第2章 行車荷載分析

導(dǎo)言車輛是路面結(jié)構(gòu)的服務(wù)對(duì)象，也是使路面結(jié)構(gòu)遭受損壞的主要原因。為能設(shè)計(jì)和修建出符合使用要求的路面結(jié)構(gòu)物，必須首先對(duì)作用在路面上的各種車輛的荷載特性進(jìn)行分析。車輛荷載特性是路面材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和分析的依據(jù)，也是路面使用狀況和損壞分析的基礎(chǔ)。第二章行車荷載分析劉紅坡（lhp0301@163.com）第二章行車荷載分析車輛的類型和輪軸組合1靜態(tài)車輛對(duì)道路的作用運(yùn)動(dòng)車輛對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響交通量調(diào)查與分析1234一、車輛的種類及輪軸道路上通行的車輛主要分為客車與貨車兩大類?？蛙嚕盒】蛙?、中客車、大客車大客車（>20座）中客車（6-20座）小客車（車速高120km/h以上，自重和滿載重量?。┮?、車輛的種類及輪軸貨車：整車、牽引式半掛車、牽引式掛車。整車的貨廂與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為一整體；一、車輛的種類及輪軸牽引式半掛車的牽引車與掛車可以分離，但是通過鉸接相連接，牽引車的后軸也擔(dān)負(fù)部分貨車的重力。一、車輛的種類及輪軸牽引式掛車的牽引車與掛車也是分離的，牽引車提供動(dòng)力，牽引后掛的掛車，有時(shí)可拖掛兩輛以上的掛車.整車2軸(4輪)掛車4軸2軸(6輪)5軸3軸5軸4軸5軸牽引半掛車3軸6軸4軸6軸5軸6軸4軸7軸不同軸型的貨車示意圖一、車輛的種類及輪軸輪軸組合單軸單輪單軸雙輪雙軸雙輪單軸四輪一、車輛的種類及輪軸通常，整車形式的客、貨車車軸分前軸和后軸。絕大部分車輛的前軸為二個(gè)單輪組成的單軸，軸載約為汽車總質(zhì)量的三分之一。極少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成，雙前軸的載重約為汽車總質(zhì)量的一半。汽車的后軸有單軸、雙軸和三軸三種，大部分汽車后軸由雙輪組組成，只有少量輕型貨車由單輪組成后軸。每根后軸的軸載大約為前軸軸載的兩倍。由于汽車貨運(yùn)向大型重載方向發(fā)展，貨車的總質(zhì)量有增加的趨勢(shì)，為了滿足各個(gè)國(guó)家對(duì)汽車軸限的規(guī)定，趨向于增加軸數(shù)以提高汽車總質(zhì)量。這樣就出現(xiàn)了各種多軸多輪的貨車，以減輕對(duì)路面的壓力。一、車輛的種類及輪軸為了減小重載車輛對(duì)路面的破壞，傾向于多軸多輪。二、車輛的靜力荷載作用—軸重汽車的總重量通過車軸和車輪傳遞給路面，所以路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要以軸重作為荷載標(biāo)準(zhǔn)。在眾多的車輛組合中、重型貨車和大客車起決定作用。對(duì)于小客車，行車速度高，主要對(duì)路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出較高的要求。二、車輛的靜力荷載作用—軸重軸重的大小直接關(guān)系到路面結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)承載力與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，各個(gè)國(guó)家均對(duì)軸重的最大限度有明確的規(guī)定。我國(guó)公路與城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范中均以100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸重。輪胎對(duì)道路的靜態(tài)壓力當(dāng)汽車停駐時(shí)，對(duì)路面的作用力為靜態(tài)壓力，主要是由輪胎傳遞到路面上。充氣輪胎在荷載作用下會(huì)產(chǎn)生壓縮變形。由車輪傳給路面的荷載分布在一定的面積上，這個(gè)面積稱為車輪與路面的接觸面積，或稱為輪印面積。隨著車輪荷載的增大，接觸面積也增大。接觸面積上的荷載集度稱為接觸壓強(qiáng)。接觸壓強(qiáng)大小和分布狀態(tài)受下述因素的影響：1）輪載的大??；2）汽車輪胎的充氣壓強(qiáng)；3）輪胎的剛度和新舊程度。輪胎與路面之間的接觸壓強(qiáng)、接地形狀和接觸面積是非常復(fù)雜的，在進(jìn)行路面設(shè)計(jì)時(shí)，通常不考慮這些復(fù)雜的因素。將車輪與路面之間的接地形狀簡(jiǎn)化為圓形。并且假定在接觸面積內(nèi)，接觸壓應(yīng)力是均勻分布的。簡(jiǎn)化為雙圓均布荷載雙圓當(dāng)量圓直徑輪胎對(duì)道路的靜態(tài)壓力輪胎對(duì)道路的靜態(tài)壓力《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTGD50-2006）中規(guī)定，路面設(shè)計(jì)采用雙輪組單軸載100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸載，以BZZ—100表示。BZZ—100設(shè)計(jì)參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ—100標(biāo)準(zhǔn)軸載P（kN）100輪胎接地壓強(qiáng)p（MPa）0.70單輪傳壓面當(dāng)量圓直徑d（cm）21.30兩輪中心距（cm）1.5d100kNBZZ-100當(dāng)車輛在路面上行駛時(shí)，除垂直荷載之外，作用在路面上的還有水平力，車輛不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，輪胎對(duì)道路的水平力是變化的。輪胎對(duì)道路的水平力車輪作用于路面的垂直壓力與水平力a)停駐；b)起動(dòng)、一般行使、加速；c)減速、制動(dòng)；d)轉(zhuǎn)向輪胎對(duì)道路的水平力在行駛過程中，車輪受到路面給它的滾動(dòng)摩擦阻力，路面也相應(yīng)地受到一向后的水平力。其大小：T1=fP

f=0.01-0.02（平整的AC、CPC路面）

f=0.04-0.05（有裂縫的AC、CPC路面）車輛制動(dòng)或加速驅(qū)動(dòng)時(shí)，作用在路面上的水平力：T2=ΦP

Φ——是滑動(dòng)摩阻系數(shù)，與路面的干濕和粗糙狀態(tài)有

關(guān)，值在0.3-1.0之間。

T2遠(yuǎn)大于T1，所以在經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)路段，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮輪胎給道路的水平力。輪胎對(duì)道路的水平力對(duì)于瀝青路面，過大的水平應(yīng)力能夠引起面層產(chǎn)生波浪、擁包和剪切破壞等。在城市道路和停車場(chǎng)以及上下坡路段，車輛經(jīng)常加速驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮水平力。水平力假設(shè)均勻分布，與豎向力在相同的接觸面內(nèi)。車輛制動(dòng)或加速驅(qū)動(dòng)時(shí)，作用在路面上的水平力要大得多，但是其作用的時(shí)間很短，而且由水平荷載引起的水平應(yīng)力隨深度的增大而迅速減弱。對(duì)于不經(jīng)常加速驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)路段，路面設(shè)計(jì)時(shí)一般不產(chǎn)考慮水平力。輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—?jiǎng)討B(tài)變動(dòng)由于車輛自身的振動(dòng)和路面的不平整，車輪實(shí)際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動(dòng)著。作用在路面上的輪載時(shí)而大于靜輪載，時(shí)而小于靜輪載，呈正態(tài)分布。輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—?jiǎng)討B(tài)變動(dòng)振動(dòng)荷載的最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數(shù)。在較平整的路面上，行車速度不超過50km/h，沖擊系數(shù)不超過1.30。車速增加，車輛的減振性能差或路面平整性不良，則沖擊系數(shù)還要增大。在設(shè)計(jì)瀝青路面時(shí)，由于瀝青混合料具有一定的粘彈性和減振作用，以靜輪載作為設(shè)計(jì)荷載。在設(shè)計(jì)水泥混凝土路面時(shí)，由于水泥路面上接縫的存在，而且水泥路面的剛度很大，車輛的振動(dòng)較大，對(duì)路面的沖擊力也大，必須考慮車輛的沖擊力對(duì)路面的損害。km/h行駛的汽車對(duì)路面施加的荷載有瞬時(shí)性，車輪通過路面上任一點(diǎn)，路面承受荷載的時(shí)間大約只有0.01—0.10s。路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力出現(xiàn)的時(shí)間很短，來(lái)不及傳遞分布，其變形特性不能像靜載那樣呈現(xiàn)得那樣完全。路面深度輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—瞬時(shí)性輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—瞬時(shí)性動(dòng)荷載作用下路面變形量的減小，主要是因?yàn)椴牧系恼硰椥砸蛩囟a(chǎn)生的材料阻尼作用，也可理解為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對(duì)提高，或是路面結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的相對(duì)增大。水泥路面瀝青路面隨著車速的提高，路基路面變形比靜止?fàn)顟B(tài)要小很多，這個(gè)影響量在設(shè)計(jì)中要予以考慮；對(duì)于粘彈性材料，由于應(yīng)力作用的瞬時(shí)性，允許按彈性材料分析。輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—瞬時(shí)性εtσtεt輪胎對(duì)道路的動(dòng)態(tài)影響—重復(fù)性彈性路面材料在重復(fù)荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞破壞；疲勞破壞？彈塑性材料，如土基和柔性路面，呈現(xiàn)出變形的累計(jì)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，道路上通行的各類軸載作用次數(shù)也是重要的因素。交通的統(tǒng)計(jì)與分析道路上行駛著不同類型和不同重量的車輛。路面結(jié)構(gòu)在它們作用下的應(yīng)力、應(yīng)變和彎沉也不同。設(shè)計(jì)時(shí)要考慮它們?cè)谠O(shè)計(jì)年限內(nèi)對(duì)路面的累積損壞作用。需要了解或估計(jì)現(xiàn)有的交通量和軸載組成，預(yù)估它們?cè)谠O(shè)計(jì)年限內(nèi)的增長(zhǎng)和變化。交通的統(tǒng)計(jì)與分析交道量是指一定時(shí)間間隔內(nèi)，各類車輛駛經(jīng)過道路某一橫斷面的數(shù)量?？赏ㄟ^現(xiàn)有的交通流量觀測(cè)站的調(diào)查資料，得到該道路的初始年平均日交通量。交通的統(tǒng)計(jì)與分析目前，各地觀測(cè)站進(jìn)行交通流量調(diào)查時(shí)，將車輛分成：小型貨車、中型貨車、大型貨車、集裝箱貨車、小型客車、大型客車、拖掛車、小型拖拉機(jī)、大中型拖拉機(jī)、自行車、人力車和畜力車等。非機(jī)動(dòng)車和2軸4輪小型貨車、小型客車、拖拉機(jī)對(duì)路面結(jié)構(gòu)損壞作用極為輕微，可忽略不計(jì)，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的交通量統(tǒng)計(jì)應(yīng)該從交通總量中將這些車輛扣除掉。交通的統(tǒng)計(jì)與分析調(diào)查所得為初始年的平均日交通量，要確定路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)的總交通量，還需預(yù)估該年限內(nèi)交通的發(fā)展。準(zhǔn)確地預(yù)估是較為困難的，通?？烧J(rèn)為交通量按等比數(shù)列增長(zhǎng)。需要估計(jì)交通量年平均增長(zhǎng)率。⑴可根據(jù)最近若干年內(nèi)連續(xù)觀測(cè)到的交通量資料，通過分析整理出期間交通量年平均增長(zhǎng)率的變化規(guī)律。利用它外延得到設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的交通量年平均增長(zhǎng)率；⑵也可依據(jù)當(dāng)?shù)厝丝?、?jīng)濟(jì)和交通的發(fā)展趨勢(shì)，參照其他可類比道路的交通增長(zhǎng)資料，選取適當(dāng)?shù)慕煌磕昶骄鲩L(zhǎng)率。設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量Ne

：或Ne——設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)交通量

N1——設(shè)計(jì)的初始年平均日交通量

Nt——設(shè)計(jì)的末年年平均日交通量

γ

——設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量年平均增長(zhǎng)率

t——設(shè)計(jì)年限

交通的統(tǒng)計(jì)與分析交通的統(tǒng)計(jì)與分析交通量為所有行車道上通過的往返車輛數(shù)，路面設(shè)計(jì)所依據(jù)的是交通量最大的車道上的交通量。應(yīng)該對(duì)交通量做哪些調(diào)整得到設(shè)計(jì)車道的交通量呢？交通的統(tǒng)計(jì)與分析交通量最大的車道上的交通量可通過對(duì)總交通量乘以方向系數(shù)和車道系數(shù)后得到。方向系數(shù)為一個(gè)行車方向的交通量占整個(gè)行車道交通量的比例。一般情況下，方向系數(shù)取用0.5。但有些專用道路可能出現(xiàn)一個(gè)方向的車輛明顯多于另一個(gè)方向的情況，這時(shí)，需通過調(diào)查后確定方向系數(shù)。一個(gè)方向的車道數(shù)多于一個(gè)時(shí)，各個(gè)車道上的交通量不會(huì)相等。通常，慢車道上的交通量占該方向交通量的大多數(shù)。將慢車道的交通量除以該方向的交通量，便可得到車道系數(shù)。路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所關(guān)心的是貨車，而絕大部分貨車都行駛在慢車道上，因而車道系數(shù)往往較大。某方向有兩個(gè)車道時(shí)，車道系數(shù)達(dá)0.8以上。交通的統(tǒng)計(jì)與分析交通的統(tǒng)計(jì)與分析交通量最大的車道上的交通量是各類車輛駛經(jīng)設(shè)計(jì)車道橫斷面的總數(shù)量。若將此交通量作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，則設(shè)計(jì)車道上每一點(diǎn)所經(jīng)受的交通量都相同。但實(shí)際上車輛輪跡只有一定寬度，車輛通過時(shí)只能覆蓋一小部分。因此，路面橫斷面上各點(diǎn)所受到的車輛作用次數(shù)，僅為通過該斷面交通量的一部分。應(yīng)該對(duì)設(shè)計(jì)車道的交通量做怎樣的修正？一個(gè)行車道交通的統(tǒng)計(jì)與分析通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，可以測(cè)定在不同等級(jí)的道路上車輛輪跡分布狀況的數(shù)據(jù)。交通的統(tǒng)計(jì)與分析影響車輛輪跡的橫向分布的因素，主要有路面寬度和車道寬度、交通組織管理方式（混合行駛或采取各種分隔措施分車道行駛）、交通密度和交通組成。交通的統(tǒng)計(jì)與分析對(duì)于路面橫斷面上輪跡寬度范圍內(nèi)的頻率，等于該寬度范圍內(nèi)所受到的車輛作用次數(shù)同通過該橫斷面的車輛作用總次數(shù)的比值，稱為輪跡橫向分布系數(shù)。輪跡覆蓋帶寬度通常為50cm左右(雙輪，每只輪胎寬20cm，輪隙10cm)。這時(shí)兩個(gè)相鄰條帶頻率之和的最大值就是輪跡橫向分布系數(shù)。輪跡橫向分布系數(shù)與設(shè)計(jì)車道上的車輛作用總次數(shù)相乘，可得到設(shè)計(jì)車道上行車最集中部分的車輪實(shí)際作用次數(shù)。交通的統(tǒng)計(jì)與分析在不分向混合行駛的狀況下，輪跡分布的觀測(cè)是在整個(gè)路面寬度范圍內(nèi)進(jìn)行的。因而按整個(gè)路面寬度統(tǒng)計(jì)出的輪跡橫向分布系數(shù)，即此系數(shù)的分母值是通過整個(gè)路面斷面的雙向交通量。交通的統(tǒng)計(jì)與分析分車道行駛時(shí)，觀測(cè)局限于車道，該數(shù)值是該車道的輪跡橫向分布系數(shù)，其分母是通過該車道斷面的單向交通量。交通的統(tǒng)計(jì)與分析—軸載譜路面設(shè)計(jì)的交通量調(diào)查不僅要關(guān)心某一橫斷面的交通數(shù)量，還要十分重視各類車型的軸載質(zhì)量，不同的軸重對(duì)路面的損害程度不同。軸載譜：各級(jí)軸載在整個(gè)車輛軸載組成中所占的比例，需實(shí)地調(diào)查。調(diào)查的方法：⑴靜態(tài)法：地磅，千斤頂。勞動(dòng)強(qiáng)度高、精度低、不安全。⑵動(dòng)態(tài)法：WIM(WeighInMotion)。不影響正常交通，自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，人為干擾因素少。分別記下各類車輛通過的車輛數(shù)、軸次數(shù)和軸重。交通的統(tǒng)計(jì)與分析—軸載譜按車型分別整理成各級(jí)軸重作用頻率的直方圖，作為該類車輛的典型軸載譜。由交通調(diào)查得到的各類車輛的日交通量，乘以該類車輛的軸載譜，可得每類車輛各級(jí)軸載的日作用次數(shù)。單軸單輪單軸雙輪雙軸三軸單軸單輪單軸雙輪雙軸三軸％軸載換算由于公路路面上的車輛種類不同，載重不同，對(duì)路面的作用也不同。為了比較各種不同類型車輛對(duì)路面相對(duì)作用的大小，可按照一定的原則，采用等效換算的方法，將各類不同軸載的作用換算為標(biāo)準(zhǔn)荷載的作用。軸載換算測(cè)試一個(gè)人耐力：從同一棟樓的一層往六層搬運(yùn)重物，同一個(gè)人，要求一定的行走速度。首先，提兩桶水（25kg/桶），連續(xù)提一個(gè)小時(shí)，就退出測(cè)試。休息兩天后，體力恢復(fù)，繼續(xù)測(cè)試：同一個(gè)人，提2滿桶棉花（1kg），連續(xù)提兩個(gè)小時(shí)，還不退出測(cè)試。人比作公路，不同負(fù)載的桶比作在公路上的汽車，什么樣的車更容易使公路破壞（相當(dāng)于人疲勞不堪）？軸載換算軸載換算：將道路上行駛的某種車輛軸載的通行次數(shù)按照等效原則換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量通行次數(shù)。我國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100。軸載等效換算的原則：在進(jìn)行換算時(shí)，應(yīng)該遵循兩項(xiàng)原則：⑴同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達(dá)到相同的損壞程度。⑵對(duì)于某一種交通組成，不論以哪種軸載為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行換算，由換算所得軸載作用次數(shù)計(jì)算得到的路面厚度相同。瀝青路面軸載換算瀝青路面設(shè)計(jì)的軸載換算方程：⑴當(dāng)以彎沉進(jìn)行厚度設(shè)計(jì)及瀝青層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算時(shí)N——標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次/日；n1——被換算車輛的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/日；P——標(biāo)準(zhǔn)軸載100KN；Pi——被換算車輛的各級(jí)軸載，KN；k——被換算車輛的類型數(shù)；C1——軸載系數(shù)，C1=1+1.2(m-1),m是軸數(shù)。當(dāng)軸間距大于3米時(shí)，按單獨(dú)的一個(gè)軸載計(jì)算，當(dāng)間距小于3米時(shí)，按雙軸或多軸計(jì)算。C2——輪組系數(shù)，單輪組為6.4，雙輪組為1，四輪組為0.38。瀝青路面軸載換算瀝青路面設(shè)計(jì)的軸載換算方程：⑵當(dāng)進(jìn)行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗(yàn)算N——標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次/日；n1——被換算車輛的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次/日；P——標(biāo)準(zhǔn)軸載100KN；Pi——被換算車輛的各級(jí)軸載，KN；k——被換算車輛的類型數(shù)；C1——軸載系數(shù)，C1=1+2(m-1),m是軸數(shù)。當(dāng)軸間距大于3米時(shí)，按單獨(dú)的一個(gè)軸載計(jì)算，當(dāng)間距小于3米時(shí)，按雙軸或多軸計(jì)算。C2——輪組系數(shù)，單輪組為1.85，雙輪組為1.0，四輪組為0.09。瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次Ne—設(shè)計(jì)年限內(nèi)一個(gè)車道上的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次(次/車道)；

t—設(shè)計(jì)年限（年）；N1—營(yíng)運(yùn)后第一年雙向日平均當(dāng)量軸次(次/日)；

—設(shè)計(jì)年限內(nèi)的交通量平均年增長(zhǎng)率（%）；

—車道系數(shù)，如下表瀝青路面累計(jì)軸載水泥混凝土路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以100kN的單軸-雙輪組荷載作為標(biāo)準(zhǔn)軸載。不同軸-輪型和軸載的作用次數(shù)，按下式換算為標(biāo)準(zhǔn)軸載的作用次數(shù)