基于多指標設計體系的遼寧省高速公路交通荷載數據分析

劉婧一

(1.遼寧省交通科學研究院有限責任公司 沈陽市 110015； 2.高速公路養護技術交通運輸行業重點實驗室 沈陽市 110015)

0 引言

交通荷載是路面結構分析和設計中最重要的考慮因素之一，同時也是最難準確預測的因素[1]。在《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2006)中[2]，將道路承載的混合交通換算成當量軸載作用次數(ESAL)，將混合交通流中的車輛分成六種類型，比如分成小客車、大客車、小貨車、中貨車、大貨車和集裝箱車，并為每一類型車輛選一個代表車型及其典型軸重值，而典型軸重值的選取有很大的隨意性，這使得利用當量軸載換算公式時對系數的取值有較大的誤差，從而造成計算的當量軸載作用次數不能很好地反映實際情況[3]。

為了精確地描述交通荷載特性，《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)[4]中采用軸載譜方法對交通荷載組成進行分析。因此有必要在遼寧省不同地區、不同高速公路上連續收集車輛類型及軸重數據，分析這些交通量及軸重數據就可以得到各類車輛的類型分布系數、各類車輛的各種軸型的軸載分布系數(軸載譜)，從而更客觀和精確地反映交通荷載特性，為更合理地進行高速公路路面結構設計提供依據，從而可以得到更加可靠的設計結果。

1 交通荷載數據采集

目前，遼寧省高速公路上實行了聯網計重收費，這為研究提供了重要的數據來源。計重收費數據包含了車輛的類型、單軸重、總軸重及車量數量信息，可以滿足路面結構設計的需要。研究分別采用了大連、蘇家屯、毛家店、鐵嶺、沈山沈陽西、萬家、錦州、朝陽、丹東、沈陽等10個典型收費站的數據，并采用計重數據對交通荷載特性進行統計分析。

2 軸型分類及軸數系數

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中通過對全國各地區車輛軸型的大量收集和統計后，共推薦7種軸型。通過調查發現，遼寧省高速公路運行車輛只分為四類，分別為前軸(方向軸)、單軸、雙軸、三軸。

平均軸數也稱軸數系數，指的是某一類車型中該種軸型總數與車輛總數的比值，表示各類車輛中不同軸型的平均軸數。由于一種車型分類可能包含幾種不同軸載組成的車輛，因此，軸數系數需要對軸載組成數據進行全面分析后確定。本項目根據遼寧省高速公路計重收費數據，對車輛軸型的統計結果進行分析，得出遼寧省高速公路軸數系數范圍，如表1所示。

由表1可以看出，單軸單胎作為前軸(方向軸)出現的頻率最高，該軸型主要以方向軸為主，不承受主要荷載，因此該軸型軸數系數按不同車型分布較為規則，均為1或2。各類型貨車中單軸雙輪胎軸型的軸數系數均比較大，相差較小；雙聯軸目前主要以雙軸雙輪組為主，主要出現在4類、7類和9類車型中，其它類型車輛中雙聯軸出現的頻率相對較低。三聯軸雙輪組主要出現在8類、9類、10類貨車中，軸數系數相差較小，平均軸數系數為0.97。其它類型車輛中三聯軸雙輪組未出現。

表1 遼寧省高速公路軸數系數推薦值

3 車輛類型分類及分布系數

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中根據工程實際情況，細化了交通量車輛類型的分類標準，將車輛劃分為11類。但在路面結構設計中，僅對大型車輛和貨車交通荷載進行統計，對遼寧省高速公路計重收費數據進行統計分析。

車型分布系數指的是各種類型車輛在總體車輛中所占的百分比。按前文確定的車輛分類方法，對采集到的高速公路計重收費數據進行統計分析，并進行了交通荷載等級的劃分，進而推薦不同交通荷載等級下的車輛類型分布系數，如表2所示。可以看出，不同交通荷載等級之間不同車型比例也有很大的不同。極重交通下貨車比例相對較高，而重交通和中等交通以小型車輛為主。

表2 遼寧省高速公路車輛類型分布系數推薦值

4 軸載譜分析

軸載譜即軸重系數，是指2類～11類車輛中不同軸型在不同軸重區間所占的百分比。軸載譜明確了不同軸載區間的軸載作用頻率，能夠較為精準地計算出混合交通量對路面結構的累計軸載作用次數。遼寧省高速公路不同交通荷載等級下的典型軸載譜如圖1～圖4所示，為方便對軸載特性進行分析，對不同交通等級下的軸重區間進行了劃分，對于前軸、單軸、雙聯軸、三聯軸分別采用2.5t、4.5t、9t、13.5t為區間進行劃分，以此對軸載數據進行分析。

圖1 極重交通前軸軸載譜

圖2 特重交通單軸雙胎軸載譜

圖3 重交通雙聯軸軸載譜

圖4 中等交通三聯軸軸載譜

圖5 前軸軸重分布系數

圖6 單軸軸重分布系數

圖7 雙聯軸軸重分布系數

圖8 三聯軸軸重分布系數

由圖1～圖8可以看出，各線路前軸和單軸雙胎在各軸重區間的軸載分布情況差異較小，分布比例較為接近。前軸軸載譜呈現出單峰形式，其中，2.5～5t軸重區間為主要峰值，絕大部分軸重處于7.5t以內，低于我國設計規范中的標準軸載10t。各路線單軸雙胎軸載譜呈現出雙峰形式，主要集中在4.5～9t軸重區間，上述兩種軸重均未超過標準軸載，可以采用現有力學模型進行路面結構計算。

由各路線雙聯軸和三聯軸的軸載譜呈現雙峰形式，特重交通荷載等級下的軸重分布系數曲線較為平緩，輕交通等級下的軸重分布系數曲線較為集中。其峰值均出現在9～18t，但特重交通在27～36t的分布比例明顯高于其它荷載等級，為4.9%，說明該路線雙聯軸重載車輛相對較多，且重載超載較為嚴重。

三聯軸軸載譜峰值主要集中在13.5～27t區間內，而特重交通荷載等級在27～40.5t區間內的比例也相對較高，為24.4%，若按平均分配計算，特重交通的三聯軸超過標準軸重10t的比例將達到20%以上，對路面結構的破壞影響已經超出現行規范的力學模型，在路面結構設計中應充分考慮本路線重載、超載的影響，提高道路使用性能。

5 當量軸載換算系數

《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)中要求分別對瀝青層疲勞開裂和永久變形、無機結合料類結構層疲勞開裂、路基抗永久變形等進行驗算，并推薦了相應的當量軸載換算系數。因此有必要結合遼寧省實際，對高速公路瀝青路面當量軸載換算系數進行研究，如表3～表5所示。

表3 按瀝青層疲勞開裂和永久變形計算軸載換算系數推薦值

表4 按無機結合料層疲勞開裂計算軸載換算系數推薦值

通過與《公路瀝青路面設計規范》(JTG D50-2017)對比分析可知，推薦的各載重類型車輛的推薦數值與推薦值有所差別。推薦的各類交通換算系

表5 按路基永久變形計算軸載換算系數推薦值

數普遍低于規范值，按瀝青層疲勞開裂計算時差異相對較小，采用無機結合料層疲勞開裂計算時相差較大。

綜合不同載重類型道路中超載車輛的軸載換算系數，由于超載車輛軸重較大，在指數擴大的情況下當量軸次急劇增大，對累計軸載作用次數的計算產生極大的影響，因此在缺少實際軸載數據的情況下，應根據工程經驗，實地調查道路車輛的超載比例情況，以便進行準確的軸載計算。

6 結語

(1)基于路面多指標設計體系，對遼寧省高速公路瀝青路面交通荷載數據進行詳細分析，為路面結構設計和養護管理中準確地分析和評價路面結構的破損情況和使用壽命提供基礎；

(2)通過對遼寧省高速公路計重收費數據進行整理和分析，對軸型分類、車型分類、車輛類型分布系數、軸數系數、軸載譜等進行了研究，并給出了相應系數的推薦值；

(3)在軸數系數、當量軸載換算系數的選取時，應結合工程項目實際情況，結合道路使用功能及服務對象確定軸數系數，通常情況下重載交通取高值，中輕荷載交通宜取中、低值。