第31卷第1期黄河水利职业技术学院学报Vol.31 No.12019年1月Jan.2019Journal of Yellow River Conservancy Technical Institute交通荷载拟静力分析与动力模拟方法探析杨利国（黄河水利职业技术学院，河南开封475004）摘要：研究交通荷载对路基变形沉降的影响时，主要是对交通荷载按等效静荷载或等效动荷载2种方式进行模拟。通过分析等效土柱法、移动恒载法、冲击系数法3种常用的拟静力分析法可知，这些方法都不能反映路基土的动力特性，与实际情况不符。探讨了利用动三轴仪动扭剪仪等进行动力试验的方法，并模拟了交通动荷载波形、振幅、频率、振次等动荷载参数的选取过程。关键词：交通荷载：路基变形沉降：拟静力分析：动力模拟：动荷载参数中图分类号：TU435文献标识码：Bdoi:10.13681/j.cnki.cn41-1282/tv.2019.01.0070引言ho-NO(1)yBL公路建设不仅能促进运输业、制造业、农业、旅游业、物流业等发展，还能极大地促进区域经济的发式中：ho为当量土柱高度，m;为土的单位体积展和对外联系。“公路通，百业兴"“要想富，先修路”重量，kN/m2;N为横向分布车辆数，单车道N=l、双等谚语也充分反映了公路建设在国民经济发展中的车道N=2，多车道按实际布置；Q为每辆车的重量，重要作用。建好的公路路基主体长期在循环交通荷kN;L为汽车前后轮胎距离，m;B为横向分布车辆载的作用下，路面会出现开裂、车辙等破坏，这将严轮胎最外缘之间的距离，m；重影响行车安全。不断增长的运输量和交通荷载又计算的等效土柱相当于均匀分布的静力附加荷是造成路基变形沉降和路面结构损伤的主要原因。载。然后，根据附加应力叠加原理，可计算出路基土因此，国内外众多学者针对不同类型土质的路基在体在不同深度不同位置的总的附加应力，再根据分交通荷载下的塑性变形动力响应、影响深度等进行层总和法，计算出路基王体总的沉降量。但是按照了许多有益的研究，并取得了积极成果[1-5]。该方法得到的等效土柱高度很小，致使计算的由交由于交通荷载是一种随机性非常强的量，要研通荷载引起的路基附加沉降很小。这一结果与交通究交通荷载对路基的影响，对交通荷载的确定则至荷载对道路沉降影响的实际情况不符。关重要。自前，对于动荷载的模拟主要有拟静力分析1.1.2移动恒载法法和等效动荷载分析法。笔者分别对2种模拟方法移动恒载法是将汽车车载简化为均匀分布的矩进行分析，并探讨了动力模拟时动荷载参数的选取形荷载，沿着车辆的行驶方向，设置荷载移动带，再方法，以期为路基、路面结构的设计提供参考。将移动带进一步划分为若于单元格，车轮静载沿着1交通荷载的拟静力分析方法荷载移动带每次向前移动一格，荷载移动速度根据1.1常用分析方法设置的通过单元格的每个荷载步的时间长短控制。1.1.1等效土柱法该方法的本质仍是静荷载分析，虽然能在一定程度按照等效破坏的原则，根据规范中定义的车辆上反映车辆速度对交通荷载的影响，但荷载仍是定荷载轴载的换算关系统计交通量。将路面行驶的各值，不能反映车辆随路面平整状况的变化和波动。类车辆换算成日标准轴载（100kN）作用次数，然后1.1.3冲击系数法按公式（1)将车辆荷载换算成与路基重度相同且作冲击系数法是将车轮静荷载乘以一个冲击系数用效果相同的一定厚度土层[6]。来考量交通荷载对路基的影响。冲击系数为动荷载收稿日期：2018-02-06基金项目：黄河水利职业技术学院校内基金项目：双向交通荷载作用下粉土路基动残余变形的研究(2017KXJS008）作者简介：杨利国（1984-），男，河南洛阳人，讲师，硕士，主要从事高校土动力学及土工抗震方面的教学与研究工作。29
交通荷载拟静力分析与动力模拟方法探析 杨利国 （黄河水利职业技术学院，河南 开封 ４７５００４） 摘 要：研究交通荷载对路基变形沉降的影响时，主要是对交通荷载按等效静荷载或等效动荷载 ２ 种方式进行模拟。通过分析等效土柱法、移动恒载法、冲击系数法 ３ 种常用的拟静力分析法可知，这 些方法都不能反映路基土的动力特性，与实际情况不符。 探讨了利用动三轴仪、动扭剪仪等进行动 力试验的方法，并模拟了交通动荷载波形、振幅、频率、振次等动荷载参数的选取过程。 关键词：交通荷载；路基变形沉降；拟静力分析；动力模拟；动荷载参数 中图分类号：ＴＵ４３５ 文献标识码：B doi：１０．１３６８１ ／ ｊ．cnｋi．cn４１-１２８２ ／ ｔｖ．２０１９．０１．００７ 收稿日期：２０１８-０２-０６ 基金项目：黄河水利职业技术学院校内基金项目：双向交通荷载作用下粉土路基动残余变形的研究（２０１７ＫＸＪＳ００８） 作者简介：杨利国（１９８４-），男，河南洛阳人，讲师，硕士，主要从事高校土动力学及土工抗震方面的教学与研究工作。 0 引言 公路建设不仅能促进运输业、制造业、农业、旅 游业、物流业等发展，还能极大地促进区域经济的发 展和对外联系。 “公路通，百业兴”“要想富，先修路” 等谚语也充分反映了公路建设在国民经济发展中的 重要作用。 建好的公路路基土体长期在循环交通荷 载的作用下，路面会出现开裂、车辙等破坏，这将严 重影响行车安全。 不断增长的运输量和交通荷载又 是造成路基变形沉降和路面结构损伤的主要原因。 因此， 国内外众多学者针对不同类型土质的路基在 交通荷载下的塑性变形、动力响应、影响深度等进行 了许多有益的研究，并取得了积极成果［１～５］ 。 由于交通荷载是一种随机性非常强的量， 要研 究交通荷载对路基的影响， 对交通荷载的确定则至 关重要。目前，对于动荷载的模拟主要有拟静力分析 法和等效动荷载分析法。 笔者分别对 ２ 种模拟方法 进行分析， 并探讨了动力模拟时动荷载参数的选取 方法，以期为路基、路面结构的设计提供参考。 １ 交通荷载的拟静力分析方法 １．１ 常用分析方法 １．１．１ 等效土柱法 按照等效破坏的原则， 根据规范中定义的车辆 荷载轴载的换算关系统计交通量。 将路面行驶的各 类车辆换算成日标准轴载（１００ ｋＮ）作用次数，然后 按公式（１）将车辆荷载换算成与路基重度相同且作 用效果相同的一定厚度土层［６］ 。 h０= ＮQ γＢＬ （１） 式中：h０ 为当量土柱高度，ｍ；γ 为土的单位体积 重量，ｋＮ ／ ｍ３ ；Ｎ 为横向分布车辆数， 单车道 Ｎ=l、双 车道 Ｎ=２， 多车道按实际布置；Q 为每辆车的重量， ｋＮ；Ｌ 为汽车前后轮胎距离，ｍ；Ｂ 为横向分布车辆 轮胎最外缘之间的距离，ｍ； 计算的等效土柱相当于均匀分布的静力附加荷 载。 然后，根据附加应力叠加原理，可计算出路基土 体在不同深度、不同位置的总的附加应力。再根据分 层总和法，计算出路基土体总的沉降量。 但是，按照 该方法得到的等效土柱高度很小， 致使计算的由交 通荷载引起的路基附加沉降很小。 这一结果与交通 荷载对道路沉降影响的实际情况不符。 １．１．２ 移动恒载法 移动恒载法是将汽车车载简化为均匀分布的矩 形荷载，沿着车辆的行驶方向，设置荷载移动带，再 将移动带进一步划分为若干单元格， 车轮静载沿着 荷载移动带每次向前移动一格， 荷载移动速度根据 设置的通过单元格的每个荷载步的时间长短控制。 该方法的本质仍是静荷载分析， 虽然能在一定程度 上反映车辆速度对交通荷载的影响， 但荷载仍是定 值，不能反映车辆随路面平整状况的变化和波动。 １．１．３ 冲击系数法 冲击系数法是将车轮静荷载乘以一个冲击系数 来考量交通荷载对路基的影响。 冲击系数为动荷载 第 ３１ 卷 第 １ 期 ２０１９ 年 １ 月 黄河水利职业技术学院学报 Ｊoｕｒnａl oｆ Ｙｅlloｗ Ｒiｖｅｒ Ｃonsｅｒｖａncｙ Ｔｅcｈnicａl Insｔiｔｕｔｅ Ｖol．３１ Ｎo．１ Ｊａn．２０１９ ２９
黄河水利职业技术学院学报2019年第1期最大值与静轮载的比值，它包含在动荷载系数中，动模拟交通动荷载，得到路基土体的动力响应的规律。荷载系数按式（2)计算。因此，有必要根据最新规范、实测数据和研究成果确定交通荷载的波形、振幅、频率、循环次数，为研究交=PatP=+Po=1+i(2)Po-14P通荷载对路基作用的室内试验提供参考。式中：P。为车轮静荷载，kN;P为附加动荷载2.1波形的模拟的最大值，kN；i为冲击系数。试验室士动力学常规试验仪器能加载的波形主日本建设省在Arikae黏土上进行的低路堤交要有正弦波、三角波、矩形波。对于路基中某一深度通载荷试验表明，车辆跑动时，在土中产生的竖向附处的某一土单元来说，车辆通过时，作用在其上的附加应力为车辆静止时的三倍。周华飞等建立移动车加应力经历了加载和卸载的过程。若某一前后轴距辆荷载的数学模型，并考虑轮胎阻尼对动荷载的吸为L的双轴车辆行车速度为时，若已知前轴在某收作用，得到动荷载系数介于1.0~1.4之间，则冲击一深度处产生附加应力的作用范围的直径为B，后系数介于0~0.4之间的结论[7]。曹源文等根据西宝轴在某一深度处产生附加应力的作用范围的直径为高速公路实测路面不平整数据，建立了四自由度车B2，就可以确定该深度处路基土体的前轮加载周期辆振动模型考虑最大动荷载影响因素，计算得到最T,=B,/u、后轮加载周期T2=B/v。前后轴通过的附加大动荷载系数可达到2.0以上的结论[8]。由此可见，应力为0的时间间隔T=(L-B/2-B/2)/u，前后两车冲击系数的取值仍不确定，且由于仅仅增大了静应之间的时间间隔为T。其三角形加载波形和半波正弦加载波形分别如图1所示。由于汽车速度较快，通力的幅值，所以不能反映路基的动力特性。1.2用拟静力法模拟交通荷载的局限性过路基土体某单元动应力达到峰值是瞬间的，三角以上3种将交通荷载简化为静力荷载计算路基波和正弦波的动应力峰值是瞬间作用，比较符合实附加变形的方法的计算结果与车辆在行驶过程中路际情况，而矩形波的动应力峰值作用时间较长，对王体的作用结果偏大，不符合实际情况。凌建明分析认基所受的应力相差较多。例如，在路基王体单元，常出现主应力轴旋转、加速或者刹车时受到水平剪应为9]，采用三角加载波形来模拟路基顶面竖向应力力、相邻车道有距离较近的其他车辆行驶时产生双变化曲线，其相关系数大于0.9，因此也可用三角加向或多向受力等复杂情况，从而使对交通荷载进行载波形曲线来描述动土压力的变化。Hyodo和Ya-拟静力分析无法实现，也无法反映路基体的动残suhara通过试验实测认为，交通荷载作用下地基的余变形疲劳破坏、动力变等动力特性。因此，在研竖向王压力变化波形可采用半波正弦曲线来描述，究公路交通荷载对路基土体的作用时，必须将其视普通试验仪器无法加载半正弦波，而正弦波形对于为动荷载来考量，且需要根据其特点和产生的机理描述某点振动的数学表达式较为简单，因此室内试进行分析，确定成为能根据一定参数来表达的物理验研究选用正弦波较为合适。量。2.2振幅的模拟在道路上行驶的车辆类型较多，每辆车所产生2交通荷载的动力模拟交通荷载由于会受到路面平整度、载重、车速、的动荷载也有所不同。载重和车速是影响动荷载的人等众多因素的影响，随机性强，难以建立具有较强两个最主要因素。因此，根据实际情况，分别考虑重适用性的模型。室内动三轴仪、动扭剪仪可以较好地载低速和小车高速两种情况。“重载低速”车辆是指3++EPTT+12T+T112时间/h时间/(a)三角波形(b)正弦波形图1路基附加应力加载卸载示意图Fig.1 Subgrade additional stress loading and unloading30
黄河水利职业技术学院学报 ２０１９ 年第 １ 期 最大值与静轮载的比值，它包含在动荷载系数中，动 荷载系数按式（２）计算。 ψ= P０+Pｄｍａx P０ =１+ Pｄｍａx P０ =１+i （２） 式中：P０ 为车轮静荷载，ｋＮ；Pｄｍａx 为附加动荷载 的最大值，ｋＮ；i 为冲击系数。 日本建设省在 Aｒiｋａｅ 黏土上进行的低路堤交 通载荷试验表明，车辆跑动时，在土中产生的竖向附 加应力为车辆静止时的三倍。 周华飞等建立移动车 辆荷载的数学模型， 并考虑轮胎阻尼对动荷载的吸 收作用，得到动荷载系数介于 １．０～１．４ 之间，则冲击 系数介于 ０～０．４ 之间的结论［７］ 。 曹源文等根据西宝 高速公路实测路面不平整数据， 建立了四自由度车 辆振动模型，考虑最大动荷载影响因素，计算得到最 大动荷载系数可达到 ２．０ 以上的结论［８］ 。 由此可见， 冲击系数的取值仍不确定， 且由于仅仅增大了静应 力的幅值，所以不能反映路基的动力特性。 １．２ 用拟静力法模拟交通荷载的局限性 以上 ３ 种将交通荷载简化为静力荷载计算路基 附加变形的方法的计算结果与车辆在行驶过程中路 基所受的应力相差较多。 例如，在路基土体单元，常 出现主应力轴旋转、 加速或者刹车时受到水平剪应 力、 相邻车道有距离较近的其他车辆行驶时产生双 向或多向受力等复杂情况， 从而使对交通荷载进行 拟静力分析无法实现， 也无法反映路基土体的动残 余变形、疲劳破坏、动力蠕变等动力特性。因此，在研 究公路交通荷载对路基土体的作用时， 必须将其视 为动荷载来考量， 且需要根据其特点和产生的机理 进行分析， 确定成为能根据一定参数来表达的物理 量。 ２ 交通荷载的动力模拟 交通荷载由于会受到路面平整度、载重、车速、 人等众多因素的影响，随机性强，难以建立具有较强 适用性的模型。室内动三轴仪、动扭剪仪可以较好地 模拟交通动荷载，得到路基土体的动力响应的规律。 因此，有必要根据最新规范、实测数据和研究成果确 定交通荷载的波形、振幅、频率、循环次数，为研究交 通荷载对路基作用的室内试验提供参考。 ２．１ 波形的模拟 试验室土动力学常规试验仪器能加载的波形主 要有正弦波、三角波、矩形波。 对于路基中某一深度 处的某一土单元来说，车辆通过时，作用在其上的附 加应力经历了加载和卸载的过程。 若某一前后轴距 为 Ｌ 的双轴车辆行车速度为 ｖ 时， 若已知前轴在某 一深度处产生附加应力的作用范围的直径为 Ｂ１，后 轴在某一深度处产生附加应力的作用范围的直径为 Ｂ２， 就可以确定该深度处路基土体的前轮加载周期 T１=Ｂ１/ｖ、后轮加载周期 T２=Ｂ２/ｖ。 前后轴通过的附加 应力为 ０ 的时间间隔 T３=（Ｌ-Ｂ１/２-Ｂ２/２）/ｖ，前后两车 之间的时间间隔为 T４。 其三角形加载波形和半波正 弦加载波形分别如图 １ 所示。由于汽车速度较快，通 过路基土体某单元动应力达到峰值是瞬间的， 三角 波和正弦波的动应力峰值是瞬间作用， 比较符合实 际情况，而矩形波的动应力峰值作用时间较长，对土 体的作用结果偏大，不符合实际情况。凌建明分析认 为［９］ ，采用三角加载波形来模拟路基顶面竖向应力 变化曲线，其相关系数大于 ０．９，因此也可用三角加 载波形曲线来描述动土压力的变化。 Ｈｙoｄo 和 Ｙａ- sｕｈａｒａ 通过试验实测认为， 交通荷载作用下地基的 竖向土压力变化波形可采用半波正弦曲线来描述。 普通试验仪器无法加载半正弦波， 而正弦波形对于 描述某点振动的数学表达式较为简单， 因此室内试 验研究选用正弦波较为合适。 ２．２ 振幅的模拟 在道路上行驶的车辆类型较多， 每辆车所产生 的动荷载也有所不同。 载重和车速是影响动荷载的 两个最主要因素。 因此，根据实际情况，分别考虑重 载低速和小车高速两种情况。 “重载低速”车辆是指 图 １ 路基附加应力加载卸载示意图 Ｆig．1 Subgrade additional stress loading and unloading 动 应 力 P（t）/Ｎ P２ P１ T１ T３ T２ 时间 t/ｈ （a）三角波形 （b）正弦波形 动 应 力 P（t）/Ｎ P２ P１ T１ T３ T２ 时间 t/ｈ ３０
杨利国：交通荷载拟静力分析与动力模拟方法探析重量较大、行驶速度较低的重型货车和大客车。“小上万次车轮荷载的作用，而路面承受一次轮载作用车高速”是指重量轻行驶速度高，并要求在高速行和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。因此，有车条件下具有良好的平稳性与安全性的小车。考虑必要对道路在设计使用年限内的累积交通量进行估计，以便合理选取室内试验的循环作用次数。设计年载重时，重型货车与大客车起决定作用轻型货车与中小客车影响很小，有时可以不计。考虑车速时，以限内累计交通量N，可以按式（8)或式(9)预估。小汽车为主要对象。考虑车辆静轮载P。和车轮动荷N_365N[(1+)-1](8)y载P的共同作用，则交通荷载幅值方程如式（3）所示。N.=365N-[(1+ )"-1](9)(1+)P(t)=Po+Maαw'sin(ot)(3)式中：P。为车辆静轴重，N；M。为车辆的簧下质式中：N，为设计年限内的累计交通量，辆；N为设计的初始年平均日交通量，辆；N，为设计年限内末量，kg;α为路面不平顺失高，反映路况，国际高速公路不平整指数，取2mm;为车辆振动频率，w=2ld；年的年平均日交通量，辆：为设计年限内交通量年为车速，km/h；d为车辆长度，m。平均增长率，%；t为设计年限，年。吴飞海用概率统计法确定了以下相关数值·小根据规范[2]高速公路设计的交通量预测年限汽车占所有车辆的56%，两轴大客车和货车共占所是20年，设计初始日平均车流量为15000辆，交通有车辆的28%；小汽车的整备质量为1700kg，轴重量年平均增长率为5%。根据式(8)或式(9)可得，该比为0.44:0.56，簧下质量与簧上质量之比为1:6；货道路在设计使用年限内通过车辆总的标准轴载数为车的整备质量为10000kg，轴重比为0.35:0.65，簧1.81x10°次。假定该公路为双向四车道，车轮轨迹在下质量与簧上质量之比为1:5.5[10]。根据我国高速公每个车道上均匀分布，则设计使用年限内，每车道的路对大货车和小汽车最高限速（分别为90km/h和轴载数也在107次以上。如果采用数值分析研究交120km/h）和2016年《公路货运车辆超限超载认定通荷载，可以取轴载数为107次进行研究。但对于常规室内土动力试验仪器而言，无法达到107次以上标准》对2轴的载货汽车总质量限值（18t），小汽车车身长度取6m，双轴货车车身长度取12m，按公式的循环加载，即使达到，试验效率也较低。因此，一般(4)~(7)计算小汽车和货车的车辆荷载。认为对于室内试验，循环周次达到104以上，就可以反映交通荷载的疲劳作用。P(t)=8307+595sin(35t)(4)P(t)=11224+595sin(35t)(5)3结语(6)交通荷载的随机性较强，在研究交通荷载对路Pl(t)=63000+1922.5sin(25t)基变形的影响时，需要根据车辆和道路情况对交通P2(t)=117000+1922.5sin(25t)(7)其中，P(t)为考虑动力作用的小汽车1轴荷载，荷载进行简化模拟。通过对已有文献和最新规范的N;P(t)为考虑动力作用的小汽车2轴荷载,N;P2(t)总结分析可知：对交通荷载按照静力荷载模拟，不符为考虑动力作用的2轴货车1轴荷载,N；P2(t)为考合路基的实际受力情况，也不能反映路基土体的动虑动力作用的2轴货车2轴荷载，N。力特性和疲劳破坏状况。因此，对交通荷载应当按照2.3频率的模拟动荷载模拟。对交通荷载按照动荷载模拟时，波形按王随等通过对常德-张家界高速公路现场实测照正弦波选取振幅考虑“重载低速”和“小车高速”发现，行车速度与荷载频率是密切相关的[]。交通荷两种最不利情况，按照道路上行驶数量最多的2轴载经过一定厚度的结构层到达路基顶面时，由于阻车辆，并结合轮胎与路面的接触面积计算。“重载低尼作用几乎没有高频成分，100km/h车速的主频较速”的货车类车辆频率选取0.5Hz，“小车高速”的轿60km/h车速的主频略高，但基本上都为低频成分车类车辆频率选取1Hz、室内试验循环次数要达到且集中在0.05~1.0Hz范围内。据此，以“重载低速”10以上。的货车为研究对象时，振动频率取低值，即0.5Hz；以“小车高速”的小汽车为研究对象时，振动频率取参考文献：高值，即1Hz。[1] Monismith C L,Ogawa N,Freeme C R. Pemanent2.4循环次数的模拟defomation characteristics of subgrade soils due to re-交通荷载对路基路面的多次循环作用也是一项peated loading [UJJ. Transportation Research Record,（下转第41页）重要的动态影响。道路结构每天将承受上千次甚至1975,53(7):1-17.31
重量较大、行驶速度较低的重型货车和大客车。 “小 车高速”是指重量轻、行驶速度高，并要求在高速行 车条件下具有良好的平稳性与安全性的小车。 考虑 载重时，重型货车与大客车起决定作用，轻型货车与 中、小客车影响很小，有时可以不计。考虑车速时，以 小汽车为主要对象。 考虑车辆静轮载 P０ 和车轮动荷 载 Pｄ 的共同作用，则交通荷载幅值方程如式（３）所 示。 P（t）=P０+Ｍ０αω２ sin（ωt） （３） 式中：P０ 为车辆静轴重，Ｎ；Ｍ０ 为车辆的簧下质 量，ｋｇ；α 为路面不平顺矢高，反映路况，国际高速公 路不平整指数，取 ２ ｍｍ；ω 为车辆振动频率，ω=２πｖ/ｄ； ｖ 为车速，ｋｍ ／ ｈ；ｄ 为车辆长度，ｍ。 吴飞海用概率统计法确定了以下相关数值：小 汽车占所有车辆的 ５６％，两轴大客车和货车共占所 有车辆的 ２８％；小汽车的整备质量为 １ ７００ ｋｇ，轴重 比为 ０．４４∶０．５６， 簧下质量与簧上质量之比为 １∶６；货 车的整备质量为 １０ ０００ ｋｇ， 轴重比为 ０．３５∶０．６５，簧 下质量与簧上质量之比为 １∶５．５［１０］ 。 根据我国高速公 路对大货车和小汽车最高限速 （分别为 ９０ ｋｍ ／ ｈ 和 １２０ ｋｍ ／ ｈ）和 ２０１６ 年《公路货运车辆超限超载认定 标准》对 ２ 轴的载货汽车总质量限值（１８ ｔ），小汽车 车身长度取 ６ ｍ，双轴货车车身长度取 １２ ｍ，按公式 （４）～（７）计算小汽车和货车的车辆荷载。 P１ （t）=８ ３０７+５９５sin（３５t） （４） P２ （t）=１１ ２２４+５９５sin（３５t） （５） P１ ２（t）=６３ ０００+１ ９２２．５sin（２５t） （６） P２ ２（t）=１１７ ０００+１ ９２２．５sin（２５t） （７） 其中，P１ （t）为考虑动力作用的小汽车 １ 轴荷载， Ｎ；P２ （t）为考虑动力作用的小汽车 ２ 轴荷载，Ｎ；P１ ２（t） 为考虑动力作用的 ２ 轴货车 １ 轴荷载，Ｎ；P２ ２（t）为考 虑动力作用的 ２ 轴货车 ２ 轴荷载，Ｎ。 ２．3 频率的模拟 王晅等通过对常德-张家界高速公路现场实测 发现，行车速度与荷载频率是密切相关的［１１］ 。交通荷 载经过一定厚度的结构层到达路基顶面时， 由于阻 尼作用几乎没有高频成分，１００ ｋｍ ／ ｈ 车速的主频较 ６０ ｋｍ ／ ｈ 车速的主频略高，但基本上都为低频成分， 且集中在 ０．０５～１．０ Ｈｚ 范围内。 据此，以“重载低速” 的货车为研究对象时，振动频率取低值，即 ０．５ Ｈｚ； 以“小车高速”的小汽车为研究对象时，振动频率取 高值，即 １ Ｈｚ。 ２．4 循环次数的模拟 交通荷载对路基路面的多次循环作用也是一项 重要的动态影响。 道路结构每天将承受上千次甚至 上万次车轮荷载的作用， 而路面承受一次轮载作用 和承受多次重复轮载作用的效果并不一样。因此，有 必要对道路在设计使用年限内的累积交通量进行估 计，以便合理选取室内试验的循环作用次数。设计年 限内累计交通量 Ｎe 可以按式（８）或式（９）预估。 Ｎe= ３６５Ｎ１ γ [（１+γ）ｔ -１] （８） Ｎe= ３６５Ｎｔ γ（１+γ）ｔ-１ [（１+γ）ｔ -１] （９） 式中：Ｎe 为设计年限内的累计交通量，辆；Ｎ１ 为 设计的初始年平均日交通量， 辆；Ｎｔ 为设计年限内末 年的年平均日交通量，辆；γ 为设计年限内交通量年 平均增长率，％；t 为设计年限，年。 根据规范［１２］ ，高速公路设计的交通量预测年限 是 ２０ 年，设计初始日平均车流量为 １５ ０００ 辆，交通 量年平均增长率为 ５％。 根据式（８）或式（９）可得，该 道路在设计使用年限内通过车辆总的标准轴载数为 １．８１×１０８ 次。 假定该公路为双向四车道，车轮轨迹在 每个车道上均匀分布，则设计使用年限内，每车道的 轴载数也在 １０７ 次以上。 如果采用数值分析研究交 通荷载，可以取轴载数为 １０７ 次进行研究。 但对于常 规室内土动力试验仪器而言， 无法达到 １０７ 次以上 的循环加载，即使达到，试验效率也较低。因此，一般 认为，对于室内试验，循环周次达到 １０４ 以上，就可 以反映交通荷载的疲劳作用。 3 结语 交通荷载的随机性较强， 在研究交通荷载对路 基变形的影响时， 需要根据车辆和道路情况对交通 荷载进行简化模拟。 通过对已有文献和最新规范的 总结分析可知：对交通荷载按照静力荷载模拟，不符 合路基的实际受力情况， 也不能反映路基土体的动 力特性和疲劳破坏状况。因此，对交通荷载应当按照 动荷载模拟。对交通荷载按照动荷载模拟时，波形按 照正弦波选取，振幅考虑“重载低速”和“小车高速” 两种最不利情况， 按照道路上行驶数量最多的 ２ 轴 车辆，并结合轮胎与路面的接触面积计算。 “重载低 速”的货车类车辆频率选取 ０．５ Ｈｚ，“小车高速”的轿 车类车辆频率选取 １ Ｈｚ，室内试验循环次数要达到 １０４ 以上。 参考文献： ［１］ Ｍｏｎｉｓｍｉｔｈ Ｃ Ｌ，Ｏｇａｗａ Ｎ，Ｆｒｅｅｍｅ Ｃ Ｒ． Ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉlｓ ｄｕｅ ｔｏ ｒｅ- ｐｅａｔｅｄ lｏａｄｉｎｇ ［Ｊ］． Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｒｅｃｏｒｄ， １９７５，５３（７）：１-１７． （下转第 4１ 页） 杨利国：交通荷载拟静力分析与动力模拟方法探析 ３１
张洁，等：基于51单片机的家居安防系统设计操作简便，性价比较高，终端节点可兼容多种传感接收机的射频前端关键技术U].电路与系统学报,2012,17器。因此，具有一定的推广应用价值。(3):1519[4]张晓虎，刘洁.基于单片机的出租车计价器编码传感器的设计U].自动化技术与应用，2005,24(10)：63-65.参考文献：[1]刘妍，马艳娥，陈思，一种基于单片机串口的数据采集系韩芝侠，淡涛，黄庆华热释电红外传感器的应用［U].陕[5] 西理工大学学报：自然科学版，2003,19（3）：39-41.统设计[J.电子测试，2011（9)：58-60[2]韩进,马双,基于SIM800C的GPRS数据传输系统设计[6]刘刚.同频干扰产生机理分析及解决方法U].舰船电子[].电子产品世界，2016,23(11)：39-42.对抗,2011,34(3)：17-19.[3］】王欢，王志功，王蓉，等.用于315/433/433MHz超再生[责任编辑胡修池Design on Home Security System Based on 51 Single Chip MicrocomputerZhang Jie,Cao Jianchun(YellowRiver Conservancy Technical Institute,Kaifeng 475004,Henan,China)Abstract:In order to solve the problem of the high price of the current home security system, a simpleand practical home security system is designed by using the reliable and stable 51 single-chip microcom-puter, the cheap and handy SIM800 mobile phone module and the 315/433mhz ultra-regenerative wirelesstransceiver module. It discusses the design scheme of the whole frame structure and function module, andmonitors and analyzes its operation.Key words:Home security system; 51 single-chip microcomputer; ultra-regenerative wireless transceivermodule; SIM800 GSM phone module; terminal node; converging node（上接第31页）[7]］周华飞，蒋建群，毛根海.路面不平整引起的车辆动载[2] Li D,Selig E T.Cumulative plastic deformation for分析[J].中国市政工程，2002(3)：10-13.曹源文，梁乃兴，于清，等路面不平整引起的车辆动载fine-grained subgrade soils U]. Journal of Geotechnical[8]计算方法].交通运输工程学报，2008,8(2)：69-73Engineering,1996,122(12):1006-1013[3］周建，龚晓南.循环荷载作用下饱和软黏土应变软化研[9]凌建明，王伟，邻洪波.行车荷载作用下湿软路基残余变究].土木工程学报，2000,32(5)：62-68形的研究].同济大学学报，2002,30（11)：1315-1.320[10]吴飞海,考虑动力作用的公路车辆待载统计[]低温建[4] Chai J,Miura N. Traffic-load-induced permanent de-筑技术，2017,39(1)：38-41formation of road on soft subsoil [J] Joumal of Geotech-[11]王睡,张家生,杨果岳,等.重载作用下公路路基及基层nical and Ge0-environmental Engineering,2002,128(11):907916.动应力测试研究].振动与冲击，2007,26(6)：169-173[12]中华人民共和国行业标准，公路工程技术标准;JTG[5]李进军，黄茂松,王育德,交通荷载作用下软土地基累积塑性变形分析[J].中国公路学报，2006,19(1)：1-5B01-2014[S].北京；人民交通出版社，2014.[6]］徐毅，交通荷载对高速公路路基影响的试验研究[D].[责任编辑杨明庆]南京：河海大学，200641
（上接第 3１ 页） ［２］ Ｌｉ Ｄ，Ｓｅlｉｇ Ｅ Ｔ． Ｃｕｍｕlａｔｉｖｅ ｐlａｓｔｉｃ ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｉｎｅ-ｇｒａｉｎｅｄ ｓｕｂｇｒａｄｅ ｓｏｉlｓ ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａl ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａl Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，１９９６， １２２（１２）：１ ００６-１ ０１３． ［３］ 周建，龚晓南．循环荷载作用下饱和软黏土应变软化研 究［Ｊ］．土木工程学报，２０００，３２（５）：６２-６８． ［4］ Ｃｈａｉ Ｊ，Ｍｉｕｒａ Ｎ． Ｔｒａｆｆｉｃ-lｏａｄ-ｉｎｄｕｃｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｄｅ- ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｏａｄ ｏｎ ｓｏｆｔ ｓｕｂｓｏｉl ［Ｊ］． Ｊｏｕｒｎａl ｏｆ Ｇｅｏｔｅｃｈ- ｎｉｃａl ａｎｄ Ｇｅｏ-ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａl Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００２，１２８（１１）： ９０７-９１６． ［５］ 李进军，黄茂松，王育德．交通荷载作用下软土地基累积 塑性变形分析［Ｊ］．中国公路学报，２００６，１９（１）：１-５． ［６］ 徐毅． 交通荷载对高速公路路基影响的试验研究［Ｄ］． 南京：河海大学，２００６． ［７］ 周华飞，蒋建群，毛根海．路面不平整引起的车辆动荷载 分析［Ｊ］．中国市政工程，２００２（３）：１０-１３． ［８］ 曹源文，梁乃兴，于清，等．路面不平整引起的车辆动载 计算方法［Ｊ］．交通运输工程学报，２００８，８（２）：６９-７３． ［９］ 凌建明，王伟，邻洪波．行车荷载作用下湿软路基残余变 形的研究［Ｊ］．同济大学学报，２００２，３０（１１）：１ ３１５-１ ３２０． ［１０］ 吴飞海．考虑动力作用的公路车辆荷载统计［Ｊ］．低温建 筑技术，２０１７，３９（１）：３８-4１． ［１１］ 王晅，张家生，杨果岳，等．重载作用下公路路基及基层 动应力测试研究［Ｊ］．振动与冲击，２００７，２６（６）：１６９-１７３． ［１２］ 中华人民共和国行业标准． 公路工程技术标准 ：ＪＴＧ Ｂ０１-２０１4［Ｓ］．北京：人民交通出版社，２０１4． [责任编辑 杨明庆] 操作简便， 性价比较高， 终端节点可兼容多种传感 器。 因此，具有一定的推广应用价值。 参考文献： ［１］ 刘妍，马艳娥，陈思．一种基于单片机串口的数据采集系 统设计［Ｊ］．电子测试，２０１１（９）：５８-６０． ［２］ 韩进，马双．基于 ＳIＭ８００Ｃ 的 ＧＰＲＳ 数据传输系统设计 ［Ｊ］．电子产品世界，２０１６，２３（１１）：３９-4２． ［３］ 王欢，王志功，王蓉，等．用于 ３１５ ／ 4３３ ／ 4３３ＭＨｚ 超再生 接收机的射频前端关键技术［Ｊ］．电路与系统学报，２０１２，１７ （３）：１５-１９． ［4］ 张晓虎，刘洁．基于单片机的出租车计价器编码传感器 的设计［Ｊ］．自动化技术与应用，２００５，２4（１０）：６３-６５． ［５］ 韩芝侠，淡涛，黄庆华．热释电红外传感器的应用［Ｊ］．陕 西理工大学学报：自然科学版，２００３，１９（３）：３９-4１． ［６］ 刘刚．同频干扰产生机理分析及解决方法［Ｊ］．舰船电子 对抗，２０１１，３4（３）：１７-１９． [责任编辑 胡修池] Design on Home Security System Based on 51 Single Chip Microcomputer Zhang Jie， Caｏ Jianｃhｕn （Ｙｅlloｗ Ｒiｖｅｒ Ｃonsｅｒｖａncｙ Ｔｅcｈnicａl Insｔiｔｕｔｅ， Ｋａiｆｅnｇ ４７５００４， Ｈｅnａn， Ｃｈinａ） Ａbstract： In oｒｄｅｒ ｔo solｖｅ ｔｈｅ ｐｒoｂlｅｍ oｆ ｔｈｅ ｈiｇｈ ｐｒicｅ oｆ ｔｈｅ cｕｒｒｅnｔ ｈoｍｅ sｅcｕｒiｔｙ sｙsｔｅｍ， ａ siｍｐlｅ ａnｄ ｐｒａcｔicａl ｈoｍｅ sｅcｕｒiｔｙ sｙsｔｅｍ is ｄｅsiｇnｅｄ ｂｙ ｕsinｇ ｔｈｅ ｒｅliａｂlｅ ａnｄ sｔａｂlｅ ５１ sinｇlｅ-cｈiｐ ｍicｒocoｍ- ｐｕｔｅｒ， ｔｈｅ cｈｅａｐ ａnｄ ｈａnｄｙ ＳIＭ８００ ｍoｂilｅ ｐｈonｅ ｍoｄｕlｅ ａnｄ ｔｈｅ ３１５ ／ ４３３ｍｈｚ ｕlｔｒａ-ｒｅｇｅnｅｒａｔiｖｅ ｗiｒｅlｅss ｔｒａnscｅiｖｅｒ ｍoｄｕlｅ． Iｔ ｄiscｕssｅs ｔｈｅ ｄｅsiｇn scｈｅｍｅ oｆ ｔｈｅ ｗｈolｅ ｆｒａｍｅ sｔｒｕcｔｕｒｅ ａnｄ ｆｕncｔion ｍoｄｕlｅ， ａnｄ ｍoniｔoｒs ａnｄ ａnａlｙｚｅs iｔs oｐｅｒａｔion． Ｋey words： Ｈoｍｅ sｅcｕｒiｔｙ sｙsｔｅｍ； ５１ sinｇlｅ-cｈiｐ ｍicｒocoｍｐｕｔｅｒ； ｕlｔｒａ-ｒｅｇｅnｅｒａｔiｖｅ ｗiｒｅlｅss ｔｒａnscｅiｖｅｒ ｍoｄｕlｅ； ＳIＭ８００ ＧＳＭ ｐｈonｅ ｍoｄｕlｅ； ｔｅｒｍinａl noｄｅ； conｖｅｒｇinｇ noｄｅ 张 洁，等：基于 ５１ 单片机的家居安防系统设计 ４１