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1、不同设计体系当量换算原则及优缺点比较刘震（华南理工大学 交通学院 广东 广州）摘 要: 道路上行使的汽车轴载与通行次数可以按照等效换算原则换算为某一标准轴载的 当量通行次数。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。 当路面达 到一定破坏条件时,不同汽车轮轴载荷所需作用的重复次数是不同的。关键词:当量换算；轴载换算；等效换算原则；优缺点比较。1 轴载等效换算原理 由于路面实际作用的车辆种类繁多,必须将不同的车辆按照一定的原则进行换算。路面 设计在进行轴载换算时,应该遵循两项原则:第一,不同轴载在同一路面结构上重复作用不同 次数后,使路表弯沉或基层底部拉应力达到同一极限状态。第二,
2、对某一种交通组成,不论以 那种轴载标准进行换算,由换算所得轴载作用次数计算的路面厚度是相同的。道路上行使的汽车轴载与通行次数可以按照等效换算原则换算为某一标准轴载的当量 通行次数。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。 当路面达到一 定破坏条件时,不同汽车轮轴载荷所需作用的重复次数是不同的。不同轴载作用次数等效换 算成标准轴载（BZZ-100）作用次数的轴载换算系数f i的表达式如下：f i =Ns/Ni式中: Ns 为标准轴作用次数; Ni 为非标准轴作用次数. 由式可知,以不同理论进行等效换算可得不同的结论,笔者采用理论分析方法按路面材 料疲劳损伤准则,推演出 f i 的
3、值.2 不同设计体系的当量换算方法 车辆的当量轴载换算是指，按一定的换算原则（对路面破坏等效），将混和交通条件下 的不同轴载作用次数换算成标准轴载的作用次数。由于路面类型不同（柔性路面和刚性路 面），路面结构设计方法不同（经验法和力学经验法），国际上有不同的当量轴载换算公式。例如，美国基于AASH 0试验路的当量轴载换算体系，以及中国基于弯沉等效的当量轴载换算 体系。以下是几种不同设计体系的轴载换算方法：2.1 AASHT 0柔性路面当量轴载换算AASHT 0柔性路面当量轴载（ESAL ）换算公式可以表示成：化-匹十丄:479L + L_AjL Jl _10式中； w = 轴载柞用次数（其中：
4、=标准轴载扫0 kN）柞用钦數）L = 拟二讦汇细重ki丄=标准轴重（kips）L：二车轴配苣代码1 =单轴二=ii3 =三轴C1936 AASHTO指南添加）x二要计算的轴 载当最系数s =勺瀝轴栽代码=1 I单轴）服等能力揭失率曲数在时间t时的值|Pc = 1. 5为路面使用寿命蜒点。丛 =路面服务能力折教躊面眼务能力与轴载丸搽廉數SK=路面结构数（见第六韋）上面换算公式输出的是荷载当量系数（LEF）或当量轴载系数（ESAL）。应该注意的是， 公式输出的ESAL与路面类型（柔性或刚性路面）和路面结构（柔性路面的结构数和刚性路面 的板厚）有关。AASHT0设计指南1993推荐了一个简单的转换
5、规则，用1.5的系数将柔性路面 的ESALs转换成刚性路面的ESALs。同理，用0.67的系数将刚性路面的ESALs转换成柔性路面 的ESALs。建议的AASHT0设计指南2002采用轴载谱作为路面结构设计输入，此时不需要进行 刚一柔ESAL转换。常见的轴载组合情况的LE F可参考相关资料。2.2 四次幂法则许多设计人员认为AASHT0当量轴载换算公式过于笨重，试图寻找更为简化的公式。在 这样的背景下，又出现了四次幂法则。这一法则认为，特定荷载作用下，路面的破坏程度近 似地与荷载的四次幂有关（特别适用于较强的路面）。如有柔性路面， SN=3.0,p =2.5:1. 18, 000lb（80kN
6、）单轴，LEF=1.02. 30,000lb（133kN）单轴,LEF=7.93. 两种轴型的比值：7.9/1.0=7.94-由四次幕法则得出各级轴载P换算成某一标准轴载p的等效系数3为P iP丿S30,000 lb 、18,000 lb 丿式中：8 =车型和轮组影响系数。Nn = s = a iNi4.04.0=7.7这样，可以认为两种换算方法近似相等。由荷载当量的计算过程可以看出：1. 轴重与路面破坏间的关系不是线性的，而是指数关系。2. 对于一条已通车的道路，可以用轴载检测设备比较精确地记录和评价各类轴载的LEF。但是，在设计过程，这些信息是未知的。比较常用的办法是取同一地区类似道路的平
7、 均值。2.3 我国的当量轴载换算体系对柔性路面，当以设计弯沉值为指标时，凡轴载大于25kN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）P的作用次数n ,均按公式换算成标准轴载P的当量作用次数N。 ii式中：N仝i=1CCn1 2 1（p、4.35N=标准轴载的当量轴次（次/日）；（1+丫）-11 x365LN ni次数 N。Nnin二被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）；1P =标准轴载（kN）；P=被换算车型的各级轴载（kN）；iC = 轴数系数；1当 C?=轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4、双轮组为0.38。进行拉应Pn力验算时，凡轴载大于50kN的各级轴载（包括车辆的前、后轴）i的作用次
8、数i均按公式 换算成标准轴载 P 的当量作用N 仝 C C n1 2 1 i=1累计当量轴次计算：Y（1+Y）- 1x365Y （1+丫）-12 几种当量轴载换算体系之比较分析AASHT0路面设计指南手册，其中一个主要成果就是从混凝土路面使用性能变化的基本方 程式导出了车辆当量轴载换算方法（包括单载和双载的等效关系）。而与之我国换算方法相 比，我国混凝土路面设计是以弹性半空间地基上的弹性薄板理论为基础的理论法，其中的疲 劳方程是根据室内小梁试验并以开裂作为疲劳损坏标准而得到的。在此方程基础上进行轴载 分析，建立回归公式，进而推出轴载换算公式，其中单后轴的轴载换算公式为:N/Ni=(Pi/P)
9、16此指数与AASHTO的换算指数相差甚大。我国现行设计方法的轴载换算公式是以简支条件 下,混凝土小梁试件的疲劳试验数据为依据而建立。事实上,小梁和路面板的受力状态并不相 同,一般情况下,梁仅处于单向受弯拉状态,而路面板却处于双向受弯拉状态。此外,受弹性地 基支承的路面板与边界条件仅为简支梁，其疲劳特性也有较大的差异。AASHTO设计方法引入 了用路者对路面破坏的定义,而不是惯用的结构破坏概念,为了定量地表示路面的功能特性, 引入了耐用性指数PSI,所以它所依据的疲劳损坏概念与我国设计方法差别较大。另外ASHTO 设计方法中的计算公式、参数和约定有相当明显的地区特性，是一种经验程度较大的方法，
10、 而在50年代的美国,无论路面结构、车辆组成及环境影响均与当前我国的实际情况有较大的 差别。因此, 两种轴载换算公式的指数相差较大有其客观的原因。3 结语目前,我国公路交通事业进入了快速发展的新时期. 虽然公路里程与日俱增,但是建设 期间所暴露出的问题仍然十分严重,影响路面初期破损的因素很多,荷载又是影响路面的最 主要因素，因此得到最符合实际的荷载参数是进行路面设计的迫切要求。比较不同设计体系 的轴载换算方法，分析其优缺点以便探究出更好的当量换算方法。参考文献:1 王端宜，张肖宁路面结构设计理M.华南理工大学交通学院.20052 邓学均路基路面工程(第二版)M.人民交通出版社.20053 姚祖康.路面. 人民交通出版社.2006
不同设计体系当量换算原则
