水有限元模拟基本思路

3．1．2 滑水控制方程

3．1．3 路面上轮胎滑水模型的建立

3．2 光滑平面上轮胎滑水模型的验证

3．2．1 模拟结果

3．2．2 与NASA滑水试验结果的对比

3．3 横向刻槽参数对滑水的影响

3．3．1 方案设计

3．3．2 计算结果

3．3．3 横向刻槽参数对滑水的影响

3．3．4 横向刻槽混凝土路面上胎底动水压力预测模型

3．4 纵向刻槽参数对滑水的影响

3．4．1 方案设计

3．4．2 计算结果

3．4．3 纵向刻槽参数对轮胎滑水的影响

3．4．4 纵向刻槽混凝土路面上胎底动水压力预测模型

3．5 本章小结

第四章 刻槽混凝土路面噪声特性研究

4．1 混凝土路面/轮胎噪声产生机理

4．2 混凝土路面噪声测试方法

4．2．1 滑行通过法

4．2．2 室内加速下落法

4．3 刻槽混凝土路面噪声现场测试及分析

4．3．1 试验路面

4．3．2 滑行通过法噪声测试分析

4．4 刻槽混凝土路面室内加速下落法测试分析

4．4．1 试验方案

4．4．2 不同制纹混凝土路面噪声室内测试分析

4．5 刻槽参数对水泥混凝土路面噪声特性影响的灰关联分析

4．5．1 灰色关联分析的计算步骤

4．5．2 刻槽参数对横向刻槽混凝土路面噪声水平影响的灰关联分析

4．5．3 刻槽参数对纵向刻槽混凝土路面噪声水平影响的灰关联分析

4．6 本章小结

第五章 刻槽混凝土路面抗滑性衰减及改善措施研究

5．1 混凝土路面磨损机理

5．2 混凝土路面抗滑性磨损试验方案

5．2．1 室内加速磨损试验仪的设计

5．2．2 室内抗滑磨损试验介绍及操作方法

5．2．3 试验方案

5．3 刻槽混凝土路面抗滑构造衰减试验结果分析

5．3．1 横向构造深度衰减结果分析

5．3．2 纵向构造深度衰减结果分析

5．4 刻槽混凝土路面摆值变化规律试验结果分析

5．4．1 横向刻槽混凝土路面摆值变化规律

5．4．2 纵向刻槽混凝土路面摆值变化规律

5．4．3 基于GM(1，1)模型的刻槽混凝土路面摆值预测

5．5 混凝土路面抗滑持久性改善技术研究

5．5．1 基于模糊正交试验的耐磨水泥混凝土配合比设计

5．5．2 矿物外掺料改善混凝土路面抗滑构造持久性技术研究

5．6 本章小结

第六章 刻槽混凝土路面表面功能评价

6．1 混凝土路面表面功能评价指标

6．2 混凝土路面表面功能综合评价模型的构建

6．2．1 路面表面功能综合评价方法的选择

6．2．2 熵值法确定指标权重分析步骤

6．2．3 Topsis分析法基本原理及分析步骤

6．3 基于熵权Topsis法的刻槽混凝土路面表面功能评价

6．3．1 横向刻槽混凝土路面表面功能评价

6．3．2 纵阿刻槽混凝土路面表面功能评价

6．4 本章小结

第七章 结论及建议

7．1 主要研究结论

7．2 创新点

7．3 建一步研究建议

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

攻读博士学位期间发表的学术论文

攻读博士学位期间参与的科研项目

致谢