B行車荷載的分析

1、行車荷載的分析AnalysisOf Vehicle Loading第二章1 汽車是路面的服務對象，也是使路基和路面結(jié)構(gòu)遭受破壞的主要肇因。要能設計和修建出既符合使用要求又經(jīng)久耐用的路基和路面結(jié)構(gòu)物，就必須首先對行駛在路上的車輛作一考察。要考慮的車輛因素主要有：車輛荷載的大小和特性、分布、持續(xù)時間、在使用期內(nèi)行車的變化情況及數(shù)量等。 本章先從介紹汽車的種類和軸型出發(fā)，從靜態(tài)的角度來分析汽車荷載的作用圖式和大小，接著考察運動著的車輛荷載對路面的影響，最后討論怎樣分析和考察路面結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)所收到的各種車輛荷載的累計作用次數(shù)。22-1 車輛荷載的分析一、車輛的類型：1.小型客車：包括小臥車、小面包

2、車等，它們的車速高，重量小，總重一般大于12KN，最高車速一般大于100km/h,6m長,2m高,1.8寬.2.大型客車:用于城市交通或城鄉(xiāng)運營,有些地方還使用鉸接式大客車。滿載重量一般大于100KN,最小車速常不小于60km/h3. 載貨汽車:有一般載貨汽車、自卸汽車牽引車及被牽引的拖掛車、 平板車和集裝箱車等。一般總重為50150KN,最高車速約為70-80km/h.自卸車總重為150500KN以上,多用于礦山內(nèi)部運輸及施工工地的材料運輸,一般不作長途運輸,最高車速約為40-50km/h.牽引車自重約為50KN,被牽引的拖掛車,平板車,集裝箱車的最大重量大于1000KN.在路面設計中,一般

3、將特種工程車輛視為載貨汽車. 在路面結(jié)構(gòu)設計及路基穩(wěn)定性驗算中,主要考慮大型客車及載貨汽車的作用。而在評定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)時,應考慮小車高速行駛的安全性和舒適性.3 汽車通過安裝在車軸上的輪子把荷載傳給路面。汽車類型眾多,車輪與車軸的組合型式也變化繁多,目前,輪軸型式分為三大類：1.固定車身類:最大量最普通的一類.車軸可分為前軸和后軸. 大部分的前軸為兩側(cè)各一個單輪組成的單軸, 約為汽車總重的1/41/3.少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成,雙前軸的軸載約為汽車總重的一半.汽車的后周有單軸和雙軸,后軸由雙軸組成的較多,每根后軸的軸載約為前軸軸載的兩倍.掛車類: +1.1 , +1.

4、2 , +2.2.牽引車類: -11, -22, -44二、汽車的軸型42-2 車輛的重力作用含自重和載重,車輛通過輪胎將其重力傳給路面,再由路面擴至路基。一. 接觸壓力: 處于靜載時,汽車的輪胎對路面的平均垂直壓強.同輪胎大小,輪胎的充氣內(nèi)壓力及其輪胎的性質(zhì)有關(guān). 一般輪胎的氣壓為0.4-0.7MPa,路面設計時,接觸壓力視為均勻分布二.接觸面積: 實際胎面的花紋,實用上接觸時的投影面積,有圓形和橢圓形,常用圓形.P為車輪荷載 當車輪的一側(cè)為雙輪組時，其接觸面積一般可換算為面積與它相等的一個圓形面積。若將雙輪組的每一個輪子與路面的接觸面積為面積相等的圓形面積，則雙輪組可換算為兩個圓形面積。前

5、者叫單圓式，后者叫雙圓式。都是當量圓，不是真正的圓形。5三、等代荷載：在路基路面穩(wěn)定性驗算中，車輛荷載常換算成等代均布土層厚度。在高速、一級公路（有集裝箱公路）：用汽超20級，掛車-120在二、三級公路：用汽-20級，掛車-100在改建三級公路：用汽-15級，掛車-80在四級公路：用汽-10級，履帶-502-3 行車的動態(tài)分析主要研究路面的受力狀況。如動力作用、水平力、瞬時性、重復性。一、動力作用： 由于路面不平和自身振動，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動著。1、沖擊系數(shù) 2、動荷系數(shù) 3、影響因素（行車速度、路面平整度、車輛的振動特性）6變差系數(shù)：標準離差與靜載的比值。 通常變差系

6、數(shù)0.3二、輪載作用的瞬時性： 使路面變形量，意味著路面結(jié)構(gòu)的抗變形能力（剛度）和強度動荷載與靜載的比值稱為沖擊系數(shù)，常為1.3（在較平整路面上，車速50km/h時） 如此短的荷載作用時間，使路面結(jié)構(gòu)中的應力來不及傳遞分布，其變形不會像靜載時那樣充分。美國公路工作者協(xié)會（AASHO）曾經(jīng)做過試驗發(fā)現(xiàn)：不同車速下瀝青路面和水泥混凝土路面表面的變形進行過實測，表明：當車速由3.2km/h56km/h時，柔性路面的總彎沉量f（變形）減少了36-38%；而當車速由3.2km/h96.7km/h時，剛性路面的板角撓度f和板邊應變量降低了29%左右。設計時：設計輪載=靜輪載 行車以一定速率行經(jīng)路面時，路表

7、面上任一點所經(jīng)受輪載的時間很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度處應力持續(xù)作用時間稍長些，但仍很短。見P147三、水平力：2.牽引力引起的水平力：Fd P 通常為0.5-0.7（干燥） 0.3-0.5（潮濕） 0.1-0.2（結(jié)冰）1.滾動阻力：F0= P =0.01-0.02（AC、CC路面）1-2% 向前 （輪胎對路面） =0.025-0.05（砂石路面）3.起動（制動）阻力：Fsf s P f s通常為0.7-0.8（干燥） fs為路面與輪胎間的制動摩阻系數(shù)，常f 0 路面的縱向滑移摩阻系數(shù)見P15表2-2 f 0同路面類型、路面特性、路面干濕狀況和車速有關(guān)。4.車輛（加）減

8、速實時，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P5. 離心力：Fl0.1 P 可見，水平力最大為緊急制動時：可達豎直力的80%，設計時必須考慮。水平力分布也假設為均布的，且在豎向力相同的接觸面內(nèi)。82-4 交通分析 路面結(jié)構(gòu)設計時要考慮荷載重復作用的次數(shù)，這就涉及到分析道路的交通量。各種軸型、各級軸載重復作用的累計次數(shù)。路面所受荷載為重復荷載，其破壞機理為疲勞破壞。AC路面：10-15年， CC路面：20年 不大修。一.交通量的統(tǒng)計與預測：1. 平均日交通量n：指一定時間（每日，一晝夜24小時）通過道路某一斷面的車輛總數(shù)。通過交通量調(diào)查：連續(xù)式每天24小時（一年）；費時費力，但較

9、全面 間隙式每月選幾天，省時省事，但代表性差 實用上可根據(jù)觀測資料中周和年的變化規(guī)律特點，選擇有代表性的觀測日。也可根據(jù)觀測的結(jié)果乘以相應的不均勻系數(shù)。如月觀測系數(shù)、日觀測系數(shù)或周觀測系數(shù)。見P16例題。 目前，我國公路交通量觀測站在調(diào)查記錄時，將車輛分為載重量不滿25KN的小型貨車、25-80KN的中型貨車、大于80KN的大型貨車、小型客車、大型客車、汽車拖掛車、拖拉機（大中學、小學）和非機動車（獸力車、人力車、自行車）11類。 其中：小型拖拉機、小客車、小型載貨汽車及非機動車對路面結(jié)構(gòu)性能影響很小，在路面結(jié)構(gòu)設計時，不予考慮，故在統(tǒng)計時加以扣除。92. 使用期內(nèi)累計交通量： 道路的交通量會

10、隨年份而增長的?，F(xiàn)在的車比以前多得多，且每年都在增長，而要求得路面在使用期內(nèi)通過的累計車輛次數(shù)，必須考慮交通量的年增長率。當然 很難正確估計 ，只能預估，考慮今后可能達到的飽和量和地方經(jīng)濟文化發(fā)展趨勢等因素定。 則：在使用期內(nèi)的累計交通量： t為使用年限，n1 為開始年的年平均日交通量。 在雙向車道上：還要考慮方向不均勻系數(shù)，一般為0.5-0.6 在多車道上：要考慮車道不均勻系數(shù)，1.0（1車道/方向） 0.8-1.0 （2車道/方向） 0.6-0.8 （3車道/方向）二 .軸（輪）載譜:指行駛在路上的車輛，各輪（軸）重各不相同，對路面的破壞程度也不同，故還需考慮不同大小的軸載在整個車輛中所占

11、的比例 軸載譜可通過在路面埋置地磅或傳感器來記錄，其次數(shù)、重量可畫成直方圖。見P17 2-6圖 由交通調(diào)查可得各級軸載的年平均日作用次數(shù)，若已知，則可得各級軸載的累計作用次數(shù)。年平均日作用次數(shù)=平均軸數(shù)平均日交通量10三、軸載的等效換算： 1. 組成：由于軸載的種類很多，通常將各級軸載換算為某一標準軸載來考慮。如100KN（我國和大部分國家），也有些國家以130KN或80KN作為標準軸載。2. 等效換算原則：同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的疲勞損壞程度時，相應的作用次數(shù)被認為是等效的。 3. 換算公式（換算系數(shù)公式）：Ns為每日通過的標準軸載次數(shù)，下標s為標準的，i為i級軸載.Ps=1

12、00KN,為反映軸數(shù)、輪組數(shù)的影響系數(shù)。1).瀝青路面： 計算路表彎沉及瀝青層層底拉應力時:（見P163-164）相當于: = C1 C2 n = 4.35C1與軸數(shù)有關(guān),C1=1+1.2(m-1) m為軸數(shù)C2與輪數(shù)有關(guān),單輪 C2=6.4 ,雙輪 C2=1.0 四輪 C2=0.38112).水泥路面 (P210) 計算半剛性基層層底拉應力時:n=8 i 為軸數(shù)系數(shù), 單軸 i = 1.0 雙軸時 Pi=200KNC1=1+2(m-1) m為軸數(shù)單輪 C2=18.5 ,雙輪 C2=1.0 四輪 C2=0.09(縱縫處)(橫縫處) 12四、輪跡的橫向分布： 1. 水泥混凝土路面設計規(guī)范(輪跡橫向分布系數(shù))。 從P19圖2-7:分車道單向行駛,寬3.75m的車道上實測到的輪跡橫向分布頻率曲線,可見在離邊緣0.9-3.0m附近的分布頻率達峰值.輪跡覆蓋帶寬為50cm.(輪寬20cm,輪隙10cm,雙輪組)故圖中相鄰兩