卡车动载实测与分析*

赵延庆，白 龙，刘立安，倪远宝

(1. 大连理工大学 交通运输学院，辽宁 大连 116024；2. 辽宁省交通规划设计院，辽宁 沈阳 110166)

目前国内外在路面结构分析和设计时一般采用静态荷载，然而实际上车辆在行驶过程中对路面的作用是一种动态荷载[1]，动、静荷载对路面结构的作用响应有着明显的差别[2].我国在动载实测方面的研究还较少.目前，车辆动载测量主要有两种方法.第一种测量方法是在路面结构内埋设传感器，通过标定传感器变形与荷载的关系，测量卡车通过传感器时对路面结构产生的动载，如美国的Potter[3]、澳大利亚的Sweatman[4]，等都采用该种方法进行了动载测量.但该法费用较高，需要开挖原路面结构来埋设传感器，这在一定程度上改变了原路面结构的平整度，进而影响动载测量精度.另外一种动载测量方法是在卡车车轴上安装变形传感器.通过标定建立变形传感器数据与载荷的关系，记录车辆在行驶过程中变形传感器的读数，利用标定关系式，得到卡车对路面产生的动载.英国的Mitchell、美国的FERNANDO E G和法国的Blanksby等利用该方法进行了卡车动载实测[5-7].FERNANDO E G等在美国德克萨斯州平整度规范的修订项目中，将该方法所得数据和动态称重系统(WIM)的实测数据进行比较，发现二者吻合地很好，表明该方法能满足工程精度的要求[6].第二种方法操作较为容易，且费用较低，对卡车进行标定后，就可以在多个路段进行动载测量.本文采用该方法进行动载实测，并分析车辆载重、车速、道路平整度对动载的影响，进而为路面分析与设计中考虑车辆动载提供基础数据.

1 变形传感器的标定

本文动载试验选用的测试车辆为国内最常用的解放牌载重卡车，卡车自重为6 t，标准载重量为4 t.为进行动载实测，首先在卡车的每根轴上安装变形传感器、变形传感器采用DPS传感器，将DPS传感器用粘结剂固定在轮胎与悬架之间.每根轴的左右两侧分别固定一个传感器，分别测量左右侧轮胎的动载，变形传感器数据采集仪工作频率要求大于60 Hz.

为进行动载测量，需要建立车轴变形与轮胎-地面接触压力之间的关系，即需要对变形传感器进行标定.轮胎-地面接触压力采用轮辐式称重传感器测量.标定在一平坦的地面上进行.用千斤顶将空车的后轴抬起，在每个轮胎下方地面上铺设一块钢板，铺设钢板一方面为称重传感器提供一个平整的表面，另一方面避免车辆在加载过程中称重传感器对下部承载面产生过大压力，造成过大变形从而影响标定结果的精度.将称重传感器置于钢板上，并在称重传感器上再放置一块钢板，调整传感器与钢板的位置，缓缓降下车体，使轮胎稳定压在钢板上方，并使后轴双轮组中心位置位于传感器受力面积的中心，如图1所示.

当车辆的前、后轴都平稳的放置在称重传感器上方后，记录车辆空载状态下4个变形传感器与其对应称重传感器的读数.随后通过吊车将配重物逐级加载到试验车上，配重物采用水泥混凝土块，在每一级加载后，记录各变形传感器以及称重传感器的读数.逐级加载完成后配重物总重为15.45 t.试验测得的各变形传感器与对应的称重传感器读数之间的对应关系均呈较好的线性关系.图2中给出了左后轮传感器标定曲线，图中同时给出了标定关系式和相关系数，相关系数大于0.98.在动载试验中，利用变形传感器测量车轴的变形，根据标定关系式，就可以得到车辆对路面产生的动载.

图1 卡车置于称重传感器上

变形传感器电压值/mV

2 现场动载试验

路面平整度是影响动载的一个重要因素.本文选取了A，B，C 3个路段进行动载试验，道路等级分别为高速公路、一级公路和乡村道路.在3条道路上分别选取400 m的试验路段进行动载试验，根据“公路路基路面现场测试规程”[8]，利用激光平整度仪实测了各试验段的平整度(IRI)，根据“公路沥青路面养护技术规范”[9]，计算各路段的行驶质量指数(RQI)，RQI计算结果分别为10.5，6.8，1.4，根据养护技术规范，3个试验段的行驶质量分别为优、中、差.为了分析不同载重对车辆动载的影响，在每一个试验路段上分别进行3个载重下的动载试验，即正常载重、重载以及特重载，对应车辆总重分别为10 t，12.2 t，15 t.在每一个载重工况下，分别进行了不同行驶速度下(20，40，60和80 km/h)的动载试验，各试验工况如表1所示.在路况较差的B，C路段，没有进行速度较高时的动载试验，因为此时车辆已不易控制，剧烈的振动会对车辆本身造成损坏，还存在安全隐患.

表1 动载试验工况

车辆对路面的破坏作用主要来自承重轴，所以本课题主要针对承重轴的动载进行分析.图3～图5中分别给出了在正常载重下，行驶速度为20 km/h时在3个路段的承重轴动载变化情况.可见，车辆动载值以静载为中心上下波动.在相同载重和行驶速度下，路面状况对动载有明显地影响，路面平整度越差，车辆振动越剧烈，就会产生较大的动载.

距离/m

距离/m

距离/m

3 动载变化规律分析

根据实验测得的各种工况下承重轴最大动载.可以得出最大动载变化率.最大动载变化率(PD)由式(1)计算得到[5-6]：

(1)

式中：Wd为动载；Ws为静载.动载变化率反映了动载相对于静载的增加百分比.图6～图8给出了不同工况下最大动载变化率随速度的变化曲线.由图中的数据可知，路面平整度对动载有显著影响，在不同的行车速度及载重工况下，A路段(行驶质量指数为优)动载相对于静载增加了18%，B路段(行驶质量指数为中)，动载相对于静载增加了57%，C路段(行驶质量指数为差)，动载相对于静载增加了80%.最大动载变化率可达90%以上.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

最大动载及其变化率随速度的增加而增加，而且当平整度较差时，增加的幅度更为明显.当行驶质量指数为优，速度为20 km/h和80 km/h时，动载变化率的平均值分别为14%和24%.当行驶质量指数为中，速度为20,40,60 km/h时，动载变化率平均值分别为45%，58%和67%.当行驶质量指数为差，速度为20和40 km/h时，动载变化率平均值分别为70%和85%.车辆载重对于最大动载及其变化率也有影响，但影响规律没有平整度和速度那么明显，从整体上说，随着载重的增加，最大动载及其变化率有所减少.

最大动载及其变化率表征了动载的极端变化情况，为了分析路段动载的整体变化情况，需要计算动载系数(DLC)，动载系数的计算公式为[5]：

(2)

式中：Ws为静载值；σ为动载相对于静载的标准差，计算公式如式(3)：

(3)

式中：xi为第i个动载样本；n为动载样本个数.动载系数反映了整个路段上动载以静载为中心上下振动的剧烈程度.图9～图11为各工况下车辆动载系数随速度的变化曲线.图中数据表明，各因素对动载系数的影响规律和对最大动载及其变化率的影响规律类似.随着道路行驶质量指数变差，动载系数明显增加.在不同的行车速度及载重工况下，A路段、B路段、C路段的平均动载系数分别为5.5%，15.7%和19.8%.动载系数最大可达25%.当行驶质量指数为优时，动载系数随车速的增加稍有增加，但增加幅度并不明显.当行驶质量指数为中或差时，动载系数随车速的增加则有明显的增加.车辆载重对于动载系数的影响规律没有平整度和速度那么明显，从整体上说，随着载重的增加，动载系数有所减少.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

4 结 论

通过现场卡车动载试验，得到以下结论：

1) 在卡车轴上安装变形传感器，通过标定得到传感器和轮胎接地压力之间的转化关系，是进行动载实测的有效手段.

2)当路面行驶质量指数为优、中、差时，平均动载系数分别为5%，15%和20%左右，最大动载相对于静载平均增加20%，55%和80%左右.

3)动载系数、最大动载及其变化率均随车速的增加而增加，当路面平整度较差时，增加幅度更为明显.

4)实测所得数据可用于动载作用下路面结构的分析.

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Ministry of Communications, E60-2008 field test methods of subgrade and pavement for highway engineering[S]. Beijing:China Communications Press,2008.(In Chinese)

[9] 交通部. JTG 073.2-2001公路沥青路面养护技术规范[S] ,人民交通出版社,北京,2001.

Ministry of Communications, JTG 073.2-2001 Technical specifications for maintenance of highway asphalt pavement[S]. Beijing:China Communications Press, 2001.(In Chinese)