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行车荷载_图文_百度文库

发布时间:2019-06-03 13:03 来源:未知 编辑:admin

  行车荷载 汽车是路基路面的服务对象,路基路面的主要功能是长期保证车辆快速、安全、平稳地 通行。汽车荷载又是造成路基路面结构损伤的主要成因。因此,为了保证设计的路基、路面 结构达到预计的功能, 具有良好的结构性能首先应对行驶的汽车进行分析, 包括汽车轮重与 轴重的大小与特性;不同车型车轴的布置;设计期限内,汽车轴型的分布以及车辆通行量逐 年变化的规律;汽车静态荷载与动态荷载特性比较等。 一、车辆的种类 道路上通行的汽车车辆主要分为客车与货车两大类。 客车又分为小客车、 中客车与大客车。 小客车自身重量与满载总重都比较轻, 但车速高, 一般可达 120km/h,有的高档小车可达 200km/h 以上;中客车一般包括 6 个座位至 20 个座 位的中型客车;大客车一般是指 20 个座位以上的大型客车(包括铰接车和双层客车) ,主要 用于长途客运与城市公共交通。 货车又分为整车、牵引式挂车和牵引式半挂车。整车的货厢与汽车发动机为一整体;牵 引式挂车的牵引车与挂车是分离的,牵引车提供动力,牵引后挂的挂车,有时可以拖挂两辆 以上的挂车;牵引式半挂车的牵引车与挂车也是分离的,但是通过铰接相互连接,牵引车的 后轴也担负部分货车的重量,货车厢的后部有轮轴系统,而前部通过铰接悬挂在牵引车上。 货车总的发展趋向是向大吨位发展, 特别是集装箱运输水陆联运业务开展之后, 货车最大吨 位已超过 40—50t, 汽车的总重量通过车轴与车轮传递给路面, 所以路面结构的设计主要以轴重作为荷载标 准。在道路上行驶的多种车辆的组合中,重型货车与大客车起决定作用,轻型货车与中、小 客车影响很小,有时可以不计。但是在考虑路面表面特性要求时,如平整性、抗滑性等,以 小汽车为主要对象, 因为小车的行驶速度高, 所以要求在高速行车条件下具有良好的平稳性 与安全性。 二、汽车的轴型 无论是客车还是货车,车身的全部重力都通过车轴上的轮子传给路面,因此,对于路面 结构设计而言, 更加重视汽车的轴重。 由于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, 为了统一设计标准和便于交通管理, 各个国家对于轴重的最大限度均有明确的规 定。据国际道路联合会 1989 年公布的统计数据,在 141 个成员国和地区中,轴限最大的为 140kN,近 40%执行 l00kN 轴限,我国公路与城市道路路面设计规范中均以 l00kN 作为设计 标准轴重。通常认为我国的道路车辆轴限为 100B. 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,轴载约为汽车总重力的 1/3。极少数汽车的前轴由双轴单轮组成,双前轴的载重约为 汽车总重的一半。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。每一根后轴的轴载大约为前轴轴载的两倍。目前,在我国 公路上行驶的货车的后轴轴载,一般在 60—130kN 范围内,大部分在 l00kN 以下。 由于汽车货运向大型重载方向发展, 货车的总重有增加的趋势。 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重,因此出现了各种多轴货车。有些运输专用 设备的平板挂车, 采用多轴多轮, 以减轻对路面的压力。 各种不同轴型的货车如图 2-1 所示。 我国常用汽车路面设计参数如表 2-1 所示。 三、汽车对道路的静态压力 汽车对道路的作用可分为停驻状态和行驶状态。 当汽车处于停驻状态时, 对路面的作用 力为静态压力,主要是由轮胎传给路面的垂直压力 p,它的大小受下述因素的影响。 (1)汽车轮胎的内压力 pi; (2)轮胎的刚度和轮胎与路面接触的形态; (3)轮载的大小。 货车轮胎的标准静内压力 pi 一般在 0.4—0.7MPa 范围内。通常轮胎与路面接触面上的 压力 p 略小于内压力 pi,约为(0.8—0.9)pi。车轮在行驶过程中,内压力会因轮胎充气温 度升高而增加,因此,滚动的车轮接触压力也有所增加,达到(0.9—1.1)pi。 轮胎的刚度随轮胎的新旧程度而有不同, 接触面的形态和轮胎的花纹也会影响接触压力 的分布,一般情况下,接触面上的压力分布是不均匀的。不过在路面设计中,通常忽略上述 因素的影响。而直接取内压力作为接触压力,并假定在接触面上压力是均匀分布的。 轮胎与路面的接触面形状如图 2—2 所示,它的轮廓近似于椭圆形,因其长轴与短轴的 差别不大,在工程设计中以圆形接触面积来表示。将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载, 并采用轮胎内压力作为轮胎接触压力 p。当量圆的半径δ可以按式(2-1)确定。 δ= P πp 式中:P——作用在车轮上的荷载(kN) ; p——轮胎接触压力(kPa) ; δ——接触面当量圆半径(m) 。 对于双轮组车轴,若每一侧的双轮用一个圆表示,称为单圆荷载;如用二个圆表示, 则称为双圆荷载(图 2-2) 。双圆荷载的当量圆直径 d 和单圆荷载的当量圆直径 D,分别按 式(2-2) 、式(2-3)计算: d= 4P πp 8P = 2d πp D= 我国现行路面设计规范中规定的标准轴载 BZZ—100 的轮载 P=100/4kN, p=700kPa,用 式(2-2)、式(2-3)计算,可分别得到相应的当量直径为: d = 0.213m, D = 0.302m 四、运动车辆对道路的动态影响 行驶状态的汽车除了施加给路面垂直静压力之外, 还给路面施加水平力、 振动力。 此外, 由于汽车以较快的速度通过,这些动力影响还有瞬时性的特性。 汽车在道路上等速行驶, 车轮受到路面给它的滚动摩阻力, 路面也相应受到车轮施加于 它的一个向后的水平力; 汽车在上坡行驶, 或者在加速行驶过程中, 为了克服重力与惯性力, 需要给路面施加向后的水平力, 相应在下坡行驶或者在减速行驶过程, 为了克服重力与惯性 力的作用,需要给路面施加向前的水平力。汽车在弯道上行驶,为了克服离心力,保护车身 稳定不产生侧滑,需要给路面施加侧向水平力。特别是在汽车起动和制动过程中,施加于路 面的水平力相当大。 车轮施加于路面的各种水平力 Q 值与车轮的垂直压力 P,以及路面与车轮之间的附着系 数甲有关(图 2-3),其最大值 Qmax 不会超过 P 与 ? 的乘积,即: Q max ≤ P? 若以 q 和 p 分别表示接触面上的单位水平力和单位垂直接触压力,则最大水平力 q~应 满足: q max ≤ p? 表 2-2 所列的甲值为实地测量的资料。由表列 ? 值可以看出, ? 的最大值一般不超过 0.7 —0.8,同路面类型和湿度以及行车速度有关,相同的路面结构类型,干燥状态的 ? 值比潮 湿状态高;路面结构类型干燥状态相同的情况下,车速越高, ? 值越小。 路面表面必须保持足够的附着系数, 这是保证正常行车的重要条件。 但是从路面结构本 身来看,附着系数的大小直接关系结构层承受的水平力荷载。在水平荷载的作用下,结构层 产生复杂的应力状态,特别是面层结构,直接遭受水平荷载作用,若是抗剪强度不足,将会 导致推挤、拥包、波浪、车辙等破坏现象。 汽车在道路上行驶,由于车身自身的振动和路面的不平整,其车轮实际上是以一定的 频率和振幅在路面上跳动,作用在路面上的轮载时而大于静态轮载,时而小于静态轮载,呈 波动状态,图 2-4 所示即为轴载波动的实例。 轮载的这种波动, 可近似地看作为呈正态分布, 其变异系数 (标准离差与轮载静载之比) 主要随下述三因素而变化: (1)行车速度:车速越高,变异系数越大; (2)路面的平整度:平整度越差,变异系数越大; (3)车辆的振动特性:轮胎的刚度低,减振装置的效果越好,变异系数越小。 正常情况下,变异系数一般均小于 0.3。 振动轮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 时,冲击系数不超过 1.30。车速增加,或路面平整性不良,则冲击系数还要增大。 在设计路面时,有时以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。 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 间是很短的,大约只有 0.01—0.10s 左右。在路面以下一定深度处,应力作用的持续时间略 长一点,但仍然是十分短暂的。由于路面结构中应力传递是通过相邻的颗粒来实成的,若应 力出现的时间很短,则来不及传递分布,其变形特性便不能像静载那样呈现得那样完全。美 国各州公路工作者协会(AASHO)试验路曾对不同车速下沥青路面和水泥混凝土路面的变 形进行量测(图 2—5) ,结果表明,当行车速度由 3.2km/h 提高到 5km/h,沥青路面的总弯 沉减小 36%;当行车速度由 3.2km/h 提高到 96.7km/h,水泥混凝土路面的板角和板边应变量 减小 29%左右。 动荷载作用下路面变形量的减小,可以理解为路面结构刚度的相对提高,或者是路面 结构强度的相对增大。 汽车荷载对路面的多次重复作用也是一项重要的动态影响。 在行车繁密的道路上, 路面 结构每天将承受上千次,甚至数万次车轮荷载的作用,在路面的整个使用期限内,承受的轮 载作用次数更为可观。 路面承受一次轮载作用和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。 对 于弹性材料,在重复荷载作用下,呈现出材料的疲劳性质,也就是材料的强度将随荷载重复 次数的增加而降低;对于弹塑性材料,如土基和柔性路面,在重复荷载作用下,将呈现出变 形的逐渐增大,称为变形的累积。所以对于路面设计,不仅要重视轴重静力与动力的量值, 道路通行的各类轴载的通行数量也是重要的因素。 五、交通分析 道路上通行的车辆不仅具有不同的类型和不同的轴重,而且通行的车辆数目也是变化 的。路面结构设计中,要考虑设计年限内,车辆对路面的综合累计损伤作用,必须对现有的 交通量、 轴载组成以及增长规律进行调查和预估, 并通过适当的方式将它们换算成当量标准 轴载的累计作用次数。 1.交通量 交通量是指一定时间间隔内各类车辆通过某一道路横断面的数量。 可以通过现有的交通 流量观测站的调查资料,得到该道路设计的初始年平均日交通量,也可以根据需要,临时设 站进行观测。当然这种观测只是短期的,仅为若干天,而且每天也可能仅观测若干小时。对 此,可利用当地长期观测所得的时间分布规律,即月分布不均匀系数、日分布不均匀系数和 小时分布换算系数,将临时观测结果按相应的换算系数换算成年平均日交通量。 对于路面结构设计,不仅要收集交通总量,还必须区分不同的车型。目前各地观测站进 行交通量调查,将车辆分成 11 类:小型货车、中型货车、大型货车、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。小型货车、小型客车、拖 拉机和非机动车对路面结构损伤作用极其轻微, 可忽略不计, 这些车辆所占的比例应从总量 中扣除。 其余各类列人统计范畴的车辆按轴型和轴载大小分类 (如单后轴货车、 双后轴货车、 牵引拖挂车、牵引半拖挂车等)和分级统计。还要通过目测大致估计这些货车的满载程度, 以便确定空车数占货车总数的百分率。 有的交通量观测站配置有自动化的轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小, 然后按 轴载大小分类统计累计轴载数, 这种调查称为轴载谱的调查。 轴载谱调查与交通量的统计相 互进行校核与补充。 道路路面承受的年平均日交通量是逐年增长的, 要确定路面设计年限内的总交通量, 还 需要预估该年限内交通的发展。通常,可根据最近若干年内连续观测的交通量资料,通过整 理得出交通量年增长率的变化规律。尔后,利用它外延得到所需年份的平均日交通量。表 2-3 所列为我国 25 条国道 1980—1989 年间的交通量观测资料整理出的不同年限内交通量年 平均增长率的变化范围,可供参考。选用时,还需考虑公路所在地区人口、经济和交通的发 展趋势,作适当调整。 路面结构设计中,通过调查分析确定初始平均日交通量 N1,按式(2-6)进行计算: N1 = 1 365 ∑ Ni 365 i =1 式中 N1——初始年平均日交通量; Ni——每日实际交通量。 然后通过调查研究,分析论证,以确定交通量年平均增长率γ。逐年的交通量大致符合 几何级数增长规律。即在设计年限内以固定的增长率γ逐年增加。γ值的变化幅度很大,不 同地区、不同经济条件、不同时间,γ值都是不一样的。通常在发达国家,大城市附近,由 于经济基础已具相当规模,交通量的基数较大,所以增长率γ较小。对于发展中国家、新开 发的经济区,一般γ值较大,若干年之后逐步回落,趋向稳定。 在路面结构设计中,设计年限内累计交通量 N e 可以按式(2-7)预估: Ne = 365N1 γ [(1 + γ ) t ? 1] 或 Ne = 365N t [(1 + γ ) t ? 1] t ?1 γ (1 + γ ) (2—7) 式中: N e ——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——设计年限内末年的年平均日交通量; γ——设计年限内交通量年平均增长率; t—设计年限。 2.轴载组成与等效换算 不同重力的轴载给路面结构带来的损伤程度是不同的。 对于路面结构设计, 除了设计期 限内的累计交通量之外, 另一个重要的交通因素便是各级轴载所占的比例, 即轴载组成或轴 载谱。 根据实测的通过轴载次数和相应的轴载,整理成图 2-6 那样的直方图,作为该道路通行 的各级轴载的典型轴载谱。 由交通调查得到某类车辆每日通行的轴载数, 乘以相应的轴载谱 百分率,即可推算出所有车辆各级轴载的作用次数。 道路上行驶的汽车轴载与通行次数可以按照等效原则换算为某一标准轴载的当量通行 次数, 我国水泥混凝土路面设计规范和沥青路面设计规范均选用双轮组单轴轴载 l00kN 作为 标准轴载。 各种轴载的作用次数进行等效换算的原则是,同一种路面结构在不同轴载作用下达到 相同的损伤程度。 通过室内或道路现场的重复作用试验, 可以建立荷载量级同达到相同程度 损伤的作用次数之间的关系, 依据这一关系, 可以推算出不同轴载的作用次数等效换算成标 准轴载当量作用次数的轴载换算系数式(2-8) : ηi = Ns P = α( i ) n Ni Ps 式中: ηi ——i 级轴载换算为标准轴载的换算系熬; ; Ps—标准轴载重(kN) Ns—标准轴载作用次数; Pi——i 级轴载重(kN) ; Ni——i 级轴载作用次数; α——反映轴型(单轴、双轴或三轴)和轮组轮胎数(单轮或双轮)影响的系数; N——同路面结构特性有关的系数。 沥青路面、水泥混凝土路面和半刚性路面的结构特性不同,损伤的标准也不相同,因而 系数α和 n 取值各不相同。具体数值在有关章节分别作介绍。 3.轮迹横向分布 车辆在道路上行驶时,车轮的轨迹总是在横断面中心线附近一定范围内左右摆动,由 于轮迹的宽度远小于车道的宽度, 因而总的轴载通行次数既不会集中在横断面上某一固定位 置,也不可能平均分配到每一点上,而是按一定规律分布在车道横断面上,称为轮迹的横向 分布。图 2-7 所示为单向行驶时一个车道内的轮迹横向分布频率曲线 所示为混合行 驶时双车道内轮迹横向分布频率曲线。 轴载通行次数分布频率曲线cm,大约接近轮迹宽度,以条带上 受到的车轮作用次数除以车道上受到的作用次数作为该条带的频率。由图 2-7 可见,对于单 向行车的一个车道上,由于行车的渠化,频率曲线%左右,而车道 边缘处频率很低。由图 2-8 可见,混合行驶的双车道,车辆集中在双车道中央,频率曲线出 现一个峰值,约为 30%左右,两侧边缘频率很低。 轮迹横向分布频率曲线图形随许多因素如:交通量、交通组成、车道宽度、交通管理 规则等而变化,需分别各种不同情况,通过实地调查,才能确定。 在路面结构设计中,用横向分布系数,来反映轮迹横向分布频率的影响。通常取宽度为两 个条带的宽度,即 50cm,因为双轮组每个轮宽 20cm,轮隙宽 locmo 这时的两个条带频率之 和称为轮迹横向分布系数。

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