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)對象，也是使路面結(jié)構(gòu)遭受損壞的主要原因。要設(shè)計和修建符合使用要求的路面結(jié)構(gòu)物，必須首先對作用在路面上的各種車輛的荷載特性進行分析。車輛荷載特性是路面材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析的依據(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)車輛對道路的作用運動車輛對道路的動態(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)動機為一整體；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，牽引車提供動力，牽引后掛的掛車，有時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)計主要以軸重作為荷載標準。在眾多的車輛組合中，中、重型貨車和大客車起決定作用。對于小客車，行車速度高，主要對路面的表面特性如：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)計承載力與結(jié)構(gòu)強度，各個國家均對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)計規(guī)范中均以100kN作為標準軸重。最大車輛總重為400kN。100kN13輪胎對道路的靜態(tài)壓力當汽車停止時，對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（壓應(yīng)力）。100kN14輪胎對道路的靜態(tài)壓力接觸壓強大小和分布狀態(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；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，在進行路面設(shè)計時，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量圓直徑輪胎對道路的靜態(tài)壓力16輪胎對道路的靜態(tài)壓力《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTGD50-2006）中規(guī)定，路面設(shè)計采用雙輪組單軸載100kN作為標準軸載，以BZZ—100表示。BZZ—100設(shè)計參數(shù)標準軸載BZZ—100標準軸載P（kN）100輪胎接地壓強p（MPa）0.70單輪傳壓面當量圓直徑d(cm)21.30兩輪中心距（cm）1.5d100kNBZZ-10017當車輛在路面上行駛時，除垂直荷載之外，作用在路面上的還有水平力，車輛不同的運動狀態(tài)，輪胎對道路的水平力是變化的。輪胎對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、一般行使、加速；c)減速、制動；d)轉(zhuǎn)向18輪胎對道路的水平力⑴在行駛過程中，車輪受到路面給它的滾動摩擦阻力，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）⑵車輛加速驅(qū)動或減速時，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輪胎對道路的水平力⑶車輛制動時，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，作用在路面上的橫向水平力約為0.1P。T2,T3遠大于T1，所以在經(jīng)常啟動、制動路段，設(shè)計時必須考慮輪胎給道路的水平力。20輪胎對道路的水平力對于瀝青路面，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)動和制動，設(shè)計時必須考慮水平力。水平力假設(shè)均勻分布，與豎向力在相同的接觸面內(nèi)。對于不經(jīng)常加速驅(qū)動和制動路段，路面設(shè)計時一般不產(chǎn)考慮水平力。22輪胎對道路的動態(tài)影響—動態(tài)變動由于車輛自身的振動和路面的不平整，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動著。作用在路面上的輪載時而大于靜輪載，時而小于靜輪載，呈正態(tài)分布。23輪胎對道路的動態(tài)影響—動態(tài)變動振動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)計瀝青路面時，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)計荷載。在設(shè)計水泥混凝土路面時，由于水泥路面上接縫的存在，而且水泥路面的剛度很大，車輛的振動較大，對路面的沖擊力也大，必須考慮車輛的沖擊力對路面的損害。24km/h行駛的汽車對路面施加的荷載有瞬時性，車輪通過路面上任一點，路面承受荷載的時間大約只有0.01—0.10s。路面結(jié)構(gòu)中應(yīng)力出現(xiàn)的時間很短，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。路面深度輪胎對道路的動態(tài)影響—瞬時性25輪胎對道路的動態(tài)影響—瞬時性動荷載作用下路面變形量的減小，主要是因為材料的粘彈性因素而產(chǎn)生的材料阻尼作用，也可理解為路面結(jié)構(gòu)剛度的相對提高，或是路面結(jié)構(gòu)強度的相對增大。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：臨時布設(shè)交通流量觀測站進行調(diào)查。年平均日交通量：27交通量的調(diào)查交通量調(diào)查時的車輛類型貨車客車拖拉機非機動車小型貨車中型貨車小型客車小型拖拉機自行車大型貨車集裝箱貨車大型客車大中型拖拉機人力車拖掛車畜力車28軸載的調(diào)查實測車輛的軸重得到。方法有：⑴靜態(tài)法：地磅。速度慢、不安全。⑵動態(tài)法：自動化軸載儀。對交通影響小，自動記錄，數(shù)據(jù)準確。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：各級軸載在整個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)計年限內(nèi)的總交通量，還需預(yù)估交通量在設(shè)計年限內(nèi)的發(fā)展。準確預(yù)估較為困難，通?？烧J為設(shè)計年限內(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)計年限內(nèi)第1年的交通量N1的計算得到：32交通量隨時間的變化需要預(yù)估交通量年平均增長率和N1?？筛鶕?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)計年限內(nèi)累計交通量Ne

：Ne——設(shè)計年限內(nèi)的累計交通量

N1——設(shè)計初始年年平均日交通量

Nt——設(shè)計末年年平均日交通量

γ——設(shè)計年限內(nèi)交通量年平均增長率

t——設(shè)計年限

交通量隨時間的變化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)計參數(shù)，則路面橫斷面上每一點所經(jīng)受的交通量都相同。車輛輪跡只有一定寬度，車輪通過時只能覆蓋路面寬度一小部分。車輛在路面上行駛時，車輪軌跡在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動。路面橫斷面上各點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，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路面寬度范圍內(nèi)進行的。分母值是通過整個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（二三四級公路），N0為通過整個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（高速和一級公路），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)計所依據(jù)的是交通量最大的車道上的交通量。應(yīng)該對交通量Ne進行修正得到設(shè)計車道的交通量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)為一個行車方向的交通量占整個行車道交通量的比例。一般情況下，方向系數(shù)取用0.5。44一個方向的車道數(shù)多于一個時，各個車道上的交通量不會相等。交通量在道路上的橫向分布45路面結(jié)構(gòu)設(shè)計所關(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，對路面的作用也不同。為了比較各種不同類型車輛對路面相對作用的大小，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準荷載的作用。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準軸載的當量通行次數(shù)。我國的標準軸載為BZZ-100。在進行軸載等效換算時，應(yīng)該遵循兩項原則：⑴同一種路面結(jié)構(gòu)在不同軸載作用下達到相同的損壞程度。⑵對于某一種交通組成，不論以哪種軸載為標準進行換算，由換算所得軸載作用次數(shù)計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)計的軸載換算方程：⑴當以彎沉進行厚度設(shè)計及瀝青層層底拉應(yīng)力驗算時N——標準軸載的當量軸次，次/日；n1——被換算車輛的各級軸載作用次數(shù)，次/日；P——標準軸載100KN；Pi——被換算車輛的各級軸載，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)。當軸間距大于3米時，按單獨的一個軸載計算，當間距小于3米時，按雙軸或多軸計算。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)計的軸載換算方程：⑵當進行半剛性基層層底拉應(yīng)力驗算N——標準軸載的當量軸次，次/日；n1——被換算車輛的各級軸載作用次數(shù)，次/日；P——標準軸載100KN；Pi——被換算車輛的各級軸載，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)。當軸間距大于3米時，按單獨的一個軸載計算，當間距小于3米時，按雙軸或多軸計算。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)計時的累計標準軸次Ne—設(shè)