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1、行車荷載的分析 Analysis Of Vehicle Loading,第二章,汽車是路面的服務(wù)對(duì)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(shè)計(jì)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(duì)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(shí)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(lái)分析汽車荷載的作用圖式和大小，接著考察運(yùn)動(dòng)著的車輛荷載對(duì)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(jì)作用次數(shù)。,,2-1 車輛荷載的分析,一、車輛的類型：,1.小型客車：包括小臥

2、車、小面包車等，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(zhǎng),2m高,1.8寬.,2.大型客車:用于城市交通或城鄉(xiāng)運(yùn)營(yíng),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/h,3. 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(yùn)輸及施工工地的材料運(yùn)輸,一般不作長(zhǎng)途運(yùn)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.

3、在路面設(shè)計(jì)中,一般將特種工程車輛視為載貨汽車.,在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及路基穩(wěn)定性驗(yàn)算中,主要考慮大型客車及載貨汽車的作用。而在評(píng)定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)時(shí),應(yīng)考慮小車高速行駛的安全性和舒適性.,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(gè)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

4、車類: +1.1 , +1.2 , +2.2,.牽引車類: --11, --22, --44,二、汽車的軸型,2-2 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(kuò)至路基。,一. 接觸壓力: 處于靜載時(shí),汽車的輪胎對(duì)路面的平均垂直壓強(qiáng).,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(shè)計(jì)時(shí),接觸壓力視為均勻分布,二.接觸面積: 實(shí)際胎面的花紋,實(shí)用上接觸時(shí)的投影面積,有圓形和橢圓形,常用圓形.,P為車輪荷載,當(dāng)車輪的一側(cè)為雙輪組時(shí)，其接觸面積一般可換算為面積與它相等的一個(gè)圓形面積。若將雙輪組的每一個(gè)輪子與路面的接觸面積為面積

5、相等的圓形面積，則雙輪組可換算為兩個(gè)圓形面積。前者叫單圓式，后者叫雙圓式。都是當(dāng)量圓，不是真正的圓形。,三、等代荷載：,在路基路面穩(wěn)定性驗(yàn)算中，車輛荷載常換算成等代均布土層厚度。,在高速、一級(jí)公路（有集裝箱公路）：用汽超20級(jí)，掛車-120,在二、三級(jí)公路：用汽-20級(jí)，掛車-100,在改建三級(jí)公路：用汽-15級(jí)，掛車-80,在四級(jí)公路：用汽-10級(jí)，履帶-50,2-3 行車的動(dòng)態(tài)分析,主要研究路面的受力狀況。如動(dòng)力作用、水平力、瞬時(shí)性、重復(fù)性。,一、動(dòng)力作用：,由于路面不平和自身振動(dòng)，車輪實(shí)際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動(dòng)著。,1、沖擊系數(shù) 2、動(dòng)荷系數(shù) 3、影響因素（行車速度、路面平整

6、度、車輛的振動(dòng)特性）,變差系數(shù)：標(biāo)準(zhǔn)離差與靜載的比值。 通常變差系數(shù)0.3,二、輪載作用的瞬時(shí)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(qiáng)度,動(dòng)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(shí)）,如此短的荷載作用時(shí)間，使路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力來(lái)不及傳遞分布，其變形不會(huì)像靜載時(shí)那樣充分。美國(guó)公路工作者協(xié)會(huì)（AASHO）曾經(jīng)做過試驗(yàn)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(jìn)行過實(shí)測(cè)，表明：當(dāng)車速由3.2km/h56km/h時(shí)，柔性路面的總彎沉量f（變形）減少了36-38%；而當(dāng)車速由3.2km/h96.7km/h時(shí)，剛性路面的板角撓度f(wàn)和板邊應(yīng)變量

7、降低了29%左右。,設(shè)計(jì)時(shí)：設(shè)計(jì)輪載=靜輪載,行車以一定速率行經(jīng)路面時(shí)，路表面上任一點(diǎn)所經(jīng)受輪載的時(shí)間很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度處應(yīng)力持續(xù)作用時(shí)間稍長(zhǎng)些，但仍很短。見P14,三、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(dòng)阻力：F0= P =0.01-0.02（AC、CC路面）1-2% 向前 （輪胎對(duì)路面） =0.025-0.05（砂石路面）,3.起動(dòng)（制動(dòng)）阻力：Fsf s P f

8、 s通常為0.7-0.8（干燥）,fs為路面與輪胎間的制動(dòng)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）減速實(shí)時(shí)，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P,5. 離心力：Fl0.1 P,可見，水平力最大為緊急制動(dòng)時(shí)：可達(dá)豎直力的80%，設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮。水平力分布也假設(shè)為均布的，且在豎向力相同的接觸面內(nèi)。,2-4 交通分析,路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)要考慮荷載重復(fù)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(jí)軸載重復(fù)作用的累計(jì)次數(shù)。,路面所受荷載為重復(fù)荷載，其破壞機(jī)理為疲勞破壞。AC路面：10-15年，

9、 CC路面：20年 不大修。,一.交通量的統(tǒng)計(jì)與預(yù)測(cè)：,1. 平均日交通量n：指一定時(shí)間（每日，一晝夜24小時(shí)）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(shí)（一年）；費(fèi)時(shí)費(fèi)力，但較全面 間隙式每月選幾天，省時(shí)省事，但代表性差,實(shí)用上可根據(jù)觀測(cè)資料中周和年的變化規(guī)律特點(diǎn)，選擇有代表性的觀測(cè)日。也可根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果乘以相應(yīng)的不均勻系數(shù)。如月觀測(cè)系數(shù)、日觀測(cè)系數(shù)或周觀測(cè)系數(shù)。見P16例題。,目前，我國(guó)公路交通量觀測(cè)站在調(diào)查記錄時(shí)，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(jī)（大中學(xué)、小

10、學(xué)）和非機(jī)動(dòng)車（獸力車、人力車、自行車）11類。,其中：小型拖拉機(jī)、小客車、小型載貨汽車及非機(jī)動(dòng)車對(duì)路面結(jié)構(gòu)性能影響很小，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，不予考慮，故在統(tǒng)計(jì)時(shí)加以扣除。,2. 使用期內(nèi)累計(jì)交通量：,道路的交通量會(huì)隨年份而增長(zhǎng)的?，F(xiàn)在的車比以前多得多，且每年都在增長(zhǎng)，而要求得路面在使用期內(nèi)通過的累計(jì)車輛次數(shù)，必須考慮交通量的年增長(zhǎng)率。當(dāng)然 很難正確估計(jì) ，只能預(yù)估，考慮今后可能達(dá)到的飽和量和地方經(jīng)濟(jì)文化發(fā)展趨勢(shì)等因素定。,則：在使用期內(nèi)的累計(jì)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

11、.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(duì)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(gè)車輛中所占的比例,軸載譜可通過在路面埋置地磅或傳感器來(lái)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(jí)軸載的年平均日作用次數(shù)，若已知，則可得各級(jí)軸載的累計(jì)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,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(jí)軸載換算為某一標(biāo)準(zhǔn)軸載來(lái)考慮。如100KN（我國(guó)和大部分國(guó)家），也有

12、些國(guó)家以130KN或80KN作為標(biāo)準(zhǔn)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(dá)到相同的疲勞損壞程度時(shí)，相應(yīng)的作用次數(shù)被認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)軸載次數(shù)，下標(biāo)s為標(biāo)準(zhǔn)的，i為i級(jí)軸載.,Ps=100KN,為反映軸數(shù)、輪組數(shù)的影響系數(shù)。,1).瀝青路面：,計(jì)算路表彎沉及瀝青層層底拉應(yīng)力時(shí):（見P163-164）,相當(dāng)于:, = C1 C2 n = 4.35,C1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=0.38,2).水泥路面 (P210),計(jì)算半剛性基層層

13、底拉應(yīng)力時(shí):,n=8,i 為軸數(shù)系數(shù), 單軸 i = 1.0 雙軸時(shí) Pi=200KN,C1=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),四、輪跡的橫向分布：,1. 水泥混凝土路面設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(dá)峰值.,輪跡覆蓋帶寬為50cm.(輪寬20cm,輪隙10cm,雙輪組),故圖中相鄰兩條帶頻率之和即為橫向分布系數(shù)(頻率)。,2.瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范 (車道系數(shù)):,從P19圖2-8:不分車道混合行駛時(shí)輪跡橫向分布頻率曲線上可見中間頻率達(dá)最大.,作業(yè): 2.5,