基于地下道路交通量分析对轴载换算方法的研究

随着我国社会经济高速发展，城市基础设施建设也进入快速发展阶段，为此各地纷纷修建地下道路。由于地下道路一般多建于城市中心区，就目前各城市对交通管制等措施，大车特别是大型货车都是限制行驶的，这样产生的交通载荷就较其他道路有所不同。目前地下道路路面结构的设计一般是根据经验给出的，而给出的这种结构形式可能在某个地下道路的建设中得到了应用并使用状况良好，在接下来的地下道路设计中加以应用，这样使得部分地下道路路面的设计过于保守，造成了资金的浪费或者设计不足而使地下道路路面在较短的使用期内就出现了破坏。本文结合天津海河东路地下道路站、天津西站综合交通枢纽改造和泰达CBD地下交通空间工程等地下道路路面设计和建设经验，对海河东路地下道路通行的车辆进行调查分析，得出地下道路行驶车辆的类型以及车辆轴载情况及车辆轴重分布规律，据此进行路面结构设计的换算标准轴载，使路面设计更为合理，行车更加安全，最大限度地发挥地下道路的交通功能。

1 地下道路交通量调查及分布分析

1.1 交通量调查数据

车辆主要分为客车与货车，客车又分为小客车、中客车与大客车。小客车自身重量较轻，中客车一般为6～20个座位；大客车一般20个座位以上（包括铰接车和双层客车）。

为确保城市地下道路交通安全、畅通，交通管理部门采取禁止重、中型货运汽车通行的措施。因此，城市地下道路行驶车辆的类型以及车辆轴载情况与其他道路有所区别。本文对天津市海河东路地下道路进行了实地交通量及交通组成调查，海河东路地下道路见图1。

1.2 交通量调查数据

1）各时段车辆的交通量见图2和图3。

图2 交通量时间分布

图3 不同车型车辆数量比例

由图 2看出，8：00—10：00、17：00—19：00为高峰小时段，大致与市民上下班（学）时间吻合，可见高峰交通量的主要组成部分是市民的上下班（学）的出行。由图3可知，行驶车辆主要以小型客车为主，其交通量占全部车辆的92%，大型客车占6%，而中型客车仅占到了0.4%。

2）轴载分布调查及标准轴载。对海河东路地下道路进行了实地轴载调查，时间与交通量调查同步。行驶车辆的代表车型参数见表1。

表1 代表车型的参数

根据表1，可以得到车辆轴重分布规律，见表2。

表2 车辆轴重分布规律

由表2看出，城市地下道路的车辆载荷集中在10～80 kN，其中轴重范围在10～20 kN的单轴单轮组占比例最高，约为93.8%；轴重范围在40～80 kN的单轴双轮组占比例为6.2%；轴重范围在80 kN以上几乎没有，就我国现行的路面规范将路面结构设计的换算标准轴载确定为单轴双轮组BZZ-100，显然是高于本次调查的情况。

根据表2分析，道路交通轴载轻型化的特点，虽然轴载在10～20 kN的单轴单轮组占的比重最大，但是若把地下道路标准轴载定为20 kN，显然忽视了大型客车对道路的影响。轴载在10～60kN的单轴双轮组占的比重98.4%，综合考虑以上因素，将单轴双轮组60 kN作为城市地下道路的标准轴载较为适宜。

2 地下道路复合式路面轴载换算方法

进行路面结构设计和力学分析，即把不同的轴载作用次数换算为标准轴载的作用次数，从而得出标准载荷的累计当量轴次，以此作为路面结构设计和力学分析的基础交通数据。然而，用怎样的轴载换算模型将不同类型的轴载换算为标准轴载，实现不同轴载之间的当量换算是路面结构设计需要解决的问题。在我国，现行的沥青路面设计规范以路表回弹弯沉值和弯拉应力作为设计指标；现行的水泥混凝土路面设计是以水泥混凝土板底疲劳应力作为设计指标。国内地下道路多采用复合式路面，其结构组成以水泥混凝土为基层、沥青混凝土为面层，即在水泥混凝土上铺筑沥青层的路面。该复合式路面不但具有连续配筋混凝土的高强度，还具有沥青混凝土路面的行车舒适性和安全性。水泥混凝土作为刚性基础，主要起承重作用，沥青混凝土表面层主要起功能作用。这种路面应用在地下道路内可以弥补混凝土路面的不足，较为适宜地下道路交通量大、渠化交通复杂、车辆的加减速比较频繁和安全防火性能要求高等特点。

海河东路地下道路也采用复合式路面，路面结构组合为面层为沥青混凝土+基层选用连续配筋水泥混凝土，其间设置应力吸收层。 由于水泥混凝土板的强度高，复合式路面路表弯沉值很小，沥青面层一般处于受压状态，即使受拉其拉应力也很小。因此，沥青面层底部的弯拉应力和路表弯沉值指标几乎不起控制作用。同样，在车辆载荷的作用下，水泥混凝土路面板底拉应力也很小，远不足以达到其疲劳极限。因此，水泥混凝土板底拉应力也起不到很好地控制作用。建立基于沥青面层底部的拉应变、层间剪应力为设计指标的轴载换算公式。

2.1 轴载换算基本原则

各种轴载等效换算的方法都是以轴载对路面产生的效应为依据的。当路面达到破坏条件时，不同汽车轮轴载荷所需作用的重复次数是不同的。同一种路面结构达到相同损坏极限状态的任意两种车轮载荷的作用次数之比称为等效系数（俗称为车辆换算系数）。等效系数的实质是同一次造成的损伤率的反比。如果已知等效系数，则该系数与相应轴重的载荷作用次数的乘积，就表示对路面结构有相同的损伤的标准轴载的作用次数。这样，就可以把混合交通化为单一的标准轴载交通。不同轴载作用次数等效换算成标准轴载作用次数的轴载换算系数

式中：fi为等效系数；Ns为标准轴载作用次数；Ni为非标准轴载作用次数。

2.2 基于沥青层底拉应变指标的轴载换算方法

目前，我国最新规范中对沥青混凝土面层的疲劳开裂损坏选用沥青层层底面的拉应力作为验算指标，其最大拉应力不得超过该材料的容许拉应力（即疲劳强度）。实际上，沥青混凝土层的疲劳寿命主要受拉应变而非拉应力控制，以拉应变替代拉应力可以更好地反映沥青混凝土的疲劳特性。此外，目前还有多种不同的力学-经验设计程序考虑疲劳开裂，使用沥青层层底拉应变作为临界设计指标。所以针对复合式路面沥青面层的疲劳开裂，建立以沥青层底拉应变为设计指标的轴载换算公式。

1）轴载换算系数。轴载换算系数可由2种方法获得，一种方法是先根据单轴双轮的轴载形式推导出换算指数n，然后再引入2个统计变量即轮组系数C1与轴数系数C2调整不同轴载的换算系数。我国现行沥青路面设计规范即采取该法；另一种方法是先将载荷按轮组数与轴数进行分类，分别推导其换算系数，本次采用此种方法。为得到沥青层层底应变与轴载之间的关系，应用BISAR力学分析软件计算在单轴单轮组和单轴双轮组轴载作用下地下道路复合式路面结构沥青层层底拉应变。

2）轴载与轮压关系。随着轴重的增加，轮压和接地面积也随之增加，但轮胎间距即载荷当量圆中心距离是不随超载程度的变化而改变的，圆心距始终保持为31.95 cm。利用比利时的轴重与接地面积的经验公式来计算不同轴重作用下的轮胎接地面积。

式中：A为轮胎接地面积，cm2；P为轮胎压力，N。

依据当前我国道路的实际情况，采用

3）路面结构组合和参数取值范围。依据文献资料和实际运营地下道路复合式路面结构的组合情况以及各结构层的参数选取，所选的各层的模量、厚度和泊松比取值范围见表3。

表3 路面结构组合和参数取值范围

2.3 建立基于沥青层层底拉应变的轴载换算公式

当以沥青层层底拉应变为指标时，Pi的作用次数ni，应按式（4）换算成标准轴载P的当量作用次数N。

式中：N为标准轴载的当量轴次，次/d；ni为被换算车辆的各级轴载作用次数，次/d；P为标准轴载，kN；Pi为被换算车辆的各级轴载，kN；C为轮组系数，单轴双轮组取1，单轴单轮组取7.29。

2.4 基于层间剪应力指标的轴载换算方法

地下道路复合式沥青路面层间处治是路面结构设计的重要环节，层间处治的设计、材料选择和质量控制等环节直接关系到路面结构的使用性能。针对复合式沥青路面层间结合剪切疲劳问题，建立以层间剪应力为设计指标的轴载换算公式。为得到复合式沥青路面层间剪应力与轴载之间的关系，应用BISAR力学分析软件计算在单轴单轮组和单轴双轮组轴载作用下地下道路复合式路面结构层间剪应力，采用与上文计算沥青层层底拉应变相同的路面结构的组合、材料参数以及所作用的轴载和轮压。

对于层间剪切疲劳轴载换算而言，层间剪切疲劳等效可以依据层状体系理论，计算得出单后轮轴双轮组不同轴载比条件下的层间剪应力。

当以层间剪应力为指标时，Pi的作用次数ni，应按式（4）换算成标准轴载P的当量作用次数N。n单轴双轮组取3.24，单轴单轮组取3.83；C单轴双轮组取1，单轴单轮组取10.75。

以单轴双轮组60 kN作为城市地下道路复合式沥青路面的标准轴载，其参数见表4。

表4 60 kN作为标准轴载时的参数

3 结语

1）根据城市地下道路交通轴载轻型化的特点，降低标准轴载是合理可行的，虽然轴载在10～20 kN的单轴单轮组占的比重最大，但是若把地下道路标准轴载定为20 kN，而忽视了大型客车对道路的影响，轴载在50～60 kN的单轴双轮组占的比重较其他轴载范围要稍大些，综合考虑以上因素，将单轴双轮组60 kN作为城市地下道路的标准设计轴载是适宜的。

2）由于受篇幅所限文中省略了换算指数的推导、沥青层底的拉应变和层间剪应力力学分析的较长过程，直接给出了地下道路复合式路面轴载换算公式供设计参考和商榷。