第一節(jié)行車荷載,汽車是路基路面的服務對象，路基路面的主要功能是長期保證車輛快速、安全、平穩(wěn)地通行。汽車荷載又是造成路基路面結構損傷的主要原因。因此，為了保證設計的路基、路面結構達到預計的功能，具有良好的結構性能，首先應對形式的汽車進行分析，包括汽車輪載與軸載的大小與特性；不同車型車軸的布置；設計期限內(nèi)，汽車軸型的分布以及車輛通行量逐年變化的規(guī)律；汽車靜態(tài)荷載與動態(tài)荷載特性比較等。,Page2,一、車輛種類,Page3,小客車：自身重量與滿載總重都比較輕，但車速高，一般可達120km/h有的高檔小車可達200km/h以上。中客車：一般包括6個座至20個座位的中型客車。大客車：一般是指20個座位以上的大型客車（包括鉸接車和雙層客車），主要用于長途客運與城市公共交通。整車：整車的貨廂與汽車發(fā)動機為一整體。牽引式掛車：牽引式掛車的牽引車與掛車是分離的，牽引車提供動力，牽引后掛的掛車，有時可以拖掛兩輛以上的掛車。牽引式半掛車：牽引式半掛車的牽引車與掛車也是分離的，但是通過鉸接相互連接，牽引車的后軸也擔負貨車的重量，貨車廂的后部有輪軸系統(tǒng)，而前部通過鉸接懸掛在牽引車上。,Page4,鉸接車,整車,Page5,牽引式掛車,牽引式半掛車,Page6,汽車的總荷載通過車軸與車輪傳遞給路面，所以路面結構的設計主要以軸載作為荷載標準。在道路上行駛的多種車輛的組合中，重型貨車與大客車起決定作用，輕型貨車與中、小客車影響很小，有時可以不計。但是在考慮路面表面特性要求是，如平整性、抗滑性等，以小汽車為主要對象，因為小汽車的行駛速度高，所以要求在高速行車條件小具有良好的平穩(wěn)性與安全性。,Page7,無論是客車還是貨車，車身的全部重力都通過車軸上的輪子傳給路面，因此，對于路面結構設計而言，更加重視汽車的軸載。由于軸載的大小直接關系到路面結構的設計承載力與結構強度，為了統(tǒng)一設計標準和便與交通管理，各個國家對于軸載的最大限度均有明確的規(guī)定。據(jù)國際道路聯(lián)合會1989年公布的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，在141個成員國和地區(qū)中，軸限最大的為140kN,近40%執(zhí)行100kN軸限，我國公路與城市道路路面設計規(guī)范中均以100kN作為設計標準軸重。通常認為我國的道路車輛軸限為100kN。,二、汽車軸型,Page8,通常，整車形式的客、貨車車軸分前軸和后軸。絕大部分車輛的前軸為兩個單輪組成的單軸，軸載約為汽車總重力的1/3。極少數(shù)汽車的前軸由雙軸單輪組成，雙前軸的軸載約為汽車總軸載的一半。汽車的后軸有單軸、雙軸和三軸三種，大部分汽車后軸由雙輪組成，只有少量車型由單輪組成后軸。每一根后軸的軸載大約為前軸軸載的兩倍。目前，在我國公路上行駛的貨車的后軸軸載，一般在60130kN范圍內(nèi)，大部分在100kN以下。,Page9,Page10,三、汽車對道路的靜態(tài)壓力,汽車對道路的作用可分為停駐狀態(tài)和行駛狀態(tài)。當汽車處于停駐狀態(tài)時，對路面的作用力為靜態(tài)壓力，主要是由輪胎傳給路面的垂直壓力p，它的大小受下述因素的影響。,（1）汽車輪胎的內(nèi)壓力pi,（2）輪胎的剛度和輪胎與路面接觸的形態(tài),（3）輪載的大小,Page11,汽車輪胎的內(nèi)壓力,貨車輪胎的標準靜內(nèi)壓力：一般在0.40.7MPa范圍內(nèi)。,通常輪胎與路面接觸面上的壓力p略小于內(nèi)壓力pi,約為(0.80.9)pi。,在輪胎軟而舊，或輪載超荷，或?qū)嶋H內(nèi)壓力比標準低很多，接觸壓力p才達到(1.11.3)pi.,車輪在行駛過程中，內(nèi)壓力會因輪胎充氣溫度升高而增加，因此，滾動的車輪接觸壓力也有所增加，達到(0.91.1)pi.,Page12,輪胎的剛度隨輪胎的新舊程度而有別，接觸面的形態(tài)和輪胎的花紋也會影響接觸壓力的分布，一般情況下，接觸面上的壓力分布是不均勻的。不過在路面設計中，通常忽略上述因素的影響。而直接取內(nèi)壓力作為接觸壓力，并假定在接觸面上壓力是均勻分布的。,Page13,Page14,雙圓荷載當量圓的直徑和半徑,P作用在車輪上的荷載,p輪胎接觸壓力,接觸面當量圓半徑,當量圓半徑：,Page15,雙圓荷載當量圓直徑單圓荷載當量圓直徑在標準軸載BZZ-100的P=100/4kN，p=700kPa，則d=0.213m，D=0.302m。,對于雙輪組車軸，每一側(cè)的雙輪用一個圓表示，稱為單圓荷載；則稱雙圓荷載。其當量圓直徑分別按下式計算：,Page16,四、運動車輛對道路的動態(tài)影響,一、行駛狀態(tài)的汽車除了施加給路面垂直靜壓力之外，還給路面施加水平力、振動力。這些動力影響還有瞬時性的特征。二、汽車在道路上等速行駛，車輪受到路面給它的滾動摩阻力，路面也相應受到車輪施加于它的一個向后的水平力；三、汽車在上坡行駛，或者在加速行駛過程中，為了克服重力與慣性力，需要給路面施加向后的水平力，相應在下坡行駛或者在減速行駛過程中，為了克服重力與慣性力的作用，需要給路面施加向前的水平力。四、汽車在彎道上行駛，為了克服離心力，保持車身穩(wěn)定不產(chǎn)生側(cè)滑，需要給路面施加側(cè)向水平力。汽車起動和制動過程中，施加于路面的為水平力。,Page17,附著系數(shù),車輪施加于路面的各種水平力值與車輪的垂直壓力，以及路面與車輪之間的附著系數(shù)有關，其最大值不會超過垂直力P與的乘積，即：的最大值一般不超過0708，同路面類型和濕度以及行車速度有關。路面表面必須保持足夠的附著系數(shù)，這是保證正常行車的重要條件。但是從路面結構本身來看，附著系數(shù)的大小直接關系結構層承受的水平力荷載。在水平荷載的作用下，結構層產(chǎn)生復雜的應力狀態(tài)，特別是面層結構，直接遭受水平荷載作用，若是抗剪強度不足，將會導致推擠、擁包、波浪、車轍等破壞現(xiàn)象。,Page18,軸載波動,汽車在道路上行駛，由于車身自身的振動和路面的不平整，其車輪實際上是以一定的頻率和振幅在路面上跳動，作用在路面上的輪載時而大于靜態(tài)輪載，時而小于靜態(tài)輪載，呈波動狀態(tài)。輪載的這種波動，可近似地看作為呈正態(tài)分布，其變異系數(shù)（標準離差與輪載靜載之比）主要隨下述三因素而變化：1）行車速度：車速越高，變異系數(shù)越大；2）路面的平整度：平整度越差，變異系數(shù)越大；3）車輛的振動特性：輪胎的剛度低，減振裝置的效果越好，變異系數(shù)越小。正常情況下，變異系數(shù)一般均小于0.3。振動輪載的最大峰值與靜載之比稱為沖擊系數(shù)，在較平整的路面上，行車速度不超過50kmh對，沖擊系數(shù)不超過1.30。,行駛的汽車對路面施加的荷載有瞬時性。車輪通過路面上任一點，路面承受荷載的時間大約只有0.010.10s左右。在路面以下一定深度處，應力作用的持續(xù)時間略長一點。美國AASHO試驗路的試驗結果：當行車速度由32kmh提高到56kmh，瀝青路面的總彎沉減少36；當行車速度由3.2kmh提高到96.7kmh，水泥混凝土路面的板角撓度和板邊應變量減少29左右。動荷載作用下路面變形量的減小可以理解為路面結構剛度的相對提高，或者是路面結構強度的相對增大。,輪載瞬態(tài)作用,Page21,汽車荷載對路面的多次重復作用也是一項重要的動態(tài)影響。1、彈性材料在重復荷載作用下，呈現(xiàn)出材料的疲勞性質(zhì)，也就是材料的強度將隨荷載重復次數(shù)的增加而降低。2、彈塑性材料，如土基和柔性路面，在重復荷載作用下，將呈現(xiàn)出變形的逐漸增大，稱為變形的累積。所以對于路面設計，不僅要重視軸重靜力與動力的量值，道路通行的各類軸載的通行數(shù)量也是重要的因素。,輪載的循環(huán)重復作用,Page22,五、交通分析,路面結構設計中，要考慮設計年限內(nèi)，車輛對路面的綜合累計損傷作用，必須對現(xiàn)有的交通量、軸載組成以及增長規(guī)律進行調(diào)查和預估，并通過適當?shù)姆绞綄⑺鼈儞Q算成當量標準軸載的累計作用次數(shù)。,Page23,交通量是指一定時間間隔內(nèi)各類車輛通過某一道路橫斷面的數(shù)量?？梢酝ㄟ^現(xiàn)有的交通流量觀測站得到調(diào)查資料，也可以根據(jù)需要，設臨時設站進行觀測。根據(jù)月分布不均勻系數(shù)、日分布不均勻系數(shù)和小時分布換算系數(shù)，將臨時觀測結果按相應的換算系數(shù)換算成年平均日交通量。,1、交通量,Page24,對于路面結構設計，要收集交通總量，還必須區(qū)分不同的車型。目前各地觀測站進行交通量調(diào)查，將車輛分成11類：小型貨車、中型貨車、大型貨車、小型客車、大型客車、拖掛車、小型拖拉機、大中型拖拉機、自行車、人力車和畜力車。小型貨車、小型客車、拖拉機和非機動車可忽略不計，這些車輛所占的比例應從總量中扣除。其余各類列入統(tǒng)計范疇的車輛按軸型和軸載大小分類（單后軸貨車、雙后軸貨車、牽引拖掛車、牽引半拖掛車等）和分級統(tǒng)計。,Page25,有交通量觀測站配置有自動化的軸載儀直接記錄通行車輛的軸數(shù)和軸載大小，然后按軸載大小分類統(tǒng)計累計軸載數(shù)，這種調(diào)查稱為軸載譜的調(diào)查。軸載譜調(diào)查與交通量的統(tǒng)計相互進行校核與補充。道路路面承受的年平均日交通量是逐年增長的，要確定路面設計年限內(nèi)的總交通量，還需要預估該年限內(nèi)交通的發(fā)展。,Page26,交通量的計算,初始年平均交通量,每日實際交通量,然后通過調(diào)查研究，分析論證，以確定交通量年平均增長率。,設計年限內(nèi)的累計交通量,設計的初始年平均日交通量,設計的末年年平均日交通量,設計年限內(nèi)交通量年平均增長率,設計年限,Page27,2軸載組成與等效換算,不同重力的軸載給路面結構帶來的損傷程度是不同的。對于路面結構設計，除了設計期限的累計交通量之外，另一個重要的交通因素便是各級軸載所占的比例在軸載組成或軸載譜。由交通調(diào)查得到某類車輛每日通行的軸載數(shù)，乘以相應的軸載譜百分率，即可推算出所有車輛各級軸載的作用次數(shù)。,Page28,道路上行駛的汽車軸載與通行次數(shù)可以按照等效原則換算為某一標準軸載的當量通行次數(shù)，我國水泥混凝土路面設計規(guī)范和瀝青路面設計規(guī)范均選用雙輪組單軸軸載l00kN作為標準軸載。各種軸載的作用次數(shù)進行等效換算的原則是，同一種路面結構在不同軸載作用下達到相同的損傷程度。瀝青路面、水泥混凝土路面和半剛性路面的結構特性不同，損傷的標準也不相同，因而系數(shù)a和n取值各不相同。,Page29,軸載換算系數(shù)公式,Page30,3輪跡橫向分布,車輛在道路上行駛時，車輪的軌跡總是在橫斷面中心線附近一定范圍內(nèi)左右擺動，由于輪跡的寬度遠小于車道的寬度，因而總的軸載通行次數(shù)既不會集中在橫斷面上某一固定位置，也不可能平均分配到每一點上，而是按一定規(guī)律分布在車道橫斷面上，稱為輪跡的橫向分布。,Page31,Page32,軸載通行次數(shù)分布頻率曲線中的直方圖條