《路面设计原理》讲稿--车辆与交通

第二章车辆与交通21车辆对路面的作用（一）车辆轮轴型式和荷载公路路面设计中，通常用轮组系数和轴数系数来考虑车辆的轮数和轴数。机场道面设计中，通常以使用该机场的主要飞机的最大起飞质量作为计算依据。车辆种类交通数量包括折合成的小汽车交通量混合交通量标准轴载累计交通量弯沉为指标的累计交通量弯拉为指标的累计交通量水泥混凝土弯拉为指标的累计交通量（二）车轮轮胎压力、接触压力和接触面积轮胎压力大小对路面厚度的影响很大。计算表明，在结构相同的刚性路面中，轮胎压力增大70KPA，则需增加板厚约05CM。图24所示为计算条件下轮胎压力和主轮轴轮数对刚性路面要求厚度的影响。由图可见。在相同荷载条件下，路面厚度随轮胎压力增大而增加，随主轮轴轮数增多而减小。在沥青路面中，垂直应力的大小取决于荷载轮胎压力的大小。图25所示为相同荷载但轮胎压力不同时的计算结果。由图可见，轮胎压力对表层垂直应力影响很大，当深度达90CM（36IN）以下时，轮胎压力对垂直应力就没有影响了。因此，为适应高压轮胎的作用，沥青路面的上层应采用高质量的材料，下层可采用一般质量的材料。沥青路面所需总厚度，受轮胎压力影响不大。图26所示为轮胎数量对沥青路面体系垂直应力的影响。由图可见，采用双轮比单轮可以显著改善路面体系的垂直应力状态。（三）作用在路面上的水平力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。车辆运动时车轮与路面之间的摩擦力引起水平荷载；车轮经过路面不平整处因撞击也会引起水平荷载；车辆着陆时车轮制动过程中产生水平荷载；车辆行驶过程中急转弯时由于存在侧向摩擦力而图24轮胎压力和轮数对刚性路面厚度的影响图25垂直应力随深度的变化产生水平荷载，等等。车辆车轮制动时路面上作用的水平荷载可以达到0110P，并且大大超过车轮不制动时产生的水平荷载。作用在路面表面的水平荷载的作用时间是很短的。水平荷载引起的水平应力随深度的增大而迅速减弱。在路面设计中一般不予考虑。对于沥青路面，过大的水平应力能够引起路面面层产生波浪、拥包和剪切破坏等。因此，当沥青路面上层可能因水平力过大而引起破坏时，应对水平荷载进行验算，必要时设置保护层（磨耗层），以改善沥青路面上层的受力状态。（四）作用在路面上的动荷载包括移动荷载MOVINGLOAD振动荷载DYNAMICLOAD（五）车轮轮迹横向分布车辆在路面上行使时，轮迹的横向分布是不均匀的。影响车轮轮迹横向分布规律的主要因素有车辆的类型、主轮轴数量、主轮轴间距及其车轮数量、轮胎宽度等。对实测数据的分析表明，轮迹沿行驶道宽度的分布符合偶然因素的高斯正态分布规律。如果已知分布曲线的数值特性和使用车辆的容量，便能求得车辆荷载在路面任一断面的作用次数。（六）车轮荷载的重复作用次数路面要承受车辆荷载的多次重复作用，在路面的各个区域，车辆荷载的重复作用次数是各不相同的，它取决于车辆的交通密度和组成，轮轴的构型和数量。不同质量的车辆对路面影响的差异很大，当一个道路有不同质量的车辆行使时，各种车辆的运行次数不能简单累加。在路面设计是将不同质量车辆的年平均运行次数换算成标准车辆的年平均当量运行次数（具体换算方法将在后面叙述）。对机场道面，在预计使用的车辆中，以运行次数最多和主轮轴荷载较大的车辆作为设计荷载对飞机荷载。某种飞机的年平均运行次数为NI，换算后相当于设计飞机的年平均运行次数为NDI，换算按式（27）进行。（27）LOGLOGNPDIIXI05式中NDI换算成设计飞机的年平均当量运行次数；NI拟换算飞机的年平均运行次数，由调查和预测确定；PX设计飞机主轮轴上的荷载（KN）；PI拟换算飞机主轮轴上的荷载（KN）；轮轴构型换算系数。一个机场飞机的年平均运行次数，按式（28）计算图26轮胎数对垂直应力的影响（28）NJSDI式中NJ机场飞机年平均运行次数；NS设计飞机年平均运行次数，由调查和预测确定；NDI除设计飞机以外的各种飞机的年平均运行次数换算成设计飞机的年平均当量运行次数之和。重复作用次数是指路面通行宽度内每一点都承受一次荷载作用的次数。因此，飞机的运行次数不等于重复作用次数。机场飞机的重复作用次数按式（29）计算（29）NWTCJT10式中NC机场飞机的年重复作用次数；设计飞机在通行宽度内的通行百分率，歼击机、强击机取090；轰炸机、运输机取085；N主轮轴车轮数；WT一个轮胎的宽度（CM）；T通行宽度（M）。歼击机、强击机在跑道上取38M，在行驶道上取12M；轰炸机、运输机在跑道上，当其主轮轴间距小于7M时取44M，大于7M时取50M，在行驶道上取15M。知道了飞机年重复作用次数，就可以求得道面在设计使用年限内设计飞机的累计重复作用次数。（310）NTEC式中NE设计使用年限内设计飞机的累计重复作用次数；T道面的设计使用年限，应按设计要求和使用情况确定。在重复荷载作用下，路面板因疲劳而引起破坏。这一方面是由于重复荷载下路面板受挠折而断裂；另一方面，板下基层和土基会产生变形累积，使路面板脱空而导致损坏。试验表明，在一定的应力比（荷载应力/弯拉强度）条件下，容许荷载的重复次数也是一定的。表23为波特兰水泥协会提供的应力比与容许荷载重复次数的关系，由表列数字可知，应力比在05以下时，容许荷载重复次数没有限制；当应力比大于05时，则随着应力比的增大，容许荷载的重复次数逐渐减少。应力比与容许荷载反复次数表23应力比容许反复次数应力比容许反复次数应力比容许反复次数应力比容许反复次数051400000057750000631400006925000523000000585700006411000070200005324000005942000065800007115000541800000603200006660000721100055130000061240000674000073850056100000062180000683500074650（七）路面的设计荷载对公路路面，一般选用标准荷载（BZZ100）作为设计荷载，道路的动载问题按动载系数进行考虑。由于作用在路面的设计荷载千变万化，一般选用一种标准轴载作为设计车型。而设计车型的选用必须使该车型对路面作用的响应较大，同时又能反映设计的车辆水平。目前各国的规定不完全一致。例如中国10吨；美国18000LBF（801KN）（1KN224809LBF）单轴、32000LBF（1423KN）双轴；德国11吨；印尼5吨；黎巴嫩14吨；联合国141个成员国的比例如下10吨673610111吨115611112吨544121吨1564设计车型的问题涉及运输经济和路面设计的经济性两个方面。国外目前有货车重型化、载客汽车小型化的趋势。对中国，由于市场经济的逐步建立，公路货运的经济性为货运部门主要考虑的因素。因此，目前的公路路面设计必须适应这一变化。对机场道面，在预计使用的车辆中，以运行次数最多和主轮轴荷载较大的车辆作为设计荷载。车辆其主轮轴上一个主轮的设计荷载P按式（211）计算。（311）PGKMNZD式中G设计车辆的最大起飞重量（KN）；KZ主轮轴荷载分配系数；KD动载系数；M主轮轴个数；N一个主轮轴上的轮数。第二节沥青路面轴载换算方法（一）AASHTO轴载换算公式AASHTO沥青路面设计法是以试验路行车试验结果为依据的方法，它是根据50年代末60年代初在渥太华和伊利诺斯州的大规模试验路成果得到的。其主要成果之一便是从基本方程式导出了车辆当量换算方法，包括单轴和双轴的等效关系。AASHO道路试验的基本方程式是（212）LOGL51LOG0NCPGTT式中试验路完工时的路面耐用性指数，该试验路测得的平均值为42；0C经过车辆行驶N次后，达到的最终耐用性指数PSI；TP该路段最终耐用性指数降至15，即路面达到寻坏标准时轴载的作用次数；斜率。为任何阶段耐用性指数的变化与耐用性指数达到破坏标准即TGTPC0时的总损失之比的对数值。51TP510其中和的表达式如下（213）794036935230195184LPSNLSNP式中单轴荷载或一组双轴荷载上的荷载以千磅计；P轴数，单后轴为1，双后轴为2；0L表示路面结构强弱的代表数，称路面结构数。S（214）32DAA把和的表达式代入，并变换可得（215）TGLPSNN00LOG34LOG7941LOG3695LOG以不同车型的轴载和轴数代入上式，即可求得达到不同的最终耐用性指数时P0LTP轴载间的换算公式。单后轴间的换算公式若以单后轴轴载100KN（22KLBF）作为标准轴载，则22，1P0LLOGLOGLOGNSNGT225936147921其它的单后轴轴载为XKLBF时，X,1，则P0LLLLXXTX两式相减得（216）LOGLOGNGXTX2247911同样如以单后轴82KN（18KIBF）为标准轴，则（217）XX18LL1818这就是不同单后轴轴载间的换算公式。AASHO法如以单后轴18KLBF为标准轴，计算得当25，20和15时,不同轴载间等TP效系数，把等效系数以轴载比值的指数表示，其结果归纳如下（下面的结果包括全部结构数）当20时，值变化在388464，当25时，值变化在363464，且随轴TPT载的增大，值有增大的趋势。如把全部结果平均，则20时，指数值平均为43；T25时，值平均为405，两者的总平均值为418，即单后轴间轴载换算公式可近似T地以下式表示（218）2412PN如认为SN1和2的结构单薄，不予考虑，则20时，值平均为419，25时，TPTP值平均为393，两者平均为406。我国新规范的轴载换算方法，指数取435，即是以此为基础，并在广泛调查论证，以及弹性体系理论分析后得来的。（2）双后轴的换算公式如其他车型为双后轴，则2每轴荷载为XKLBF，则总轴载为2X，其轴载通过数0LP以表示，则它与100KN（22KLBF）单后轴标准轴载的换算公式是XNXXGX2212LOG3412LOG794LOG381LOG12LOG794L479L22XXX由于XXSNXSN1952339520408所以上式中中括号内结果与单后轴换算式相等，则1LOGLLOG22XX（219）XXN381即双后轴只等于其单轴的138倍。2、弯沉指标轴载换算方法对单后轴双轮组的不同轴载作用下弯沉比的简化公式形式（223ADPWDL121221或者或224BPL21BSPL21与设计指标的容许弯沉值相联系，容许弯沉值的公式为RLANRC则不同轴载的容许弯沉值比为LANC1212因轴载换算是在同一路面结构时进行，设计弯沉值中的指数已经统一，即通过调斜，保证，故2121,CALRC12根据轴载换算等效原则，按1型轴载作用N1次后的容许弯沉值设计的路面结构，LR1应与按2型轴载作用N2次的容许弯沉值设计的路面结构相同，所以必然等于同LR22一路面结构上1型轴与2型轴作用的弯沉比。即1225CCRSCCRLL12212122或以（225）式代入（223）式或（224）式，得226NPDAC1221或227PBC21此式就是以弯沉为设计指标时的轴载换算形式。3、以拉应力为设计指标的轴载换算方法首先从理论上求得单后轴双轮组不同轴载应力比的简化公式，经分析其简化公式形式也是228121212PDA式中拉应力系数或22912PB与表征控制层材料疲劳规律的结构强度K相联系，该层材料的结构强度系数K可以用下式表示，又两式相联系可求得许用应力比N的关系，即KBNCR0RC1201212从半刚性基层材料疲劳规律及结构强度系数的研究中已知，半刚性基层材料已确定时，由于轴载换算是在同一类型路面结构上进行，故，则不同轴载B12BC1212,的许用拉应力比为2302121NCC根据等效原则，按1型轴载作用次的容许拉应力设计的路面结构应与按2型轴N1R1载作用次的容许拉应力设计的路面结构相同，所以等于同一结构不同轴R22载作用下的拉应力比，即231RCC121221以（225）式代入（223）或（224）式，得（232NPDAC1221或233PBC21这就是以拉应力为设计指标的轴载换算公式的形式。4、现行沥青路面设计规范轴载换算方法我国现行公路沥青路面设计规范（JTJ01297）中采用的轴载换算公式，就是以上面的推导和论证得出的，结果表述如下关于标准轴载的取用问题，考虑到近年来道路交通量的增长较快，重车所占的比例增多，以及轻型车对半刚性基层沥青路面的疲劳损伤作用减小等因素。新规范统一采用BZZ100作为标准轴载。1当以设计弯沉值为指标及沥青层层底拉应力验算时，凡轴载大于25KN、小于130KN的各级轴载包括车辆前、后轴的作用次数，应按下述公式换算成标准轴载PP1N1的当量作用次数。N234CNPIK121435式中标准轴载的当量轴次次/日；被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）1标准轴载KN被换算车型的各级轴载KN；轴数系数；1轮组系数，单轮组为64，双轮组为，四轮组为038。C2当轴间距大于3M时，应按单独的一个轴载计算，此时轴数系数为；当轴间距小于M3M时，按双轴或多轴计算，轴数系数按下式计算M1式中轴数。2、当进行半刚性基层层底拉应力验算时，凡轴载大于50KN的各级轴载包括车辆的前、后轴的作用次数，应按下述公式换算成标准轴载P的当量作用次数。P1N1N（235）NCPIK28式中轴数系数；1轮组系数，单轮组为185，双轮组为10，四轮组为009。2当轴间距小于时，双轴或多轴的轴数系数按下式计算。CM12上述轴载换算公式，仅适用于单轴轴载小于130KN的各种车型的轴载换算。轴载换算公式，问题颇受国际上的关注，在第十八届世界道路会议上，对半刚性基层沥青路面结构采用轴载比（PI/SP）的公式时，奥地利认为指数用70；法国认为指数用100；澳大利亚认为指数用12。会议结论该指数应根据路面结构层的不同组合和材料性质决定。从我国路面结构的实际情况出发，一般以路表容许弯沉值为路面结构厚度计算的控制指标，轴载换算公式宜用公式（234）。当半刚性基层沥青路面需验算拉力时，宜用公式（235）。第三节水泥混凝土路面轴载换算方法不同轴载间作用次数的换算所依据的是等效原则，即同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损坏程度，AASHO给出了以P18000磅（82吨）为标准轴载，以PSI为等效指标（采用25或20）的轴载换算公式（236）FPIS14式中P1S和PI分别为标准和第I级的轴重。此式几乎成了各国通用的、唯一的换算公式，但它所依据的疲劳损坏概念和指标主要适于AASHO法。许多国家的理论法中所使用的疲劳方程是根据室内小梁试验并以开裂作为疲劳损坏标准而得到的，故与AASHO的轴载换算公式不相匹配。因此，许多国家利用MINER定律来估计路面的总疲劳消耗，从而避开了轴载换算问题。但在确定路面厚度时，这样的做法不够直观、不够简便。其实，根据同一个疲劳损坏标准和相应的疲劳方程是可以按等效原则导出与之匹配的轴载换算公式的。由于遵循了同一个疲劳方程和线性迭加原则，按这种换算式估计出的总疲劳影响，与按MINER定律计算的结果是等价的。（一）疲劳方程由室内小梁疲劳试验结果整理疲劳方程时，大都采用单对数的形式，见式（237）；也有人采用双对数的形式，如式（238）（237）FSNLOG（238）LLFS1式中，F和N为重复应力和重复次数，、1、1为回归常数。出于推演轴载换算公式的方便，一般采用双对数形式。对小梁疲劳试验结果进行重新整理后，得出式239。239R095,S0348LGLGFS17951或（240）LLFSN0632实验结果和回归方程可以看出，双对数回归方程的相关性和拟合度相当令人满意。（二）应力公式影响疲劳寿命的关键因素是重复应力的级位（应力比），而目前用于混凝土路面回归应力分析的有限元法无法提供一个一般的应力解析式，所以，只能通过对其计算结果的轴载分析，建立经验回归方程。影响应力大小的因素有轮（轴）载、板厚、地基和板的弹性模量、轮压面直径等。在有限元分析中，已为各级轴载匹配了相应的轮压面直径。故选择应力公式形式（241）APHNM而地基和板的弹性模量主要在回归系数A、M和N上反映。应用单、双两种轴载作用于板横缝边缘种板中部时的有限元计算结果，按式（241）的形式进行回归，可求得相应的回归系数值。下表给出了常用路面结构的回归系数值。式（239）在各种荷载作用下的复相关系数变动于09921000之间，按式（241）计算的应力值，同直接从应力图查得的数值相比，其相对误差绝大部分低于3，个别达到45。由表列系数值可看出，N和M特别是N的变动范围并不大，可按单轴或双轴情况分别用相应的平均值代表；A值的变动范围则较大。（三）轴载换算公式将式（241）代入式（239），可得出疲劳寿命同轮（轴）载、板厚和路面结构刚度的关系式242SNMHPANLGL1597LG同一路面结构（即EC/ES、F和H）和轮（轴）载P1、P2作用下，其疲劳寿命均可按上式估计243SNMLGL1597LG11244SNHPANLLL22两式均遵守同一损坏标准，故（P1，N1）和（P2，N2）是等效的。59LGLLGL1221MMN（245）NAHPNN2121954761592125911NMPHA式中若在同一路面结构上进行相同轴数和荷位的轴载间的换算，则N1N2，M1M2，A1A2；1。式（245）即为（248）NN2195现以单后轴为标准轴载，取表1中N的平均值0835，则单后轴的轴载换算公式为（249）P216如需将双后轴换算成单后轴，由于1，轴载换算系数将随荷位，荷载大小、板厚和模量比而变。对于后轴重P为613T、H为1923CM的常用变动范围，可由式（247）计算得到两种荷位时的值，见表216。表216荷位板中板边EC/ES37518751253751875125N2N100330041004900600160103M1M2022800960055018801480117A2/A10439062906900567066706196T106110761092106810181120PN13T10881075111110941134111311191093103010241213116619CM195713271176173915461411HM1223CM204420001351133911881182180317711590156814491437032902070157592537081758平均023380有大于和小于1的情况，主要同双后轴产生的应力并非都大于单后轴的有关。由数值分析可知，板边受荷时，大多是双后轴应力高于单后轴的；而在板中则相反，仅EC/ES和H都很大时例外。由表216可知，值受EC/ES、H的影响较大。这一现象同单双轴应力分析的论点是一致的。为了实用的方便，板中时取023，板边时取380（四）轮迹横向分布系数随着疲劳概念在路面结构设计中得到应用，路面在使用年限内所受到的各种轴载的累计作用次数成为荷载因素方面的设计参数之一。实际上车辆轮迹仅具一定宽度，车辆通过时只能复盖一小部分。因此