B2行车荷载的分析.ppt

行车荷载的分析 Analysis Of Vehicle Loading,第二章,汽车是路面的服务对象，也是使路基和路面结构遭受破坏的主要肇因。要能设计和修建出既符合使用要求又经久耐用的路基和路面结构物，就必须首先对行驶在路上的车辆作一考察。要考虑的车辆因素主要有：车辆荷载的大小和特性、分布、持续时间、在使用期内行车的变化情况及数量等。,本章先从介绍汽车的种类和轴型出发，从静态的角度来分析汽车荷载的作用图式和大小，接着考察运动着的车辆荷载对路面的影响，最后讨论怎样分析和考察路面结构在使用年限内所收到的各种车辆荷载的累计作用次数。,2-1 车辆荷载的分析,一、车辆的类型：,1.小型客车：包括小卧车、小面包车等，它们的车速高，重量小，总重一般大于12KN，最高车速一般大于100km/h,6m长,2m高,1.8宽.,2.大型客车:用于城市交通或城乡运营,有些地方还使用铰接式大客车。满载重量一般大于100KN,最小车速常不小于60km/h,3. 载货汽车:有一般载货汽车、自卸汽车牵引车及被牵引的拖挂车、 平板车和集装箱车等。一般总重为50150KN,最高车速约为70-80km/h. 自卸车总重为150500KN以上,多用于矿山内部运输及施工工地的材料运输,一般不作长途运输,最高车速约为40-50km/h. 牵引车自重约为50KN,被牵引的拖挂车,平板车,集装箱车的最大重量大于1000KN.在路面设计中,一般将特种工程车辆视为载货汽车.,在路面结构设计及路基稳定性验算中,主要考虑大型客车及载货汽车的作用。而在评定路面的表面特性(如平整度,抗滑性)时,应考虑小车高速行驶的安全性和舒适性.,汽车通过安装在车轴上的轮子把荷载传给路面。汽车类型众多,车轮与车轴的组合型式也变化繁多,目前,轮轴型式分为三大类：,1.固定车身类:最大量最普通的一类.车轴可分为前轴和后轴. 大部分的前轴为两侧各一个单轮组成的单轴, 约为汽车总重的1/41/3.,少数汽车的前轴由双轴单轮组成,双前轴的轴载约为汽车总重的一半.,汽车的后周有单轴和双轴,后轴由双轴组成的较多,每根后轴的轴载约为前轴轴载的两倍.,.挂车类: +1.1 , +1.2 , +2.2,.牵引车类: -11, -22, -44,二、汽车的轴型,2-2 车辆的重力作用,含自重和载重,车辆通过轮胎将其重力传给路面,再由路面扩至路基。,一. 接触压力: 处于静载时,汽车的轮胎对路面的平均垂直压强.,同轮胎大小,轮胎的充气内压力及其轮胎的性质有关.,一般轮胎的气压为0.4-0.7MPa,路面设计时,接触压力视为均匀分布,二.接触面积: 实际胎面的花纹,实用上接触时的投影面积,有圆形和椭圆形,常用圆形.,P为车轮荷载,当车轮的一侧为双轮组时，其接触面积一般可换算为面积与它相等的一个圆形面积。若将双轮组的每一个轮子与路面的接触面积为面积相等的圆形面积，则双轮组可换算为两个圆形面积。前者叫单圆式，后者叫双圆式。都是当量圆，不是真正的圆形。,三、等代荷载：,在路基路面稳定性验算中，车辆荷载常换算成等代均布土层厚度。,在高速、一级公路（有集装箱公路）：用汽超20级，挂车-120,在二、三级公路：用汽-20级，挂车-100,在改建三级公路：用汽-15级，挂车-80,在四级公路：用汽-10级，履带-50,2-3 行车的动态分析,主要研究路面的受力状况。如动力作用、水平力、瞬时性、重复性。,一、动力作用：,由于路面不平和自身振动，车轮实际上是以一定的频率和振幅在路面上跳动着。,1、冲击系数 2、动荷系数 3、影响因素（行车速度、路面平整度、车辆的振动特性）,变差系数：标准离差与静载的比值。 通常变差系数0.3,二、轮载作用的瞬时性： 使路面变形量，意味着路面结构的抗变形能力（刚度）和强度,动荷载与静载的比值称为冲击系数µ，µ常为1.3（在较平整路面上，车速50km/h时）,如此短的荷载作用时间，使路面结构中的应力来不及传递分布，其变形不会像静载时那样充分。美国公路工作者协会（AASHO）曾经做过试验发现：不同车速下沥青路面和水泥混凝土路面表面的变形进行过实测，表明：当车速由3.2km/h56km/h时，柔性路面的总弯沉量f（变形）减少了36-38%；而当车速由3.2km/h96.7km/h时，刚性路面的板角挠度f和板边应变量降低了29%左右。,设计时：设计轮载=µ·静轮载,行车以一定速率行经路面时，路表面上任一点所经受轮载的时间很短，通常只有0.01-0.1秒。路表面下不同深度处应力持续作用时间稍长些，但仍很短。见P14,三、水平力：,2.牵引力引起的水平力：Fd · P 通常为0.5-0.7（干燥） 0.3-0.5（潮湿） 0.1-0.2（结冰）,1.滚动阻力：F0= µ · P µ =0.01-0.02（AC、CC路面）1-2% 向前 （轮胎对路面） µ=0.025-0.05（砂石路面）,3.起动（制动）阻力：Fsf s · P f s通常为0.7-0.8（干燥）,fs为路面与轮胎间的制动摩阻系数，常f 0 路面的纵向滑移摩阻系数见P15表2-2,f 0同路面类型、路面特性、路面干湿状况和车速有关。,4.车辆（加）减速实时，路面也受到向（后）前的水平力：F=（0.5-0.6）P,5. 离心力：Fl0.1 P,可见，水平力最大为紧急制动时：可达竖直力的80%，设计时必须考虑。水平力分布也假设为均布的，且在竖向力相同的接触面内。,2-4 交通分析,路面结构设计时要考虑荷载重复作用的次数，这就涉及到分析道路的交通量。各种轴型、各级轴载重复作用的累计次数。,路面所受荷载为重复荷载，其破坏机理为疲劳破坏。 AC路面：10-15年， CC路面：20年 不大修。,一.交通量的统计与预测：,1. 平均日交通量n：指一定时间（每日，一昼夜24小时）通过道路某一断面的车辆总数。,通过交通量调查：连续式每天24小时（一年）；费时费力，但较全面 间隙式每月选几天，省时省事，但代表性差,实用上可根据观测资料中周和年的变化规律特点，选择有代表性的观测日。也可根据观测的结果乘以相应的不均匀系数。如月观测系数、日观测系数或周观测系数。见P16例题。,目前，我国公路交通量观测站在调查记录时，将车辆分为载重量不满25KN的小型货车、25-80KN的中型货车、大于80KN的大型货车、小型客车、大型客车、汽车拖挂车、拖拉机（大中学、小学）和非机动车（兽力车、人力车、自行车）11类。,其中：小型拖拉机、小客车、小型载货汽车及非机动车对路面结构性能影响很小，在路面结构设计时，不予考虑，故在统计时加以扣除。,2. 使用期内累计交通量：,道路的交通量会随年份而增长的。现在的车比以前多得多，且每年都在增长，而要求得路面在使用期内通过的累计车辆次数，必须考虑交通量的年增长率。当然 很难正确估计 ，只能预估，考虑今后可能达到的饱和量和地方经济文化发展趋势等因素定。,则：在使用期内的累计交通量：,t为使用年限，n1 为开始年的年平均日交通量。,在双向车道上：还要考虑方向不均匀系数，一般为0.5-0.6 在多车道上：要考虑车道不均匀系数，1.0（1车道/方向） 0.8-1.0 （2车道/方向） 0.6-0.8 （3车道/方向）,二 .轴（轮）载谱:指行驶在路上的车辆，各轮（轴）重各不相同，对路面的破坏程度也不同，故还需考虑不同大小的轴载在整个车辆中所占的比例,轴载谱可通过在路面埋置地磅或传感器来记录，其次数、重量可画成直方图。见P17 2-6图,由交通调查可得各级轴载的年平均日作用次数，若已知，则可得各级轴载的累计作用次数。年平均日作用次数=平均轴数×平均日交通量,三、轴载的等效换算：,1. 组成：由于轴载的种类很多，通常将各级轴载换算为某一标准轴载来考虑。如100KN（我国和大部分国家），也有些国家以130KN或80KN作为标准轴载。,2. 等效换算原则：同一种路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损坏程度时，相应的作用次数被认为是等效的。,3. 换算公式（换算系数公式）：,Ns为每日通过的标准轴载次数，下标s为标准的，i为i级轴载.,Ps=100KN,为反映轴数、轮组数的影响系数。,1).沥青路面：,计算路表弯沉及沥青层层底拉应力时:（见P163-164）,相当于:, = C1 C2 n = 4.35,C1与轴数有关,C1=1+1.2(m-1) m为轴数,C2与轮数有关,单轮 C2=6.4 ,双轮 C2=1.0 四轮 C2=0.38,2).水泥路面 (P210),计算半刚性基层层底拉应力时:,n=8,i 为轴数系数, 单轴 i = 1.0 双轴时 Pi=200KN,C1=1+2(m-1) m为轴数,单轮 C2=18.5 ,双轮 C2=1.0 四轮 C2=0.09,(纵缝处) (横缝处),四、轮迹的横向分布：,1. 水泥混凝土路面设计规范(轮迹横向分布系数)。,从P19图2-7:分车道单向行驶,宽3.75m的车道上实测到的轮迹横向分布频率曲线,可见在离边缘0.9-3.0m附近的分布频率达峰值.,轮迹覆盖带宽为50cm.(轮宽20cm,轮隙10cm,双轮组),故图中相邻两条带频率之和即为横向分布系数(频率)。,2.沥青路面设计规范 (车道系数):,从P19图2-8:不分车道混合行驶时轮迹横向分布频率曲线上可见中间频率达最大.,作业: 2.5,