第2章 行车荷载分析

导言车辆是路面结构的服务对象，也是使路面结构遭受损坏的主要原因。为能设计和修建出符合使用要求的路面结构物，必须首先对作用在路面上的各种车辆的荷载特性进行分析。车辆荷载特性是路面材料、结构设计和分析的依据，也是路面使用状况和损坏分析的基础。第二章行车荷载分析刘红坡（lhp0301@163.com）第二章行车荷载分析车辆的类型和轮轴组合1静态车辆对道路的作用运动车辆对道路的动态影响交通量调查与分析1234一、车辆的种类及轮轴道路上通行的车辆主要分为客车与货车两大类。客车：小客车、中客车、大客车大客车（>20座）中客车（6-20座）小客车（车速高120km/h以上，自重和满载重量小）一、车辆的种类及轮轴货车：整车、牵引式半挂车、牵引式挂车。整车的货厢与汽车发动机为一整体；一、车辆的种类及轮轴牵引式半挂车的牵引车与挂车可以分离，但是通过铰接相连接，牵引车的后轴也担负部分货车的重力。一、车辆的种类及轮轴牵引式挂车的牵引车与挂车也是分离的，牵引车提供动力，牵引后挂的挂车，有时可拖挂两辆以上的挂车.整车2轴(4轮)挂车4轴2轴(6轮)5轴3轴5轴4轴5轴牵引半挂车3轴6轴4轴6轴5轴6轴4轴7轴不同轴型的货车示意图一、车辆的种类及轮轴轮轴组合单轴单轮单轴双轮双轴双轮单轴四轮一、车辆的种类及轮轴通常，整车形式的客、货车车轴分前轴和后轴。绝大部分车辆的前轴为二个单轮组成的单轴，轴载约为汽车总质量的三分之一。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成，双前轴的载重约为汽车总质量的一半。汽车的后轴有单轴、双轴和三轴三种，大部分汽车后轴由双轮组组成，只有少量轻型货车由单轮组成后轴。每根后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。由于汽车货运向大型重载方向发展，货车的总质量有增加的趋势，为了满足各个国家对汽车轴限的规定，趋向于增加轴数以提高汽车总质量。这样就出现了各种多轴多轮的货车，以减轻对路面的压力。一、车辆的种类及轮轴为了减小重载车辆对路面的破坏，倾向于多轴多轮。二、车辆的静力荷载作用—轴重汽车的总重量通过车轴和车轮传递给路面，所以路面结构设计主要以轴重作为荷载标准。在众多的车辆组合中、重型货车和大客车起决定作用。对于小客车，行车速度高，主要对路面的表面特性如：平整性、抗滑性等，提出较高的要求。二、车辆的静力荷载作用—轴重轴重的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结构强度，各个国家均对轴重的最大限度有明确的规定。我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为标准轴重。轮胎对道路的静态压力当汽车停驻时，对路面的作用力为静态压力，主要是由轮胎传递到路面上。充气轮胎在荷载作用下会产生压缩变形。由车轮传给路面的荷载分布在一定的面积上，这个面积称为车轮与路面的接触面积，或称为轮印面积。随着车轮荷载的增大，接触面积也增大。接触面积上的荷载集度称为接触压强。接触压强大小和分布状态受下述因素的影响：1）轮载的大小；2）汽车轮胎的充气压强；3）轮胎的刚度和新旧程度。轮胎与路面之间的接触压强、接地形状和接触面积是非常复杂的，在进行路面设计时，通常不考虑这些复杂的因素。将车轮与路面之间的接地形状简化为圆形。并且假定在接触面积内，接触压应力是均匀分布的。简化为双圆均布荷载双圆当量圆直径轮胎对道路的静态压力轮胎对道路的静态压力《公路沥青路面设计规范》（JTGD50-2006）中规定，路面设计采用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，以BZZ—100表示。BZZ—100设计参数标准轴载BZZ—100标准轴载P（kN）100轮胎接地压强p（MPa）0.70单轮传压面当量圆直径d（cm）21.30两轮中心距（cm）1.5d100kNBZZ-100当车辆在路面上行驶时，除垂直荷载之外，作用在路面上的还有水平力，车辆不同的运动状态，轮胎对道路的水平力是变化的。轮胎对道路的水平力车轮作用于路面的垂直压力与水平力a)停驻；b)起动、一般行使、加速；c)减速、制动；d)转向轮胎对道路的水平力在行驶过程中，车轮受到路面给它的滚动摩擦阻力，路面也相应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（有裂缝的AC、CPC路面）车辆制动或加速驱动时，作用在路面上的水平力：T2=ΦP

Φ——是滑动摩阻系数，与路面的干湿和粗糙状态有

关，值在0.3-1.0之间。

T2远大于T1，所以在经常启动、制动路段，设计时必须考虑轮胎给道路的水平力。轮胎对道路的水平力对于沥青路面，过大的水平应力能够引起面层产生波浪、拥包和剪切破坏等。在城市道路和停车场以及上下坡路段，车辆经常加速驱动和制动，设计时必须考虑水平力。水平力假设均匀分布，与竖向力在相同的接触面内。车辆制动或加速驱动时，作用在路面上的水平力要大得多，但是其作用的时间很短，而且由水平荷载引起的水平应力随深度的增大而迅速减弱。对于不经常加速驱动和制动路段，路面设计时一般不产考虑水平力。轮胎对道路的动态影响—动态变动由于车辆自身的振动和路面的不平整，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动着。作用在路面上的轮载时而大于静轮载，时而小于静轮载，呈正态分布。轮胎对道路的动态影响—动态变动振动荷载的最大峰值与静载之比称为冲击系数。在较平整的路面上，行车速度不超过50km/h，冲击系数不超过1.30。车速增加，车辆的减振性能差或路面平整性不良，则冲击系数还要增大。在设计沥青路面时，由于沥青混合料具有一定的粘弹性和减振作用，以静轮载作为设计荷载。在设计水泥混凝土路面时，由于水泥路面上接缝的存在，而且水泥路面的刚度很大，车辆的振动较大，对路面的冲击力也大，必须考虑车辆的冲击力对路面的损害。km/h行驶的汽车对路面施加的荷载有瞬时性，车轮通过路面上任一点，路面承受荷载的时间大约只有0.01—0.10s。路面结构中应力出现的时间很短，来不及传递分布，其变形特性不能像静载那样呈现得那样完全。路面深度轮胎对道路的动态影响—瞬时性轮胎对道路的动态影响—瞬时性动荷载作用下路面变形量的减小，主要是因为材料的粘弹性因素而产生的材料阻尼作用，也可理解为路面结构刚度的相对提高，或是路面结构强度的相对增大。水泥路面沥青路面随着车速的提高，路基路面变形比静止状态要小很多，这个影响量在设计中要予以考虑；对于粘弹性材料，由于应力作用的瞬时性，允许按弹性材料分析。轮胎对道路的动态影响—瞬时性εtσtεt轮胎对道路的动态影响—重复性弹性路面材料在重复荷载作用下，呈现出材料的疲劳破坏；疲劳破坏？弹塑性材料，如土基和柔性路面，呈现出变形的累计。路面结构设计时，道路上通行的各类轴载作用次数也是重要的因素。交通的统计与分析道路上行驶着不同类型和不同重量的车辆。路面结构在它们作用下的应力、应变和弯沉也不同。设计时要考虑它们在设计年限内对路面的累积损坏作用。需要了解或估计现有的交通量和轴载组成，预估它们在设计年限内的增长和变化。交通的统计与分析交道量是指一定时间间隔内，各类车辆驶经过道路某一横断面的数量。可通过现有的交通流量观测站的调查资料，得到该道路的初始年平均日交通量。交通的统计与分析目前，各地观测站进行交通流量调查时，将车辆分成：小型货车、中型货车、大型货车、集装箱货车、小型客车、大型客车、拖挂车、小型拖拉机、大中型拖拉机、自行车、人力车和畜力车等。非机动车和2轴4轮小型货车、小型客车、拖拉机对路面结构损坏作用极为轻微，可忽略不计，路面结构设计时的交通量统计应该从交通总量中将这些车辆扣除掉。交通的统计与分析调查所得为初始年的平均日交通量，要确定路面设计年限内的总交通量，还需预估该年限内交通的发展。准确地预估是较为困难的，通常可认为交通量按等比数列增长。需要估计交通量年平均增长率。⑴可根据最近若干年内连续观测到的交通量资料，通过分析整理出期间交通量年平均增长率的变化规律。利用它外延得到设计使用期内的交通量年平均增长率；⑵也可依据当地人口、经济和交通的发展趋势，参照其他可类比道路的交通增长资料，选取适当的交通量年平均增长率。设计年限内累计交通量Ne

：或Ne——设计年限内的累计交通量

N1——设计的初始年平均日交通量

Nt——设计的末年年平均日交通量

γ

——设计年限内交通量年平均增长率

t——设计年限

交通的统计与分析交通的统计与分析交通量为所有行车道上通过的往返车辆数，路面设计所依据的是交通量最大的车道上的交通量。应该对交通量做哪些调整得到设计车道的交通量呢？交通的统计与分析交通量最大的车道上的交通量可通过对总交通量乘以方向系数和车道系数后得到。方向系数为一个行车方向的交通量占整个行车道交通量的比例。一般情况下，方向系数取用0.5。但有些专用道路可能出现一个方向的车辆明显多于另一个方向的情况，这时，需通过调查后确定方向系数。一个方向的车道数多于一个时，各个车道上的交通量不会相等。通常，慢车道上的交通量占该方向交通量的大多数。将慢车道的交通量除以该方向的交通量，便可得到车道系数。路面结构设计所关心的是货车，而绝大部分货车都行驶在慢车道上，因而车道系数往往较大。某方向有两个车道时，车道系数达0.8以上。交通的统计与分析交通的统计与分析交通量最大的车道上的交通量是各类车辆驶经设计车道横断面的总数量。若将此交通量作为结构设计参数，则设计车道上每一点所经受的交通量都相同。但实际上车辆轮迹只有一定宽度，车辆通过时只能覆盖一小部分。因此，路面横断面上各点所受到的车辆作用次数，仅为通过该断面交通量的一部分。应该对设计车道的交通量做怎样的修正？一个行车道交通的统计与分析通过现场观测，可以测定在不同等级的道路上车辆轮迹分布状况的数据。交通的统计与分析影响车辆轮迹的横向分布的因素，主要有路面宽度和车道宽度、交通组织管理方式（混合行驶或采取各种分隔措施分车道行驶）、交通密度和交通组成。交通的统计与分析对于路面横断面上轮迹宽度范围内的频率，等于该宽度范围内所受到的车辆作用次数同通过该横断面的车辆作用总次数的比值，称为轮迹横向分布系数。轮迹覆盖带宽度通常为50cm左右(双轮，每只轮胎宽20cm，轮隙10cm)。这时两个相邻条带频率之和的最大值就是轮迹横向分布系数。轮迹横向分布系数与设计车道上的车辆作用总次数相乘，可得到设计车道上行车最集中部分的车轮实际作用次数。交通的统计与分析在不分向混合行驶的状况下，轮迹分布的观测是在整个路面宽度范围内进行的。因而按整个路面宽度统计出的轮迹横向分布系数，即此系数的分母值是通过整个路面断面的双向交通量。交通的统计与分析分车道行驶时，观测局限于车道，该数值是该车道的轮迹横向分布系数，其分母是通过该车道断面的单向交通量。交通的统计与分析—轴载谱路面设计的交通量调查不仅要关心某一横断面的交通数量，还要十分重视各类车型的轴载质量，不同的轴重对路面的损害程度不同。轴载谱：各级轴载在整个车辆轴载组成中所占的比例，需实地调查。调查的方法：⑴静态法：地磅，千斤顶。劳动强度高、精度低、不安全。⑵动态法：WIM(WeighInMotion)。不影响正常交通，自动记录，数据准确，人为干扰因素少。分别记下各类车辆通过的车辆数、轴次数和轴重。交通的统计与分析—轴载谱按车型分别整理成各级轴重作用频率的直方图，作为该类车辆的典型轴载谱。由交通调查得到的各类车辆的日交通量，乘以该类车辆的轴载谱，可得每类车辆各级轴载的日作用次数。单轴单轮单轴双轮双轴三轴单轴单轮单轴双轮双轴三轴％轴载换算由于公路路面上的车辆种类不同，载重不同，对路面的作用也不同。为了比较各种不同类型车辆对路面相对作用的大小，可按照一定的原则，采用等效换算的方法，将各类不同轴载的作用换算为标准荷载的作用。轴载换算测试一个人耐力：从同一栋楼的一层往六层搬运重物，同一个人，要求一定的行走速度。首先，提两桶水（25kg/桶），连续提一个小时，就退出测试。休息两天后，体力恢复，继续测试：同一个人，提2满桶棉花（1kg），连续提两个小时，还不退出测试。人比作公路，不同负载的桶比作在公路上的汽车，什么样的车更容易使公路破坏（相当于人疲劳不堪）？轴载换算轴载换算：将道路上行驶的某种车辆轴载的通行次数按照等效原则换算为标准轴载的当量通行次数。我国的标准轴载为BZZ-100。轴载等效换算的原则：在进行换算时，应该遵循两项原则：⑴同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的损坏程度。⑵对于某一种交通组成，不论以哪种轴载为标准进行换算，由换算所得轴载作用次数计算得到的路面厚度相同。沥青路面轴载换算沥青路面设计的轴载换算方程：⑴当以弯沉进行厚度设计及沥青层层底拉应力验算时N——标准轴载的当量轴次，次/日；n1——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；P——标准轴载100KN；Pi——被换算车辆的各级轴载，KN；k——被换算车辆的类型数；C1——轴载系数，C1=1+1.2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。C2——轮组系数，单轮组为6.4，双轮组为1，四轮组为0.38。沥青路面轴载换算沥青路面设计的轴载换算方程：⑵当进行半刚性基层层底拉应力验算N——标准轴载的当量轴次，次/日；n1——被换算车辆的各级轴载作用次数，次/日；P——标准轴载100KN；Pi——被换算车辆的各级轴载，KN；k——被换算车辆的类型数；C1——轴载系数，C1=1+2(m-1),m是轴数。当轴间距大于3米时，按单独的一个轴载计算，当间距小于3米时，按双轴或多轴计算。C2——轮组系数，单轮组为1.85，双轮组为1.0，四轮组为0.09。沥青路面设计时的累计标准轴次Ne—设计年限内一个车道上的累计标准轴次(次/车道)；

t—设计年限（年）；N1—营运后第一年双向日平均当量轴次(次/日)；

—设计年限内的交通量平均年增长率（%）；

—车道系数，如下表沥青路面累计轴载水泥混凝土路面结构设计以100kN的单轴-双轮组荷载作为标准轴载。不同轴-轮型和轴载的作用次数，按下式换算为标准轴载的作用次数