第2章 行車荷載分析-3

第二章行車荷載分析劉紅坡（lhp0301@163.com）概述車輛是路面結(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。要設(shè)計(jì)和修建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)。2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12343一、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?。?一、車輛的種類及輪軸貨車：輕型貨車、中型貨車、重型貨車5一、車輛的種類及輪軸整車、牽引式半拖（掛）車、拖（掛）車整車：貨廂與汽車發(fā)動(dòng)機(jī)為一整體；6一、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。7一、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.8一、車輛的種類及輪軸組合通常，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兩個(gè)單輪組成的單軸，軸載約為汽車總質(zhì)量的三分之一。9一、車輛的種類及輪軸組合汽車的后軸有單軸、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。10輪軸組合單軸單輪單軸雙輪雙軸雙輪單軸四輪11二、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，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。12二、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)國家均對(duì)軸重的最大限度有明確的規(guī)定。我國公路與城市道路設(shè)計(jì)規(guī)范中均以100kN作為標(biāo)準(zhǔn)軸重。最大車輛總重為400kN。100kN13輪胎對(duì)道路的靜態(tài)壓力當(dāng)汽車停止時(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。接觸面積上的荷載集度稱為接觸壓強(qiáng)（壓應(yīng)力）。100kN14輪胎對(duì)道路的靜態(tài)壓力接觸壓強(qiáng)大小和分布狀態(tài)以及接地形狀受下述因素的影響：1）輪載的大小；2）汽車輪胎的充氣壓強(qiáng)；3）輪胎的剛度和新舊程度。15輪胎與路面之間的接觸壓應(yīng)力、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16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-10017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18輪胎對(duì)道路的水平力⑴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?。篢1=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）⑵車輛加速驅(qū)動(dòng)或減速時(shí)，作用在路面上的水平力：T2=ΦP

Φ——附著系數(shù)，與路面的干濕和粗糙狀態(tài)有關(guān)，一般為0.4～0.7。19輪胎對(duì)道路的水平力⑶車輛制動(dòng)時(shí)，作用在路面上的水平力：T3=ΦP

Φ——摩阻系數(shù)（不超過縱向滑移摩阻系數(shù)），與路

面的干濕和粗糙狀態(tài)有關(guān)，在0.7-0.80之間。⑷車輛在曲線上行駛時(shí)，作用在路面上的橫向水平力約為0.1P。T2,T3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。20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)生擁包和剪切破壞等。21輪胎對(duì)道路的水平力在城市道路和停車場以及上下坡路段，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)。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。22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。23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)。影響沖擊系數(shù)的因素：車速，車輛的減振性能以及路面平整的平整度。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。24km/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25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26交通量的調(diào)查交通量：指一定時(shí)間間隔內(nèi)，各類車輛駛經(jīng)道路某一橫斷面的數(shù)量。方法1：獲取現(xiàn)有的交通流量觀測站的調(diào)查資料。方法2：臨時(shí)布設(shè)交通流量觀測站進(jìn)行調(diào)查。年平均日交通量：27交通量的調(diào)查交通量調(diào)查時(shí)的車輛類型貨車客車拖拉機(jī)非機(jī)動(dòng)車小型貨車中型貨車小型客車小型拖拉機(jī)自行車大型貨車集裝箱貨車大型客車大中型拖拉機(jī)人力車拖掛車畜力車28軸載的調(diào)查實(shí)測車輛的軸重得到。方法有：⑴靜態(tài)法：地磅。速度慢、不安全。⑵動(dòng)態(tài)法：自動(dòng)化軸載儀。對(duì)交通影響小，自動(dòng)記錄，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。29軸載的調(diào)查分別記下每類車輛通過的車輛數(shù)、軸次數(shù)和軸載。單軸雙輪-貨車軸載(kN)軸數(shù)(次)頻率(%)0～200020～4010.540～6012660～80683580～1009247100～1202111軸載譜：各級(jí)軸載在整個(gè)車輛軸載組成中所占的比例。30軸載的調(diào)查按車型分別整理成各級(jí)軸載作用頻率的直方圖，作為該類車輛的典型軸載譜。每類車輛各級(jí)軸載的日作用次數(shù)=

此類車輛的日交通量×該類車輛的軸載譜單軸單輪單軸雙輪雙軸三軸頻率(%)軸載(kN)31交通量隨時(shí)間的變化調(diào)查所得為某一年或幾年的交通量。要得到路面設(shè)計(jì)年限內(nèi)的總交通量，還需預(yù)估交通量在設(shè)計(jì)年限內(nèi)的發(fā)展。準(zhǔn)確預(yù)估較為困難，通?？烧J(rèn)為設(shè)計(jì)年限內(nèi)的交通量按等比數(shù)列變化。第t年的交通量Nt可由設(shè)計(jì)年限內(nèi)第1年的交通量N1的計(jì)算得到：32交通量隨時(shí)間的變化需要預(yù)估交通量年平均增長率和N1。可根據(jù)最近若干年內(nèi)連續(xù)觀測到的交通量資料，分析整理得到交通量年增長率

。將

外延得到設(shè)計(jì)使用期內(nèi)的

。某公路2005-2010年年交通量匯總使用年限年份2005200620072008200920102011-2025交通量(萬輛)9095.4103.2105.8115.2120.5?年增長率(%)—6.06.0?33設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)交通量Ne

：Ne——設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)交通量

N1——設(shè)計(jì)初始年年平均日交通量

Nt——設(shè)計(jì)末年年平均日交通量

γ——設(shè)計(jì)年限內(nèi)交通量年平均增長率

t——設(shè)計(jì)年限

交通量隨時(shí)間的變化34交通量在道路上的橫向分布交通量Ne為所有行車道上通過的往返車輛數(shù)的總和。能否將Ne作為路面結(jié)構(gòu)疲勞破壞的設(shè)計(jì)參數(shù)？35交通量在道路上的橫向分布若將Ne作為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，則路面橫斷面上每一點(diǎn)所經(jīng)受的交通量都相同。車輛輪跡只有一定寬度，車輪通過時(shí)只能覆蓋路面寬度一小部分。車輛在路面上行駛時(shí)，車輪軌跡在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動(dòng)。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。36交通量在道路上的橫向分布需調(diào)查輪跡在道路上的橫向分布規(guī)律；將車道斷面上行車最集中部分的車輪的作用次數(shù)作為路面結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的交通量。37交通量在道路上的橫向分布通過現(xiàn)場觀測，測定在不同等級(jí)的道路上車輛輪跡分布狀況的數(shù)據(jù)。25cm38交通量在道路上的橫向分布分車道行駛時(shí)，觀測局限于車道，分母是通過該車道斷面的單向交通量。39交通量在道路上的橫向分布在不分向混合行駛的狀況下，輪跡分布的觀測是在整個(gè)路面寬度范圍內(nèi)進(jìn)行的。分母值是通過整個(gè)路面斷面的雙向交通量。40交通量在道路上的橫向分布輪跡覆蓋帶寬度通常為50cm左右。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)。行車最集中部分的車輪作用次數(shù)=

車道上的車輪作用總次數(shù)×輪跡橫向分布系數(shù)41交通量在道路上的橫向分布行車最集中部分的車輪作用次數(shù)N1=車道上的車輪作用總次數(shù)N0

×輪跡橫向分布系數(shù)η。在不分方向，車輛混合行駛時(shí)（二三四級(jí)公路），N0為通過整個(gè)路面斷面的雙向交通量Ne

，

N0

=Ne在分方向，車輛分車道行駛時(shí)（高速和一級(jí)公路），N0是通過單車道斷面的單向交通量，N0

＜

Ne42交通量在道路上的橫向分布交通量Ne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Ne進(jìn)行修正得到設(shè)計(jì)車道的交通量N0

43交通量在道路上的橫向分布交通量最大的車道上的交通量N0=總交通量Ne×方向系數(shù)×車道系數(shù)。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。44一個(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。交通量在道路上的橫向分布45路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所關(guān)心的是貨車，大部分貨車行駛在慢車道上，慢車道上的交通量占該方向交通量的大多數(shù)。將慢車道上的交通量除以該方向的交通量，便可得到車道系數(shù)。設(shè)計(jì)車道上的交通量N0=總交通量Ne×方向系數(shù)×車道系數(shù)交通量在道路上的橫向分布46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。47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)。我國的標(biāo)準(zhǔn)軸載為BZZ-100。在進(jìn)行軸載等效換算時(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。48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。49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。50瀝青路面設(shè)計(jì)時(shí)的累計(jì)標(biāo)準(zhǔn)軸次Ne—設(shè)