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1、2-1 行车荷载,研究行车荷载的必要性：,1、汽车是路基路面的主要服务对象，又是造成路,基路面结构损坏的主要成因。,2、汽车对路基路面作用力的大小、特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量影响路面的使用性能。,3、汽车荷载是造成路基路面结构损伤的主要原因。 要做好路基路面结构设计，必须对行车荷载进行分 析。,行车荷载的主要研究内容：,车辆的种类；汽车的轴型；汽车对道路的静态压力；运动车辆对道路的动态影响；交通分析。,一、车辆的种类,道路上通行的汽车按用途分为客车和货车两大类：,1、客车：小客车、中客车、大客车,2、货车：整车、牵引式挂车、牵引式半挂车,汽车及其客货总重量通过车身传递
2、到车轴，再传递到车轮，最终由轮胎传递到路面，因此，路面结构设计主要以轴重或者轮压来进行控制。,重型货车与大客车的作用次数在路面结构计算中起决定作用。小汽车一般在路基路面结构计算时不考虑，用于路面使用的安全性（抗滑性能）和舒适性（平整性）评定。对于沥青路面，轴载大于25KN的汽车计入。对于水泥混凝土路面，轴载大于40KN的汽车计入。,标准轴载的确定,标准轴载作为路面交通分析和结构设计的轴重，,其它轴重要按一定的原则换算为设计的轴重。 标准轴载的确定取决于公路性质、车辆类型和交通强度等级要求。一般要求对路面的响应较大、同时又能反映本国公路运输营运车辆的总体轴载水平。 确定方法：1、通过对运输营运车
3、辆的分析，人为地加以规定代表性的轴重为标准轴载。我国采用BZZ-100KN为标准轴载。,二、汽车的轴（轮）型,汽车的重量通过车轴上的车轮作用于路面,因此，路面结构设计而言，应特别重视轴或 轮重和其作用次数，而不是汽车种类和数量。,整车类：前轴、后轴。牵引式半拖车类：牵引车：前轴、后轴；拖车：后 轴（单轴或双轴）。拖车类：由一辆或多辆组成，各配有前后二根单轴 或单前轴和双后轴。轴载的大小直接关系到路面结构的设计承载力与结 构强度。各个国家均对轴重的最大限度有明确的规 定。我国公路与城市道路设计规范中均以100kN作为 标准轴重。目前我国公路是行使的车辆，后轴轴载 一般在60130kN范围内。,汽
4、车货运朝大型重载方向发展，货车的总重量有增加趋势，超载运输问题在我国日益突出。要发展多轴多轮。对超载的定义：2000年2月，交通部超限运输车 辆行驶公路管理条例规定：“单轴（每侧单轮 胎）载质量6000kg，单轴（每侧双轮胎）载质量10000kg，双联轴（每侧双轮胎）载质量18000kg。”附则第二十九条规定，单轴轴载最大不得超过13000kg。,某 高 速 公 路 上 重 载 交 通 车 辆,某 路 上 的 载 重 车 队,在重载交通条件下，沥青路面主要损害类型表现为行车道轮迹带车辙与裂缝(龟裂与纵向裂缝)；若上述裂缝得不到即使的养护维修，在水的作用下将进一步发展为松散或坑槽等水损害。松散、
5、坑槽严重,三、汽车对道路的静态压力,1、汽车对道路的作用,停驻状态：对道路的作用力为静态垂直压力。,行驶状态：对道路的作用力为动态垂直压力、水平力、,振动力。,2、汽车对道路的静态压力,静载的大小与车辆的总质量及轮轴的形式有关。,影响静态垂直压力大小的因素： （1）汽车轮胎的内压力pi；标准静内压力pi=(0.40.7)Mpa通常轮胎与路面的接触压力p=(0.80.9) pi滚动时p =(0.91.1) pi,（2）轮胎的刚度和轮胎与路面的接触的形状； （3）轮载的大小。,胎 壁 受 拉,胎压接触压力,高压轮胎,胎壁受压低压轮胎,轮胎/路面接触面与接触应力,轮迹,对于低压轮胎：接触压力大于胎压
6、对于高压轮胎：接触压力小于胎压在工程设计中，对接触压力进行如下简化：,以轮胎内压力为轮胎的接触压力，即p=pi，接触形状为圆形，接触面上的压力为均匀分布即将车轮荷载简化成当量的圆形均布荷载，并 采用轮胎内压作为轮胎接触压力p。,当量圆半径 可以按下式确定。 因为,式中：P作用在车轮上的荷载，kN；p轮胎接触压力，kpa；接触面当量圆半径，m。,P p, ,对于双圆式(参见下页图), 因为所以 (2-2)对于单圆式, 因为所以 (2-3)对于BZZ-100, kN, p= 700 kPa 所以, d=0.213m, D=0.320m,轮胎与路面的接触形状如下图所示：,四、 运动车辆对道路的动态影
7、响,（1）水平力（与运动状态有关）,行车安全要求 ，其中 为路表与车轮的附着系数，它同路面类型与湿度以及行车速度有关。路表层水平力使面层结构内产生剪应力，若面层结构的抗剪强度不足，过大易导致推挤、拥包、波浪及车辙等病害。,车辆行使过程中的动态响应和随机动力荷载图,（2）行驶荷载的特性 振动性 瞬时性 重复性,汽车在路面上行使过程中，由于车辆自身各种因素（如发动机偏心转动、轮胎花纹、燃料不均匀、驾驶员操作不稳定等）、地面的不平整度以及车辆地面相互作用耦合，会使产生车体跳起与颠簸、车轴跳起与颠簸的现象、从而使车辆与路面振动，产生使路面受到随机动力荷载，即荷载大小随时间随机变化。,运动车辆对道路的动
8、态影响,行驶状态下对路面的振动力 行车速度 路面的平整度 车辆的振动特性 桥规中冲击系数 按动载频率确定，在 0.05-0.45之间,振动轮载最大峰值与静载之比称为冲击系数，设计路面时，应以静轮载乘以冲击系数作为设计荷载。,运动车辆对道路的动态影响,瞬时性 作用时间很短，大约只有0.010.10s左右，结构变形来不及呈现。 与静态荷载作用相比，动荷载作用下路面的变形量相对减小。 瞬时作用利于结构。,运动车辆对道路的动态影响,荷载对路面的多次重复作用效应 虽然一次作用的影响较小，但在成千上万次甚至百千万次的重复荷载作用下，路面结构会出现： 疲劳破坏材料在低于其极限强度的重复荷载作用下发生破坏的现
9、象。（导致疲劳开裂等）(弹性材料) 变形累积在重复荷载作用下，将呈现出变形的逐渐增大（土基、沥青路面、粒料类路面）(弹塑性材料),五、交通分析,1.交通量,交通量在一定时间间隔内各类车辆通过某一断面,的数量。,年平均日交通量在一年365天内的交通量之和除,以365天。,交通量调查方法直接记录、自动记录仪。,设计年限内累计交通量,交通量年平均增长率,在交通量观测站配置自动化的轴载仪直接记录通行车辆的轴数和轴载大小，然后统计出各级轴载的作用次数轴载谱调查,五、交通分析,道路上行驶的汽车种类繁多，轴重各不相同。路面设计时，必须将我国现有的、普遍存在的混合交通组成中各种车型的不同轴载作用次数等效换算为
10、某一标准轴载作用次数。调查时要解决两个问题：一是道路的交通量；二是各种车辆的轴重。 交通量的调查及统计确定道路未来的年平均日交通量（AADT）,据此计算设计使用期末的（AADT），以确定公路等级。 轴载作用次数路面设计时采用设计车道设计使用年限内标准轴载累计作用次数,五、交通分析,交通量的统计与预测: 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。,调查年的交通量 交通量年平均增长率 设计使用初始年平均日交通量 设计年限使用期末的年平均日交通量 设计年限内累积交通量,五、交通分析,交通量预测 在路面设计中
11、通常采用一个固定的年平均交通量增长率来推算设计年限内各年的平均日交通量，继而算出设计年限内的累计交通量。式中 N1通车初年的年平均日交通量；设计年限内交通量平均年增长率。 所以，设计年限t 内的累计交通量 为,（等比级数前t项的和） 因为 所以（2-7）,五、交通分析,2.轴载组成与轴载换算,轴载换算道路上行驶的车辆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。 我国的标准轴载为BZZ-100。（标准轴计算参数见下表）,轴载的等效换算 等效换算原则：同一种路面结构在不同的轴载及次数作用下达相同的损伤程度。 换算系数公式：i i 级轴载换算为标准轴载的换算系数; PS 标准轴
12、载(kN)； Pi i级轴载； NS 标准轴载作用次数； Ni i 级轴载作用次数； 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 同路面结构有关的系数。,3轮迹横向分布,轮迹（车道）的横向分布：按一定规律分布在车道横,断面上。,五、交通分析,图2-7 轮迹横向分布频率曲线（单向行驶一个车道）,图2-8 轮迹横向分布频率曲线（混合行驶双车道）,3轮迹横向分布,轮迹（车道）的横向分布：按一定规律分布在车道横,断面上。,轮迹（车道）横向分布系数：路面横断面上某一宽度范围内的频率和，（通常取两个条带的宽度: 50cm）,也即该宽度范围内所受到的车辆作用次数与通过该横断面的总
13、作用次数的比值。,影响因素：路面宽度和车道宽度、交通组织管理方式（混合行驶、划线分车道行驶和分隔带（墩）分车道行驶）、交通密度和交通组成。,五、交通分析,路面设计中，用横向分布系数来反映轮迹横向分布频率的影响。,由于超载，致使路基倒塌,路肩沉陷,2-2 环境因素影响 环境因素影响主要表现在温度和湿度。温度和湿度是对路基路面结构有重要影响的自然环境因素。路基土和路面材料的强度与刚度随路面结构内部温度和湿度的变化有时会有大幅度的增减。路基土和路面材料的的体积随路面体系内的温度和湿度升降而胀缩（胀缩因某种原因受到约束而不能实现时，路基和路面结构内便会产生附加应力，即温度应力和湿度应力）。,一、公路路
14、面的温度状况1 、影响机理路基土和路面材料的体积会随着路基路面结构内部的温度的升降而产生膨胀和收缩。由于温度在路基路面结构内部的变化沿深度方向,是不均匀的，所以不同深度处胀缩的变化也是不同的。,当这种不均匀胀缩受到某种原因的约束而不能实 现时，路基路面结构内部就会产生附加应力，即温度 应力，进而对路基路面产生破坏。,日变化,路面温度的变化规律,日变化规律 路表面温度变化大致与气温变化同步。 受太阳辐射热影响，路表温度较气温高。而沥青路面又超过水泥混凝土路面。 面层结构内不同深度处的温度随气温变化呈周期性变化。 升降幅度随深度的增加而减小 其峰值的出现随深度增加而滞后 路顶面与底面之间的温差在一
15、天之内经历了由负（顶温低于底温）到正（顶温高于底温），再由正到负的循环变化。,年变化,路面温度的变化规律,年变化规律 一年四季面层不同深度处的温度随气温的变化而经历着年变化。 平均气温最高和最低的月份，面层的平均气温也相应为最高值和最低值。,3、影响温度变化的因素影响路面结构内温度状况的因素很多，可分为外部和内部两类。,外部条件主要是气象条件，如太阳辐射、气温、风速、降水量和蒸发量等。而其中，太阳辐射和气温是决定路面温度状况的二项最重要的因素。内部因素则为路面各结构层材料的热物理特性参数，如热传导率、热容量和对辐射热的吸收能力等。,二、公路路面的湿度状况 1.对路基的影响,冻胀翻浆（与温度作用共同进行）,过大的湿度直接降低路基土的强度和稳定性,2.做好路基路面排水的重要性,课后思考,1.在工程设计中，如何对接触压力进行简化。2.怎样考虑运动车辆对道路的影响。,一、路基受力状况,路基承受着路基自重和汽车轮重这两种荷载。,汽车轮重：计算时，假定车轮荷载为一圆形均布垂直荷 载，路基为一弹性均质半空间体。,路基土在车轮荷载作用下所引起的垂直应力可以用近似如下公式计算。,车轮荷载应力：,1）均布荷载,2）集中荷载,一般取K = 0.5,路基自重应力：,路基任意点：,
