基于多指标设计体系的辽宁省高速公路交通荷载数据分析

刘婧一

(1.辽宁省交通科学研究院有限责任公司 沈阳市 110015； 2.高速公路养护技术交通运输行业重点实验室 沈阳市 110015)

0 引言

交通荷载是路面结构分析和设计中最重要的考虑因素之一，同时也是最难准确预测的因素[1]。在《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2006)中[2]，将道路承载的混合交通换算成当量轴载作用次数(ESAL)，将混合交通流中的车辆分成六种类型，比如分成小客车、大客车、小货车、中货车、大货车和集装箱车，并为每一类型车辆选一个代表车型及其典型轴重值，而典型轴重值的选取有很大的随意性，这使得利用当量轴载换算公式时对系数的取值有较大的误差，从而造成计算的当量轴载作用次数不能很好地反映实际情况[3]。

为了精确地描述交通荷载特性，《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)[4]中采用轴载谱方法对交通荷载组成进行分析。因此有必要在辽宁省不同地区、不同高速公路上连续收集车辆类型及轴重数据，分析这些交通量及轴重数据就可以得到各类车辆的类型分布系数、各类车辆的各种轴型的轴载分布系数(轴载谱)，从而更客观和精确地反映交通荷载特性，为更合理地进行高速公路路面结构设计提供依据，从而可以得到更加可靠的设计结果。

1 交通荷载数据采集

目前，辽宁省高速公路上实行了联网计重收费，这为研究提供了重要的数据来源。计重收费数据包含了车辆的类型、单轴重、总轴重及车量数量信息，可以满足路面结构设计的需要。研究分别采用了大连、苏家屯、毛家店、铁岭、沈山沈阳西、万家、锦州、朝阳、丹东、沈阳等10个典型收费站的数据，并采用计重数据对交通荷载特性进行统计分析。

2 轴型分类及轴数系数

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中通过对全国各地区车辆轴型的大量收集和统计后，共推荐7种轴型。通过调查发现，辽宁省高速公路运行车辆只分为四类，分别为前轴(方向轴)、单轴、双轴、三轴。

平均轴数也称轴数系数，指的是某一类车型中该种轴型总数与车辆总数的比值，表示各类车辆中不同轴型的平均轴数。由于一种车型分类可能包含几种不同轴载组成的车辆，因此，轴数系数需要对轴载组成数据进行全面分析后确定。本项目根据辽宁省高速公路计重收费数据，对车辆轴型的统计结果进行分析，得出辽宁省高速公路轴数系数范围，如表1所示。

由表1可以看出，单轴单胎作为前轴(方向轴)出现的频率最高，该轴型主要以方向轴为主，不承受主要荷载，因此该轴型轴数系数按不同车型分布较为规则，均为1或2。各类型货车中单轴双轮胎轴型的轴数系数均比较大，相差较小；双联轴目前主要以双轴双轮组为主，主要出现在4类、7类和9类车型中，其它类型车辆中双联轴出现的频率相对较低。三联轴双轮组主要出现在8类、9类、10类货车中，轴数系数相差较小，平均轴数系数为0.97。其它类型车辆中三联轴双轮组未出现。

表1 辽宁省高速公路轴数系数推荐值

3 车辆类型分类及分布系数

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中根据工程实际情况，细化了交通量车辆类型的分类标准，将车辆划分为11类。但在路面结构设计中，仅对大型车辆和货车交通荷载进行统计，对辽宁省高速公路计重收费数据进行统计分析。

车型分布系数指的是各种类型车辆在总体车辆中所占的百分比。按前文确定的车辆分类方法，对采集到的高速公路计重收费数据进行统计分析，并进行了交通荷载等级的划分，进而推荐不同交通荷载等级下的车辆类型分布系数，如表2所示。可以看出，不同交通荷载等级之间不同车型比例也有很大的不同。极重交通下货车比例相对较高，而重交通和中等交通以小型车辆为主。

表2 辽宁省高速公路车辆类型分布系数推荐值

4 轴载谱分析

轴载谱即轴重系数，是指2类～11类车辆中不同轴型在不同轴重区间所占的百分比。轴载谱明确了不同轴载区间的轴载作用频率，能够较为精准地计算出混合交通量对路面结构的累计轴载作用次数。辽宁省高速公路不同交通荷载等级下的典型轴载谱如图1～图4所示，为方便对轴载特性进行分析，对不同交通等级下的轴重区间进行了划分，对于前轴、单轴、双联轴、三联轴分别采用2.5t、4.5t、9t、13.5t为区间进行划分，以此对轴载数据进行分析。

图1 极重交通前轴轴载谱

图2 特重交通单轴双胎轴载谱

图3 重交通双联轴轴载谱

图4 中等交通三联轴轴载谱

图5 前轴轴重分布系数

图6 单轴轴重分布系数

图7 双联轴轴重分布系数

图8 三联轴轴重分布系数

由图1～图8可以看出，各线路前轴和单轴双胎在各轴重区间的轴载分布情况差异较小，分布比例较为接近。前轴轴载谱呈现出单峰形式，其中，2.5～5t轴重区间为主要峰值，绝大部分轴重处于7.5t以内，低于我国设计规范中的标准轴载10t。各路线单轴双胎轴载谱呈现出双峰形式，主要集中在4.5～9t轴重区间，上述两种轴重均未超过标准轴载，可以采用现有力学模型进行路面结构计算。

由各路线双联轴和三联轴的轴载谱呈现双峰形式，特重交通荷载等级下的轴重分布系数曲线较为平缓，轻交通等级下的轴重分布系数曲线较为集中。其峰值均出现在9～18t，但特重交通在27～36t的分布比例明显高于其它荷载等级，为4.9%，说明该路线双联轴重载车辆相对较多，且重载超载较为严重。

三联轴轴载谱峰值主要集中在13.5～27t区间内，而特重交通荷载等级在27～40.5t区间内的比例也相对较高，为24.4%，若按平均分配计算，特重交通的三联轴超过标准轴重10t的比例将达到20%以上，对路面结构的破坏影响已经超出现行规范的力学模型，在路面结构设计中应充分考虑本路线重载、超载的影响，提高道路使用性能。

5 当量轴载换算系数

《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)中要求分别对沥青层疲劳开裂和永久变形、无机结合料类结构层疲劳开裂、路基抗永久变形等进行验算，并推荐了相应的当量轴载换算系数。因此有必要结合辽宁省实际，对高速公路沥青路面当量轴载换算系数进行研究，如表3～表5所示。

表3 按沥青层疲劳开裂和永久变形计算轴载换算系数推荐值

表4 按无机结合料层疲劳开裂计算轴载换算系数推荐值

通过与《公路沥青路面设计规范》(JTG D50-2017)对比分析可知，推荐的各载重类型车辆的推荐数值与推荐值有所差别。推荐的各类交通换算系

表5 按路基永久变形计算轴载换算系数推荐值

数普遍低于规范值，按沥青层疲劳开裂计算时差异相对较小，采用无机结合料层疲劳开裂计算时相差较大。

综合不同载重类型道路中超载车辆的轴载换算系数，由于超载车辆轴重较大，在指数扩大的情况下当量轴次急剧增大，对累计轴载作用次数的计算产生极大的影响，因此在缺少实际轴载数据的情况下，应根据工程经验，实地调查道路车辆的超载比例情况，以便进行准确的轴载计算。

6 结语

(1)基于路面多指标设计体系，对辽宁省高速公路沥青路面交通荷载数据进行详细分析，为路面结构设计和养护管理中准确地分析和评价路面结构的破损情况和使用寿命提供基础；

(2)通过对辽宁省高速公路计重收费数据进行整理和分析，对轴型分类、车型分类、车辆类型分布系数、轴数系数、轴载谱等进行了研究，并给出了相应系数的推荐值；

(3)在轴数系数、当量轴载换算系数的选取时，应结合工程项目实际情况，结合道路使用功能及服务对象确定轴数系数，通常情况下重载交通取高值，中轻荷载交通宜取中、低值。