卡車動(dòng)載實(shí)測(cè)與分析*

趙延慶，白 龍，劉立安，倪遠(yuǎn)寶

(1. 大連理工大學(xué) 交通運(yùn)輸學(xué)院，遼寧 大連 116024；2. 遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧 沈陽(yáng) 110166)

目前國(guó)內(nèi)外在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)時(shí)一般采用靜態(tài)荷載，然而實(shí)際上車輛在行駛過(guò)程中對(duì)路面的作用是一種動(dòng)態(tài)荷載[1]，動(dòng)、靜荷載對(duì)路面結(jié)構(gòu)的作用響應(yīng)有著明顯的差別[2].我國(guó)在動(dòng)載實(shí)測(cè)方面的研究還較少.目前，車輛動(dòng)載測(cè)量主要有兩種方法.第一種測(cè)量方法是在路面結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)傳感器，通過(guò)標(biāo)定傳感器變形與荷載的關(guān)系，測(cè)量卡車通過(guò)傳感器時(shí)對(duì)路面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動(dòng)載，如美國(guó)的Potter[3]、澳大利亞的Sweatman[4]，等都采用該種方法進(jìn)行了動(dòng)載測(cè)量.但該法費(fèi)用較高，需要開挖原路面結(jié)構(gòu)來(lái)埋設(shè)傳感器，這在一定程度上改變了原路面結(jié)構(gòu)的平整度，進(jìn)而影響動(dòng)載測(cè)量精度.另外一種動(dòng)載測(cè)量方法是在卡車車軸上安裝變形傳感器.通過(guò)標(biāo)定建立變形傳感器數(shù)據(jù)與載荷的關(guān)系，記錄車輛在行駛過(guò)程中變形傳感器的讀數(shù)，利用標(biāo)定關(guān)系式，得到卡車對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)載.英國(guó)的Mitchell、美國(guó)的FERNANDO E G和法國(guó)的Blanksby等利用該方法進(jìn)行了卡車動(dòng)載實(shí)測(cè)[5-7].FERNANDO E G等在美國(guó)德克薩斯州平整度規(guī)范的修訂項(xiàng)目中，將該方法所得數(shù)據(jù)和動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)二者吻合地很好，表明該方法能滿足工程精度的要求[6].第二種方法操作較為容易，且費(fèi)用較低，對(duì)卡車進(jìn)行標(biāo)定后，就可以在多個(gè)路段進(jìn)行動(dòng)載測(cè)量.本文采用該方法進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)，并分析車輛載重、車速、道路平整度對(duì)動(dòng)載的影響，進(jìn)而為路面分析與設(shè)計(jì)中考慮車輛動(dòng)載提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).

1 變形傳感器的標(biāo)定

本文動(dòng)載試驗(yàn)選用的測(cè)試車輛為國(guó)內(nèi)最常用的解放牌載重卡車，卡車自重為6 t，標(biāo)準(zhǔn)載重量為4 t.為進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)，首先在卡車的每根軸上安裝變形傳感器、變形傳感器采用DPS傳感器，將DPS傳感器用粘結(jié)劑固定在輪胎與懸架之間.每根軸的左右兩側(cè)分別固定一個(gè)傳感器，分別測(cè)量左右側(cè)輪胎的動(dòng)載，變形傳感器數(shù)據(jù)采集儀工作頻率要求大于60 Hz.

為進(jìn)行動(dòng)載測(cè)量，需要建立車軸變形與輪胎-地面接觸壓力之間的關(guān)系，即需要對(duì)變形傳感器進(jìn)行標(biāo)定.輪胎-地面接觸壓力采用輪輻式稱重傳感器測(cè)量.標(biāo)定在一平坦的地面上進(jìn)行.用千斤頂將空車的后軸抬起，在每個(gè)輪胎下方地面上鋪設(shè)一塊鋼板，鋪設(shè)鋼板一方面為稱重傳感器提供一個(gè)平整的表面，另一方面避免車輛在加載過(guò)程中稱重傳感器對(duì)下部承載面產(chǎn)生過(guò)大壓力，造成過(guò)大變形從而影響標(biāo)定結(jié)果的精度.將稱重傳感器置于鋼板上，并在稱重傳感器上再放置一塊鋼板，調(diào)整傳感器與鋼板的位置，緩緩降下車體，使輪胎穩(wěn)定壓在鋼板上方，并使后軸雙輪組中心位置位于傳感器受力面積的中心，如圖1所示.

當(dāng)車輛的前、后軸都平穩(wěn)的放置在稱重傳感器上方后，記錄車輛空載狀態(tài)下4個(gè)變形傳感器與其對(duì)應(yīng)稱重傳感器的讀數(shù).隨后通過(guò)吊車將配重物逐級(jí)加載到試驗(yàn)車上，配重物采用水泥混凝土塊，在每一級(jí)加載后，記錄各變形傳感器以及稱重傳感器的讀數(shù).逐級(jí)加載完成后配重物總重為15.45 t.試驗(yàn)測(cè)得的各變形傳感器與對(duì)應(yīng)的稱重傳感器讀數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系均呈較好的線性關(guān)系.圖2中給出了左后輪傳感器標(biāo)定曲線，圖中同時(shí)給出了標(biāo)定關(guān)系式和相關(guān)系數(shù)，相關(guān)系數(shù)大于0.98.在動(dòng)載試驗(yàn)中，利用變形傳感器測(cè)量車軸的變形，根據(jù)標(biāo)定關(guān)系式，就可以得到車輛對(duì)路面產(chǎn)生的動(dòng)載.

圖1 卡車置于稱重傳感器上

變形傳感器電壓值/mV

2 現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)載試驗(yàn)

路面平整度是影響動(dòng)載的一個(gè)重要因素.本文選取了A，B，C 3個(gè)路段進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，道路等級(jí)分別為高速公路、一級(jí)公路和鄉(xiāng)村道路.在3條道路上分別選取400 m的試驗(yàn)路段進(jìn)行動(dòng)載試驗(yàn)，根據(jù)“公路路基路面現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試規(guī)程”[8]，利用激光平整度儀實(shí)測(cè)了各試驗(yàn)段的平整度(IRI)，根據(jù)“公路瀝青路面養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范”[9]，計(jì)算各路段的行駛質(zhì)量指數(shù)(RQI)，RQI計(jì)算結(jié)果分別為10.5，6.8，1.4，根據(jù)養(yǎng)護(hù)技術(shù)規(guī)范，3個(gè)試驗(yàn)段的行駛質(zhì)量分別為優(yōu)、中、差.為了分析不同載重對(duì)車輛動(dòng)載的影響，在每一個(gè)試驗(yàn)路段上分別進(jìn)行3個(gè)載重下的動(dòng)載試驗(yàn)，即正常載重、重載以及特重載，對(duì)應(yīng)車輛總重分別為10 t，12.2 t，15 t.在每一個(gè)載重工況下，分別進(jìn)行了不同行駛速度下(20，40，60和80 km/h)的動(dòng)載試驗(yàn)，各試驗(yàn)工況如表1所示.在路況較差的B，C路段，沒(méi)有進(jìn)行速度較高時(shí)的動(dòng)載試驗(yàn)，因?yàn)榇藭r(shí)車輛已不易控制，劇烈的振動(dòng)會(huì)對(duì)車輛本身造成損壞，還存在安全隱患.

表1 動(dòng)載試驗(yàn)工況

車輛對(duì)路面的破壞作用主要來(lái)自承重軸，所以本課題主要針對(duì)承重軸的動(dòng)載進(jìn)行分析.圖3～圖5中分別給出了在正常載重下，行駛速度為20 km/h時(shí)在3個(gè)路段的承重軸動(dòng)載變化情況.可見(jiàn)，車輛動(dòng)載值以靜載為中心上下波動(dòng).在相同載重和行駛速度下，路面狀況對(duì)動(dòng)載有明顯地影響，路面平整度越差，車輛振動(dòng)越劇烈，就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)載.

距離/m

距離/m

距離/m

3 動(dòng)載變化規(guī)律分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各種工況下承重軸最大動(dòng)載.可以得出最大動(dòng)載變化率.最大動(dòng)載變化率(PD)由式(1)計(jì)算得到[5-6]：

(1)

式中：Wd為動(dòng)載；Ws為靜載.動(dòng)載變化率反映了動(dòng)載相對(duì)于靜載的增加百分比.圖6～圖8給出了不同工況下最大動(dòng)載變化率隨速度的變化曲線.由圖中的數(shù)據(jù)可知，路面平整度對(duì)動(dòng)載有顯著影響，在不同的行車速度及載重工況下，A路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu))動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了18%，B路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為中)，動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了57%，C路段(行駛質(zhì)量指數(shù)為差)，動(dòng)載相對(duì)于靜載增加了80%.最大動(dòng)載變化率可達(dá)90%以上.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

最大動(dòng)載及其變化率隨速度的增加而增加，而且當(dāng)平整度較差時(shí)，增加的幅度更為明顯.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)，速度為20 km/h和80 km/h時(shí)，動(dòng)載變化率的平均值分別為14%和24%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為中，速度為20,40,60 km/h時(shí)，動(dòng)載變化率平均值分別為45%，58%和67%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為差，速度為20和40 km/h時(shí)，動(dòng)載變化率平均值分別為70%和85%.車輛載重對(duì)于最大動(dòng)載及其變化率也有影響，但影響規(guī)律沒(méi)有平整度和速度那么明顯，從整體上說(shuō)，隨著載重的增加，最大動(dòng)載及其變化率有所減少.

最大動(dòng)載及其變化率表征了動(dòng)載的極端變化情況，為了分析路段動(dòng)載的整體變化情況，需要計(jì)算動(dòng)載系數(shù)(DLC)，動(dòng)載系數(shù)的計(jì)算公式為[5]：

(2)

式中：Ws為靜載值；σ為動(dòng)載相對(duì)于靜載的標(biāo)準(zhǔn)差，計(jì)算公式如式(3)：

(3)

式中：xi為第i個(gè)動(dòng)載樣本；n為動(dòng)載樣本個(gè)數(shù).動(dòng)載系數(shù)反映了整個(gè)路段上動(dòng)載以靜載為中心上下振動(dòng)的劇烈程度.圖9～圖11為各工況下車輛動(dòng)載系數(shù)隨速度的變化曲線.圖中數(shù)據(jù)表明，各因素對(duì)動(dòng)載系數(shù)的影響規(guī)律和對(duì)最大動(dòng)載及其變化率的影響規(guī)律類似.隨著道路行駛質(zhì)量指數(shù)變差，動(dòng)載系數(shù)明顯增加.在不同的行車速度及載重工況下，A路段、B路段、C路段的平均動(dòng)載系數(shù)分別為5.5%，15.7%和19.8%.動(dòng)載系數(shù)最大可達(dá)25%.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)時(shí)，動(dòng)載系數(shù)隨車速的增加稍有增加，但增加幅度并不明顯.當(dāng)行駛質(zhì)量指數(shù)為中或差時(shí)，動(dòng)載系數(shù)隨車速的增加則有明顯的增加.車輛載重對(duì)于動(dòng)載系數(shù)的影響規(guī)律沒(méi)有平整度和速度那么明顯，從整體上說(shuō)，隨著載重的增加，動(dòng)載系數(shù)有所減少.

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

速度/(km·h-1)

4 結(jié) 論

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)卡車動(dòng)載試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

1) 在卡車軸上安裝變形傳感器，通過(guò)標(biāo)定得到傳感器和輪胎接地壓力之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系，是進(jìn)行動(dòng)載實(shí)測(cè)的有效手段.

2)當(dāng)路面行駛質(zhì)量指數(shù)為優(yōu)、中、差時(shí)，平均動(dòng)載系數(shù)分別為5%，15%和20%左右，最大動(dòng)載相對(duì)于靜載平均增加20%，55%和80%左右.

3)動(dòng)載系數(shù)、最大動(dòng)載及其變化率均隨車速的增加而增加，當(dāng)路面平整度較差時(shí)，增加幅度更為明顯.

4)實(shí)測(cè)所得數(shù)據(jù)可用于動(dòng)載作用下路面結(jié)構(gòu)的分析.

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