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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)的角度來分析汽車荷載的作用圖式和大小，接著考察運動著的車輛荷載對路面的影響，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,2m高,1.8寬.,2.大型客車:用于城市交通或城鄉(xiāng)運營,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)部運輸及施工工地的材料運輸,一般不作長途運輸,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)計及路基穩(wěn)定性驗算中,主要考慮大型客車及載貨汽車的作用。而在評定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)時,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,再由路面擴至路基。,一. 接觸壓力: 處于靜載時,汽車的輪胎對路面的平均垂直壓強.,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)計時,接觸壓力視為均勻分布,二.接觸面積: 實際胎面的花紋,實用上接觸時的投影面積,有圓形和橢圓形,常用圓形.,P為車輪荷載,當車輪的一側(cè)為雙輪組時，其接觸面積一般可換算為面積與它相等的一個圓形面積。若將雙輪組的每一個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圓形面積。前者叫單圓式，后者叫雙圓式。都是當量圓，不是真正的圓形。,三、等代荷載：,在路基路面穩(wěn)定性驗算中，車輛荷載常換算成等代均布土層厚度。,在高速、一級公路（有集裝箱公路）：用汽超20級，掛車-120,在二、三級公路：用汽-20級，掛車-100,在改建三級公路：用汽-15級，掛車-80,在四級公路：用汽-10級，履帶-50,2-3 行車的動態(tài)分析,主要研究路面的受力狀況。如動力作用、水平力、瞬時性、重復(fù)性。,一、動力作用：,由于路面不平和自身振動，車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動著。,1、沖擊系數(shù) 2、動荷系數(shù) 3、影響因素（行車速度、路面平整
6、度、車輛的振動特性）,變差系數(shù)：標準離差與靜載的比值。 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）和強度,動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）,如此短的荷載作用時間，使路面結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力來不及傳遞分布，其變形不會像靜載時那樣充分。美國公路工作者協(xié)會（AASHO）曾經(jīng)做過試驗發(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行過實測，表明：當車速由3.2km/h56km/h時，柔性路面的總彎沉量f（變形）減少了36-38%；而當車速由3.2km/h96.7km/h時，剛性路面的板角撓度f和板邊應(yīng)變量
7、降低了29%左右。,設(shè)計時：設(shè)計輪載=靜輪載,行車以一定速率行經(jīng)路面時，路表面上任一點所經(jīng)受輪載的時間很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度處應(yīng)力持續(xù)作用時間稍長些，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.滾動阻力：F0= P =0.01-0.02（AC、CC路面）1-2% 向前 （輪胎對路面） =0.025-0.05（砂石路面）,3.起動（制動）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）減速實時，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時：可達豎直力的80%，設(shè)計時必須考慮。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)計時要考慮荷載重復(fù)作用的次數(shù)，這就涉及到分析道路的交通量。各種軸型、各級軸載重復(fù)作用的累計次數(shù)。,路面所受荷載為重復(fù)荷載，其破壞機理為疲勞破壞。AC路面：10-15年，
9、 CC路面：20年 不大修。,一.交通量的統(tǒng)計與預(yù)測：,1. 平均日交通量n：指一定時間（每日，一晝夜24小時）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（一年）；費時費力，但較全面 間隙式每月選幾天，省時省事，但代表性差,實用上可根據(jù)觀測資料中周和年的變化規(guī)律特點，選擇有代表性的觀測日。也可根據(jù)觀測的結(jié)果乘以相應(yīng)的不均勻系數(shù)。如月觀測系數(shù)、日觀測系數(shù)或周觀測系數(shù)。見P16例題。,目前，我國公路交通量觀測站在調(diào)查記錄時，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（大中學(xué)、小
10、學(xué)）和非機動車（獸力車、人力車、自行車）11類。,其中：小型拖拉機、小客車、小型載貨汽車及非機動車對路面結(jié)構(gòu)性能影響很小，在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不予考慮，故在統(tǒng)計時加以扣除。,2. 使用期內(nèi)累計交通量：,道路的交通量會隨年份而增長的?，F(xiàn)在的車比以前多得多，且每年都在增長，而要求得路面在使用期內(nèi)通過的累計車輛次數(shù)，必須考慮交通量的年增長率。當然 很難正確估計 ，只能預(yù)估，考慮今后可能達到的飽和量和地方經(jīng)濟文化發(fā)展趨勢等因素定。,則：在使用期內(nèi)的累計交通量：,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)查可得各級軸載的年平均日作用次數(shù)，若已知，則可得各級軸載的累計作用次數(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，通常將各級軸載換算為某一標準軸載來考慮。如100KN（我國和大部分國家），也有
12、些國家以130KN或80KN作為標準軸載。,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到相同的疲勞損壞程度時，相應(yīng)的作用次數(shù)被認為是等效的。,3. 換算公式（換算系數(shù)公式）：,Ns為每日通過的標準軸載次數(shù)，下標s為標準的，i為i級軸載.,Ps=100KN,為反映軸數(shù)、輪組數(shù)的影響系數(shù)。,1).瀝青路面：,計算路表彎沉及瀝青層層底拉應(yīng)力時:（見P163-164）,相當于:, = 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),計算半剛性基層層
13、底拉應(yīng)力時:,n=8,i 為軸數(shù)系數(shù), 單軸 i = 1.0 雙軸時 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的車道上實測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)計規(guī)范 (車道系數(shù)):,從P19圖2-8:不分車道混合行駛時輪跡橫向分布頻率曲線上可見中間頻率達最大.,作業(yè): 2.5,
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