2023年12月16日发(作者：上汽大众途岳2022款价格)

第2章 行车荷载分析

本章内容：

1 汽车的种类和轴型；

2 车辆的静动力作用；

3 交通分析。

本章要求：

1 了解车辆的类型、轴型及我国标准汽车荷载；

2 了解车辆对路面作用力的特点，掌握轮载、轴载、轮压、接触面积的概念和计算方法，建立交通荷载单圆图式、双圆图式的概念；

3 了解交通量、轴载谱的含义，建立轴载换算、轮迹分布的概念。

汽车是道路的服务的对象，也是道路损坏的主要因素之一，因此必须了解汽车及汽车对路面作用力的特点、大小、分布、作用量的变化情况和作用总量。

2.1 车辆的类型和轴型

2.1.1车辆的类型

汽车按用途分：

1）客车

小型客车：轿车、面包车，小型客车总重P Z>12KN，车速Vmax>100Km/h；

大型客车：长途汽车、市内公交汽车，大型客车总重P Z>100KN，车速Vmax>60Km/h。

2）载重汽车

载重汽车包括一般载重汽车、自卸车、牵引车、拖挂车、平板车和集装箱车。

一般载重汽车：总重P Z>50~150KN，车速Vmax>70~80Km/h；

自卸车：总重P Z>150~500KN，车速Vmax>40~50Km/h；

拖车、集装箱车：总重P Z=1000KN。

3）特种汽车

特种汽车指救护车、消防车。

我国生产的汽车分类型号一般按名称加四位数字表示：

18 ⑴ 车辆的名称用汉语拼音表示；如CA- 表示解放牌汽车、EQ-表示东风牌汽车、BJ-表示北京牌汽车。

⑵ 第一位数字表示车辆的类型，用0~9表示。

0-三轮车、1-载重车、2-越野车、3-自卸车、4、5-特种车、6-大客车、7-小客车、8-挂车、9-半挂车及长货车。

⑶ 第二、三位数字为主参数代号，载重、越野、自卸、牵引、专用和半挂车的主参数代号为车辆的总质量（kg），客车与半挂客车主参数代号为车辆长度（m），轿车主参数代号为发动机排量（ L）。

⑷ 第四位数字为产品序号。

例如：

CA-1091 表示第一汽车厂生产的解放牌载重汽车，总质量9吨，为第二代产品；

TJ-6481 表示天津汽车厂生产的客车，长度4.8m，为第二代产品；

CA-7220 表示第一汽车制造厂生产红旗牌轿车，发动机排量2.2L，为第一代产品。

路面结构设计和路基设计时以大客车、载重汽车对路面作用为主，路面平整度、抗滑性能评定按小汽车高速运行考虑。

2.1.2 汽车的轴型

汽车的重量通过车轴、车轮传到路面，道路上行使的汽车类型很多，车轴和车轮组合方式也是多种多样，按车轮和车轴组合方式可分为三类：

1）固定车身类

道路上行使的汽车中固定车身类汽车是最多的一种，分前轴和后轴。前轴每侧有一个单轮（单轮组）组成单轴，轴载=1/3汽车重量；后轴有单轴和双轴，每个轴每侧有两个车轮（双轮组）或每侧有一个车轮（单轮组）组成单轴或双轴，后轴载=2倍前轴载。我国道路上行使的载重汽车后轴轴载为30~130KN ，绝大多数在60KN以上。

2）牵引类

道路上行使的牵引类汽车由牵引车和拖车组成。牵引车分单后轴和双后轴，拖车由单轴或多轴组成，每侧分单轮组或双轮组。

3）挂车类

19 挂车由载重汽车牵引，挂车有前后两根单轴，各轴由单轮组或双轮组组成。

2.2 车辆的重力作用

汽车对路面的重力作用包括自重和载重。作用方式由轮胎与路面接触将汽车重力传给路面，在由路面扩散给路基。

2.2.1接触压力（轮压p）

接触压力：轮胎与路面接触面单位压力的大小。它与轮胎的大小、轮胎的充气压力及轮胎的性质有关。汽车轮胎气压为0.4~0.7Mpa，路面设计时将接触压力看成均布压力，其大小与轮胎气压相当。

我国标准汽车轴载：BZZ-100 轮压p=0.7Mpa

BZZ-60 轮压p=0.5Mpa

2.2.2接触面积

轮胎通过胎面花纹与路面接触，接触面的形状近似圆形或椭圆形。路面设计时采用圆形接触面积，该面积叫轮载圆，圆的大小用轮载圆半径?表示。

?2?p?PP （2-1）

???p式中

?—轮载圆半径，m；

P—车轮荷载，MN；

p—轮胎气压，MPa。

设计时分：

单圆图式：车轴每侧为双轮组时，接触面积换算成与之相等的一个圆面积（轮载当量圆）；车轴每侧为单轮组时，接触面积只能换算成一个轮载圆。

双圆图式：将双轮组每个接触面积单独换算面积相等的2个圆。

单圆图式标准轴载轮载当量圆 ： BZZ-100 ?=15.1cm D=30.2cm。

BZZ-60 ?=13.8cm D=27.6cm。

双圆图式标准轴载轮载当量圆：BZZ-100 ?=10.7cm D=21.3cm。

BZZ-60 ?=9.8cm D=19.5cm。

两轮中心距为1.5D(3?)，见图2-1。

20 图2-1 轮迹面积与当量圆

a）单圆图式 b）双圆图式

2.2.3等代荷载

轮载作用于路面，经过路面的扩散后传到路基顶面时，作用面积增大很多。因此在路基设计 (路基稳定性分析和路基挡土墙设计) 时，处理交通荷载采用的方法是将车辆的重量换算成与车辆分布相等的土的重量，即用车辆面积同等均布土层的厚度代替车辆荷载作用于道路上，这种处理交通荷载的方法叫等代荷载。

我国按汽车的重量分为：10级、15级、20级、30级、40级、55级、105级、110级，道路和桥梁设计常用10、15和20级车。

2.3 行车的动态影响

行使的汽车对路面作用是动力作用，包括动态垂直力、水平力、交通荷载具有瞬时性、重复性。行车荷载动态影响主要是路面，对路基的影响较小，路基设计时不考虑行车的动态影响。

2.3.1动力作用

行使中的汽车由于车辆的自震和路面不平整，车轮是以一定的频率和振幅在路面上振动，作用力是变化的,采用冲击系数K表示行车的动力作用。

K?P动P静 （2-2）

冲击系数K与行车的速度V、路面的平整度和车辆的振动特性有关，当：

V<50Km/s，平整路面，K<1.30；

21 V>50Km/s，不平整路面，K>1.30。

路面设计时：

沥青类路面抗变形能力大，行车的动力作用对路面影响小，沥青类路面设计时一般不考虑行车的动力作用。

水泥混凝土路面抗变形能力小，动力作用影响大，水泥混凝土路面设计必须考虑，现行水泥混凝土路面设计规范中采用综合影响系数 Kc=1.10~1.45来表示动力作用。

2.3.2轮载作用的瞬时性

行使的汽车对路面作用时间很短，为0.01~0.15S，由于作用时间短，路面应力来不及传递分布，变形也不如静力作用充分，因此动荷载作用下，路面的强度和抗变形能力大于静载作用。

2.3.3水平力

行使的车辆对路面还有水平作用力。车辆正常行使时车轮对路面作用的水平力有：

1）滚动阻力Fg

Fg=??P （2-3）

式中

?—滚动阻力系数，与轮胎、路面类型、车速有关， 水泥混凝土路面、沥青路面?=0.01~0.02；

P—轮载，KN。

Fg很小，设计时不于考虑。

2）牵引力Fq

Fq???P （2-4）

式中

?—附着系数，与路面类型、轮胎类型、车速、水有关，

干燥路面?=0.5~0.7，

潮湿路面?=0.3~0.5，

结冰路面?=0.1~0.2；

一般取Fq=(0.4~0.7) P，显然Fq较大，而夏季沥青路面强度降低，沥青路面设计时要考虑牵引力的作用。

车辆制动时车轮对路面作用的水平力有：

22 3）制动阻力Fz

Fz =fs?P （2-5）

式中 fs-制动时轮胎与路面的摩阻系数，是变值，fsmax

f0-路面纵向摩阻系数，与路面的干湿类型、路面的类型、轮胎的类型有关，f0=0.7~0.8。

摩阻系数是路面抗滑性能的重要指标，要使路面的fs达到最大值，可以通过对路面采用拉毛、压槽、选用粗颗粒材料，对轮胎和车辆的制动系统采取措施。

显而易见：汽车在加减速段，路面受到的水平力F=(0.5~0.6)P；

汽车在紧急制动时，路面受到的水平力F=(0.7~0.8)P。

设计路面时，水平力也认为是均匀分布于竖直力作用相同的轮载圆内，即：

q?F???2f?q （2-6）

p2.4 交通分析

车轮对路面的作用是长期的、重复的，当重复作用达到一定值时，路面会发生疲劳破坏和变形积累，路面的承载能力逐步降低直至无法使用，因此设计路面时不仅要知道交通荷载的大小，还要知道交通荷载的作用次数和分布规律。

2.4.1交通量统计与预测

路面设计时，常以日交通量和路面使用期内累计交通量来表示路面受到的交通荷载。交通量：一定时间内通过道路某一断面车辆的总数（与公路分级的交通量不同）。交通量可采用观测统计得到，通过计算求得。

交通量观测采用人工或自动记录的办法，一般将车辆分为货车、客车、拖车、拖拉机、非机动车11类，只统计对路面有影响的中型以上的客货车。自动记录采用在路面下埋设压力传感器，通过自动记录装置处理交通荷载的量和分布情况。

随着经济的发展，交通量也随年增长，用交通量年增长率?来表示，采用下式计算设计年限内的交通量Ni：

Ni?365?n1???1????1? （2-7）

t式中 Ni —设计年限内的交通量,次；

23 n1—开始年限平均日交通量，次/日；

?—交通量年增长率，%；

t—路面设计年限，年。

2.4.2轴载谱

路面行使的车辆轴重千差万别，每一轴重对路面结构的破坏作用各不相同，因此在路面结构设计中，不仅要知道交通量的多少，还要知道交通量中各种轴载占的比例。

轴载谱：各种车辆轴载在整个车辆组成中所占的比例。轴载谱可通过观测或自动记录得到交通量数据，经过数据处理制成各级轴重频率直方图，见图2-2。

图2-2 轴载谱

2.4.3轴载的等效换算

不同的轴载对路面结构的破坏作用各不相同，路面设计中为了便于计算，按等效的原则将各级轴载换算成标准轴载的作用次数，用标准轴载的作用次数来衡量道路上交通量的大小。

各国标准轴载各不相同，美国80KN、法国130KN、俄罗斯100KN，我国设计规范规定标准轴载为双轮组单轴轴载100KN、60KN，即BZZ-100或 BZZ-60。标准轴载参数见表2-1。

标准轴载

轴载P(KN)

轮压（MPa）

单轮当量圆直径d(cm)

两轮中心距（cm）

表2-1 标准轴载计算参数

BZZ-100

100

0.7

21.30

1.5d

BZZ-60

60

0.5

19.50

1.5d

等效换算原则：同一路面结构在不同的轴载作用下达到相同的疲劳破坏程度，相应的轴载作用次数被认为是等效的。例如：某一路面结构在50KN轴载作用107次后

24 路面结构发生疲劳破坏；同样在100KN轴载作用106后路面结构也发生疲劳破坏。可以认为这一路面结构在100KN轴载作用106次与50KN轴载作用107次等效，可以用100KN轴载作用106次代替50KN轴载作用107次。

实际计算轴载换算时采用等效换算系数fi的办法进行换算。例如：交通量及组成见表2-2，求标准轴载N/e作用次数。

表2-2 标准轴载换算表

轴载（KN）

30

40

50

60

100

120

作用次数

N1

N2

N3

N4

N5

N6

等效换算系数

f1

f2

f3

f4

f5

f6

N/e = N1 f1+ N2 f2+ N3 f3+ N4 f4+ N5 f5+ N6 f6

关于确定等效换算系数fi的方法以后的章节要专门讲解。

2.4.4轮迹的横向分布

用上述方法确定的标准轴载作用次数为整个道路或车道的标准轴载作用次数的总和，道路断面各点实际受到的作用次数并没有那么多，见图2-3、图2-4。设计中采用横向分布系数?办法计算，不同的道路横向分布见表2-3。

Ne= N/e

?? （2-8）

式中 Ne —设计车道轮迹带上标准轴载作用次数。

图2-3 分车道单向行使时轮迹

横向分布频率曲线

<6m

7m

9m

图2-4 不分车道混合行使时轮迹

横向分布频率曲线

0.35~0.45

0.30~0.35

0.25~0.30

0.40~0.45

0.45~0.65

表2-3 轮迹横向分布系数表

不分车道混合行使，车道宽度

划标线分车道行使

设分隔带分车道行使

25 思考题

1路基路面设计中要考虑哪些行车荷载的因素？

2试述交通荷载单圆图式和双圆图式的含义和计算方法？

3解释交通量、轴载谱、当量圆概念。

4计算下列汽车的轮载、接触面积、当量圆半径。

汽车后轴资料

后

轴

数

1

1

1

轮

组

数

1

2

2

后轴

总重

(KN)

23

80

120

轮压

（MPa）

0.5

0.7

0.7

接触

面积

（cm）

轮载

(KN)

当量圆直径(cm)

单圆 双圆

图式 图式

26

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路面,作用,汽车,车辆