东北林业大学：《刚性路面》课程教学讲义（水泥混凝土路面）第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析

第三章水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 第三章水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 §3-1交通荷载调查的内容和方法 、内容:1.车辆的种类和轴性 2.断面混合交通量或混合交通轴次 3.轴载谱 4.交通增长率 二、方法:1。间歇式或连续式观察断面混合交通量 2.间歇式或连续式观察断面混合交通轴次 §3-2交通参数分析 目的:确定设计用累计标准轴交通轴次N 、轴载换算:非标一一》标 (一)、标准轴载 “八五”、“九五”期间公路标准轴载的确定:公路代表车型和代表轴形 BZZ-100的规格:单轴双轮组,轴重100KN,胎压0.7MPa (二)、换算原则和方法 1.路面疲劳破坏 对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时,可能在低于静载一次作用下的极限应力值时 出现破坏,这种材料强度的降低现象称为疲劳。 疲劳的出现,是由于材料微结构的局部不均匀,诱发应力集中而出现微损伤,在应力重复作 用下微量损伤逐步累积扩大,终于导致结构破坏,称为疲劳破坏 2.路面疲劳指标 间接指标:沥青路面、砂石路面等弹塑性工作材料——塑性变形累计 水泥混凝土、无机结合料稳定类等弹性工作材料一一断裂 直接指标: AASHTO大型环道试验,以PSI- present service index为评价指标 3.换算原则 等效疲劳一—同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损伤程度 Mner定律——同一(材料)结构在不同荷载(P1、P2)作用下,达到相同的疲劳损伤指标 (程度),它们的作用次数分别为N1、N2,则组合(P1、N1)和(P2、N2)等效。 4换算方法(我国 我国水泥混凝土路面结构设计以弯拉疲劳开裂为设计指标,因此采用混凝土弯拉疲劳方程建 立换算关系。 1).混凝土小梁弯曲疲劳方程 标准形:g=a-BgN,其中:a、B—一与材料和试验方法有关的回归参数 ,、N—一重复最大应力(σm)和重复次数 G,一一一次加载弯拉强度 “七五”科技攻关项目《水泥混凝土路面设计理论、方法和参数》的公式:(同济大学依据 浙江大学结构实验室的40余条混凝土小梁疲劳试验总结得到) 第1页共4页

第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 第 1 页 共 4 页 第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 §3—1 交通荷载调查的内容和方法 一、内容：1.车辆的种类和轴性 2．断面混合交通量或混合交通轴次 3．轴载谱 4．交通增长率 二、方法：1。间歇式或连续式观察断面混合交通量 2．间歇式或连续式观察断面混合交通轴次 §3—2 交通参数分析 目的：确定设计用累计标准轴交通轴次 Ne 一、轴载换算：非标——》标 （一）、标准轴载 “八五”、“九五”期间公路标准轴载的确定：公路代表车型和代表轴形 BZZ—100 的规格：单轴双轮组，轴重 100KN，胎压 0.7MPa （二）、换算原则和方法 1.路面疲劳破坏 对于弹性状态的路面材料承受重复应力作用时，可能在低于静载一次作用下的极限应力值时 出现破坏，这种材料强度的降低现象称为疲劳。 疲劳的出现，是由于材料微结构的局部不均匀，诱发应力集中而出现微损伤，在应力重复作 用下微量损伤逐步累积扩大，终于导致结构破坏，称为疲劳破坏。 2.路面疲劳指标： 间接指标：沥青路面、砂石路面等弹塑性工作材料——塑性变形累计 水泥混凝土、无机结合料稳定类等弹性工作材料——断裂 直接指标：AASHTO 大型环道试验，以 PSI—present service index 为评价指标 3.换算原则 等效疲劳——同一路面结构在不同轴载作用下达到相同的疲劳损伤程度 Miner 定律——同一（材料）结构在不同荷载（P1、P2）作用下，达到相同的疲劳损伤指标 （程度），它们的作用次数分别为 N1、N2，则组合（P1 、N1）和（P2 、N2）等效。 4.换算方法（我国） 我国水泥混凝土路面结构设计以弯拉疲劳开裂为设计指标，因此采用混凝土弯拉疲劳方程建 立换算关系。 1).混凝土小梁弯曲疲劳方程 标准形： lg lg f s N         = −   ，其中：  、  ——与材料和试验方法有关的回归参数  f 、 N ——重复最大应力（  max ）和重复次数  s ——一次加载弯拉强度 “七五”科技攻关项目《水泥混凝土路面设计理论、方法和参数》的公式：(同济大学依据 浙江大学结构实验室的 40 余条混凝土小梁疲劳试验总结得到)

第三章水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 gN=1.171-19115!gy (3-3) 复相关系数R=0.95,标准差S=0.348 2)应力公式 a=ArmP"h2(新) 有限元法分析有限尺寸矩形板的数据回归方程: (3-5)以旧公式分析 地基和板的弹性模量在回归参数A、m、n中反映。如表3-5、3-6、3-7分别给出不同荷 位处、不同轴形的A、m、n值 3)换算公式推导 将(3-5)代入(3-3) 荷载P1作用下:gM=1171-1915141-go 机构相同 P 荷载P2作用下:lgM2=1171-191151g422-1ga 两式均遵守同一损坏标准,故(P1、N1)和(P2、N2)等效 两式作差:1gN1-lgN2=191111gA4 19.151 t hmim P/9.1151 会 19.1l51 h p 2- h 1-2p 2-1 P P 9.1151 19.1151两 令δ= 力%两P吗(轴轮型系数),则N=6 (3-11) P 若在同一路面结构上进行相同轴数和荷位的轴载间进行换算,则 19.1151n N, P n1=n2、m1=m2、A=A2,则δ=1,(3-1)式为 现取单后轴,板边荷位在各种路面和基础模量比的平均n=0.835为例:(3-12)化为 N2P (三)、轴载换算公式的实际应用(我国规范) 荷载板应力公式:G= Ar ph2,(公式变形的目的为了考虑三联轴,换算过程相同) 一相对刚度径,=么E(5=053方 6E0(1-2) ,约为 第2页共4页

第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 第 2 页 共 4 页 lg 1.171 19.1151lg f s N   = − (3-3) 复相关系数 R=0.95，标准差 S＝0.348 2）.应力公式 有限元法分析有限尺寸矩形板的数据回归方程： 2 ( m n m n Ar P h P A h   − = = （新） 旧） （3－5）以旧公式分析 地基和板的弹性模量在回归参数 A、m、n 中反映。如表 3－5、3－6、3－7 分别给出不同荷 位处、不同轴形的 A、m、n 值 3).换算公式推导 将（3－5）代入（3－3）： 荷载 P1 作用下： 1 1 1 1 1 lg 1.171 19.1151 lg lg m n s P N A h    = − −     机构相同 荷载 P2 作用下： 2 2 2 2 2 lg 1.171 19.1151 lg lg m n s P N A h    = − −     两式均遵守同一损坏标准，故（P1、N1）和（P2、N2）等效 两式作差： 2 1 2 1 2 1 1 2 2 1 lg lg 19.1151 lg lg m m n n P P N N A A h h   − = −     ＝》 1 1 2 1 2 1 2 2 1 1 2 2 1 1 19.1151 19.1151 19.1151 19.1151 1 2 2 2 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 n n n m m m m n n m m n n n N A P A P A P h h P h P N A P A P A P − − − − −           = = =                       令 1 2 2 1 19.1151 2 2 1 A m m n n h P A  − −   =     （轴轮型系数），则 1 19.1151 1 2 2 1 n N P N P    =     （3－11） 若 在 同一路面结构上进行相同轴数和荷位的轴载间进行换算，则 1 2 1 2 1 2 n n m m A A = = = 、 、 ，则  =1 ，（3－11）式为 19.1151 1 2 2 1 n N P N P   =     （3－12） 现取单后轴，板边荷位在各种路面和基础模量比的平均 n=0.835 为例：（3－12）化为： 16 1 2 2 1 N P N P   =     （3－13） （三）、轴载换算公式的实际应用（我国规范） 荷载板应力公式： m n 2  Ar P h− = ，（公式变形的目的为了考虑三联轴，换算过程相同） r——相对刚度半径， 1 2 3 2 0 0 0 (1 ) 0.537 6 (1 ) E E c c c r h h E E   −   = =   −   ,约为

第三章水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 0.7m-09m,在进行轴次换算时取0.8 轴次换算公式:N2=∑N P 100 N一一换算为BZZ-100的作用轴次; P、N.—一非标准轴载的轴重和作用轴次; δ—轴一轮型系数,单轴双轮组:δ.=1 单轴单轮组:δ=222×103P 双轴双轮组:,=1.07×10-5P102 轴双轮组:δ=224×108P022 不计2轮4轮以下车型 二、轴载统计 (一)、设计车道的年平均日货车交通量一—ADTT A—一设计公路初年年平均日交通量(双向) B—-2轮4轮以下车型 β1-—方向不均匀系数,一般取0.5,特殊情况由交通统计确定 B2-—车道分配系数 单向车道数 车道分配系数 1.0108~1006~0.805-075 注:交通量大时,取低值:反之,取高值 ADTT=(A-B)×B1×B2 (二)、轴载谱调查 目的:确定混合交通量中轴载的分布 P——2轴6轮以上客、货车辆中i种轴型出现的频率(低样本统计量的概率叫做频率,与 物理概念不同),通常取统计样本1000辆,轴型分为单轴、双联轴和三联轴: P,—一某种轴型中j级轴载出现的频率,单轴轴载按10KN分级,双连轴和三联轴按20KN 分级; Pi种轴型,j级轴载出现的频率 (三)、换算法 1.轴载当量换算系数法 轴载当量换算系数:kP=6 第3页共4页

第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 第 3 页 共 4 页 0.7m—0.9m,，在进行轴次换算时取 0.8 轴次换算公式： 16 1 100 n i s i i i P N N =   =      Ns ——换算为 BZZ---100 的作用轴次； Pi 、 Ni ——非标准轴载的轴重和作用轴次； i  ——轴—轮型系数，单轴双轮组： i  ＝1 单轴单轮组： 3 0.43 2.22 10  i i P − =  双轴双轮组： 5 0.22 1.07 10  i i P − − =  三轴双轮组： 8 0.22 2.24 10  i i P − − =  不计 2 轮 4 轮以下车型 二、轴载统计 （一）、设计车道的年平均日货车交通量——ADTT A——设计公路初年年平均日交通量（双向）； B——2 轮 4 轮以下车型； 1——方向不均匀系数，一般取 0.5，特殊情况由交通统计确定  2 ——车道分配系数。 注：交通量大时，取低值；反之，取高值 1 2 ADTT A B = −   ( )   (二)、轴载谱调查 目的：确定混合交通量中轴载的分布 i p ——2 轴 6 轮以上客、货车辆中 i 种轴型出现的频率（低样本统计量的概率叫做频率，与 物理概念不同），通常取统计样本 1000 辆，轴型分为单轴、双联轴和三联轴； j p ——某种轴型中 j 级轴载出现的频率，单轴轴载按 10KN 分级，双连轴和三联轴按 20KN 分级； ij p ——i 种轴型，j 级轴载出现的频率 （三）、换算法 1．轴载当量换算系数法 轴载当量换算系数： 16 , 100 ij P ij ij P k    =     单向车道数 1 2 3  4 车道分配系数 1.0 0.8～1.0 0.6～0.8 0.5~0.75

第三章水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 B——种轴型,j级轴载的轴重,—1种轴型,j级轴载的轴轮型系数(同上) 设计车道使用初期的标准轴载日作用次数: N-ADTT ∑n∑(k,xP 1000 2.车辆当量轴载系数法 车辆当量换算系数:k=∑∑(k,×P2) K一一车辆类型 整车 单后轴货车、双后轴货车、大客车 半挂车 阝3轴、4轴、5轴、5轴以上 全挂车 4轴、5轴、6轴、6轴以上 设计车道使用初期的标准轴载日作用次数:N,=ADT7x∑(xP2) P4-k类车辆的组成比例 累计当量轴次 A≈Nx[(+gy 365 N—一设计基准期内水泥混凝土路面临界荷位处承受的标准轴载累计作用次数 g,—一交通量年平均增长率,由当地经济与交通反展水平确定,一般为5%~8% η——车辆轮迹横向分布系数 公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站 0.17~0.22 行车道宽>7m 0.34~0.39 二级及二级以下公路 行车道宽≤7m 0.54~0.62 注:车道或行车道宽或者交通量大时,取高值:反之,取低值 设计基准期 公路技术等级高速公路 级公路 二级公路 、四级公路 设计基准期(年) 0 由累计交通量确定交通分级 交通等级 特重 N。(104) >2000 第4页共4页

第三章 水泥混凝土路面结构设计交通参数调查与分析 第 4 页 共 4 页 Pij ——i 种轴型，j 级轴载的轴重， ij  ——i 种轴型，j 级轴载的轴轮型系数（同上） 设计车道使用初期的标准轴载日作用次数： ( , ) 1000 s i p ij ij i j ADTT N n k p =    2．车辆当量轴载系数法 车辆当量换算系数： p k p ij ij , , ( ) i j k k p   =        ， K——车辆类型： 整车 单后轴货车、双后轴货车、大客车 半挂车 3 轴 、4 轴 、5 轴、5 轴以上 全挂车 4 轴 、5 轴 、6 轴、6 轴以上 设计车道使用初期的标准轴载日作用次数： s p k k ( , ) k N ADTT k p =    ， k p ——k 类车辆的组成比例 三、累计当量轴次 (1 ) 1 365 t s r e r N g N g   + −      = Ne ——设计基准期内水泥混凝土路面临界荷位处承受的标准轴载累计作用次数 r g ——交通量年平均增长率，由当地经济与交通反展水平确定，一般为 5％～8％  ——车辆轮迹横向分布系数 公路等级 纵缝边缘处 高速公路、一级公路、收费站 0.17~0.22 二级及二级以下公路 行车道宽>7m 0.34~0.39 行车道宽  7m 0.54~0.62 注： 车道或行车道宽或者交通量大时，取高值；反之，取低值。 t ——设计基准期： 公路技术等级 高速公路 一级公路 二级公路 三、四级公路 设计基准期（年） 30 30 20 20 由累计交通量确定交通分级 交通等级 特重 重 中等 轻 Ne （104） >2000 100~2000 3~100 <3