第2章 行车荷载分析-3

第二章行车荷载分析刘红坡（lhp0301@163.com）概述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。要设计和修建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。2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12343一、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）4一、车辆的种类及轮轴货车：轻型货车、中型货车、重型货车5一、车辆的种类及轮轴整车、牵引式半拖（挂）车、拖（挂）车整车：货厢与汽车发动机为一整体；6一、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。7一、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.8一、车辆的种类及轮轴组合通常，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两个单轮组成的单轴，轴载约为汽车总质量的三分之一。9一、车辆的种类及轮轴组合汽车的后轴有单轴、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。10轮轴组合单轴单轮单轴双轮双轴双轮单轴四轮11二、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，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。12二、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。最大车辆总重为400kN。100kN13轮胎对道路的静态压力当汽车停止时，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。接触面积上的荷载集度称为接触压强（压应力）。100kN14轮胎对道路的静态压力接触压强大小和分布状态以及接地形状受下述因素的影响：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。15轮胎与路面之间的接触压应力、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16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-10017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18轮胎对道路的水平力⑴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）⑵车辆加速驱动或减速时，作用在路面上的水平力：T2=ΦP

Φ——附着系数，与路面的干湿和粗糙状态有关，一般为0.4～0.7。19轮胎对道路的水平力⑶车辆制动时，作用在路面上的水平力：T3=ΦP

Φ——摩阻系数（不超过纵向滑移摩阻系数），与路

面的干湿和粗糙状态有关，在0.7-0.80之间。⑷车辆在曲线上行驶时，作用在路面上的横向水平力约为0.1P。T2,T3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。20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拥包和剪切破坏等。21轮胎对道路的水平力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。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。22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。23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。影响冲击系数的因素：车速，车辆的减振性能以及路面平整的平整度。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。24km/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25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26交通量的调查交通量：指一定时间间隔内，各类车辆驶经道路某一横断面的数量。方法1：获取现有的交通流量观测站的调查资料。方法2：临时布设交通流量观测站进行调查。年平均日交通量：27交通量的调查交通量调查时的车辆类型货车客车拖拉机非机动车小型货车中型货车小型客车小型拖拉机自行车大型货车集装箱货车大型客车大中型拖拉机人力车拖挂车畜力车28轴载的调查实测车辆的轴重得到。方法有：⑴静态法：地磅。速度慢、不安全。⑵动态法：自动化轴载仪。对交通影响小，自动记录，数据准确。29轴载的调查分别记下每类车辆通过的车辆数、轴次数和轴载。单轴双轮-货车轴载(kN)轴数(次)频率(%)0～200020～4010.540～6012660～80683580～1009247100～1202111轴载谱：各级轴载在整个车辆轴载组成中所占的比例。30轴载的调查按车型分别整理成各级轴载作用频率的直方图，作为该类车辆的典型轴载谱。每类车辆各级轴载的日作用次数=

此类车辆的日交通量×该类车辆的轴载谱单轴单轮单轴双轮双轴三轴频率(%)轴载(kN)31交通量随时间的变化调查所得为某一年或几年的交通量。要得到路面设计年限内的总交通量，还需预估交通量在设计年限内的发展。准确预估较为困难，通常可认为设计年限内的交通量按等比数列变化。第t年的交通量Nt可由设计年限内第1年的交通量N1的计算得到：32交通量随时间的变化需要预估交通量年平均增长率和N1。可根据最近若干年内连续观测到的交通量资料，分析整理得到交通量年增长率

。将

外延得到设计使用期内的

。某公路2005-2010年年交通量汇总使用年限年份2005200620072008200920102011-2025交通量(万辆)9095.4103.2105.8115.2120.5?年增长率(%)—6.06.0?33设计年限内累计交通量Ne

：Ne——设计年限内的累计交通量

N1——设计初始年年平均日交通量

Nt——设计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

交通量随时间的变化34交通量在道路上的横向分布交通量Ne为所有行车道上通过的往返车辆数的总和。能否将Ne作为路面结构疲劳破坏的设计参数？35交通量在道路上的横向分布若将Ne作为结构设计参数，则路面横断面上每一点所经受的交通量都相同。车辆轮迹只有一定宽度，车轮通过时只能覆盖路面宽度一小部分。车辆在路面上行驶时，车轮轨迹在横断面中心线附近一定范围内左右摆动。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。36交通量在道路上的横向分布需调查轮迹在道路上的横向分布规律；将车道断面上行车最集中部分的车轮的作用次数作为路面结构疲劳设计的交通量。37交通量在道路上的横向分布通过现场观测，测定在不同等级的道路上车辆轮迹分布状况的数据。25cm38交通量在道路上的横向分布分车道行驶时，观测局限于车道，分母是通过该车道断面的单向交通量。39交通量在道路上的横向分布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。分母值是通过整个路面断面的双向交通量。40交通量在道路上的横向分布轮迹覆盖带宽度通常为50cm左右。两个相邻条带频率之和的最大值就是轮迹横向分布系数。行车最集中部分的车轮作用次数=

车道上的车轮作用总次数×轮迹横向分布系数41交通量在道路上的横向分布行车最集中部分的车轮作用次数N1=车道上的车轮作用总次数N0

×轮迹横向分布系数η。在不分方向，车辆混合行驶时（二三四级公路），N0为通过整个路面断面的双向交通量Ne

，

N0

=Ne在分方向，车辆分车道行驶时（高速和一级公路），N0是通过单车道断面的单向交通量，N0

＜

Ne42交通量在道路上的横向分布交通量Ne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Ne进行修正得到设计车道的交通量N0

43交通量在道路上的横向分布交通量最大的车道上的交通量N0=总交通量Ne×方向系数×车道系数。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。44一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。交通量在道路上的横向分布45路面结构设计所关心的是货车，大部分货车行驶在慢车道上，慢车道上的交通量占该方向交通量的大多数。将慢车道上的交通量除以该方向的交通量，便可得到车道系数。设计车道上的交通量N0=总交通量Ne×方向系数×车道系数交通量在道路上的横向分布46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。47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。在进行轴载等效换算时，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。48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。49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。50沥青路面设计时的累计标准轴次Ne—设