軸重

軸重是指一個輪對軸所承受的機車或車輛重量。軸重反映了軌道承受的靜荷載強度，它決定了各部件交變應力的平均應力水平。

在行駛時經常會看到橋頭會有此標誌，應當注意。軸重10噸三軸總重30噸。

重型運輸車輛對路面作用的動荷載，建立車輛動力學模型，模型中將簧上質量處理為空載簧上質量與裝載質量，將輪胎剛度表示為軸重和胎壓的函數。研究了軸重和胎壓對車輛動荷載的影響。結果發現，車輪動荷載隨著軸重和胎壓的增加而增加；動載係數隨著胎壓的增加而增加，但隨著軸重的增加而減小；胎壓越高，車輪動載隨軸重增加速度越快；僅採用軸重不足以評價重載高壓車輛對路面的破壞作用，在治理超載的同時也應進一步治理超壓；空載車輛對路面的衝擊作用較大，不能忽視空載車輛對路面的破壞作用；實際高速運行車輛對路面施加較大的附加動荷載，現有【公路瀝青路面設計規範】沒有考慮附加動荷載是引起路面結構發生早期破壞的原因之一。

車輛動力學模擬

以東風汽車公司生產的 EQ1141G 載貨汽車為研究對象，研究車輛對路面作用的動力荷載。該車前懸架採用少片變斷面鋼板彈簧，外側裝有液壓筒式減振器，減振器缸徑50。后懸架採用帶副簧的鋼板彈簧，主簧為多片雙槽等斷面鋼板彈簧，副簧為少片變斷面鋼板彈簧，沒有減振器。

考慮到胎壓對輪胎剛度有一定的影響，分析常壓工況和高壓工況下車輛動荷載隨軸重的變化。常壓工況指輪胎充氣壓力為0.7MP，該氣壓為路面設計規範中指定的標準氣壓，也是大多數重載汽車輪胎的額定氣壓。高壓工況指輪胎充氣壓力為1.1MP，這是實際交通運輸中重型車輛的常用胎壓。車輛速度為60kmPh。

( 1) 隨著後橋軸重的增加，即裝載質量的增加，前後輪的動荷載功率譜密度增加，動載係數減小。

(徠 2) 前後輪的動壓力功率譜密度和動載係數與後橋軸重呈非線性關係。主要原因有 2個：1）輪胎的剛度受軸重的影響，隨著軸重的增加而增加，且為非線性關係；2）隨著裝載質量的增加，簧上質量的質心位置發生變化。

( 3) 胎壓對車輪動載隨軸重的變化有著一定的影響。相同軸重下，高壓工況下前後輪的動荷載功率譜密度和動載係數總大於常壓工況的。原因在於胎壓的增高使得輪胎剛度增大，也使得車輪動壓力和動載係數增加。

( 4) 超壓工況下，前輪動載係數 0.24~ 0.42，後輪動載係數 0.5~ 1.4；常壓工況下，前輪動載係數0.2~ 0.36，後輪動載係數 0.35~ 0.95。後輪動載係數比前輪的大，軸重越小，差異越大。

(5) 車輛空載時，即後橋軸重為 2.95時，車輛實際運行速度較高，動載係數較大。60km/h 運行速度下，後輪動載係數達到1.4，相當於對路面施加4.13的附加動荷載，實際軸重達到7.08 。

分析重載和輕載2個工況下車輪的動荷載，研究胎壓對前後輪最大動壓力功率譜密度和動載係數的影響。重載工況指後橋軸重為17 輕載工況指後橋軸重為10，2個工況的車速均為60km/h。

( 1) 胎壓對路面的動荷載和動載係數有一定的影響，動荷載和動載係數均隨著胎壓的增加而增加。

( 2)原因在於后懸架沒有安裝減振器。從車-路友好設計角度講，后懸架應該安裝減振器，從而減小車輛對路面的破壞作用。而且還應該對減振器做定期檢查。

( 3)交通運輸中重型車輛嚴重超壓，超壓也同樣威脅生命安全和道路使用壽命，在治理超載的同時也應進一步治理超壓。

(4)已採用計重收費，但車輛通過稱重設備時的軸重很低，無法體現實際車輛產生的附加動荷載。

了解鋼軌表面存在裂紋時的輪軌接觸問題。方法採用有限元分析軟體ANSYS，獲得不同裂紋位置的應力強度因子。結果裂紋在接觸斑邊緣的位置時，應力強度因子K最大；隨著軸重的增加，應力強度因子K增加，而應力強度因子K先增加，后減小；考慮摩擦力( μ = 0.3) 時，相對於無摩擦，K和K都明顯增加，且K所佔K的比例提高了15%。

直徑為 900 mm 的車輪作用在鋼軌上，鋼軌表面存在裂紋。鋼軌材料取 U71Mn 鋼，通過輪軌接觸分析計算出輪軌間的接觸應力，隨後在進行鋼軌疲勞分析時，將計算的連續分佈接觸應力以節點力的形式施加在模型上，以此力的作用等效車輪對鋼軌的作用。車輪在鋼軌上的滾動效果通過荷載在模型上的位置移動來實現。

車輪作用在鋼軌表面時，法向擠壓和水平方向摩擦力的作用會引起裂紋面的張開或者擠壓作用效果，當車輪臨近或遠離裂紋時，車輪對鋼軌的擠壓對裂紋產生拉伸作用，使得裂紋張開；當車輪壓在裂紋上時，裂紋面存在相互擠壓作用，使得裂紋閉合。

U71M 鋼軌存在長度為 50 的表面裂紋，不同軸重的車輪做純滾動通過該鋼軌的過程中，裂紋尖端的應力強度因子K和 K的變化趨勢。對於不同軸重的荷載，當接觸斑壓在裂紋上時，K基本都為 0，也就是裂紋處於閉合狀態；隨後裂紋張開，K在極短的距離內達到最大值；之後，隨著接觸斑與裂紋間距離的增加，K逐漸減小，距離足夠遠時，裂紋重新閉合。

車輪在鋼軌表面運行時，都伴隨著水平摩擦力的影響。在考慮水平摩擦力( μ = 0. 3) 的作用下，研究 5，10，15，20 t 四種軸重的車輪經過裂紋的過程，裂紋尖端的應力強度因子 K和 K的變化。在 5，10，15，20 t 軸重作用下，應力強度因子 K的最大值分別為 2. 83，15. 4，30.1，38. 4MP·m ，發生在接觸斑的邊緣與裂紋相距 0. 35，0. 45，0. 50，0. 80 mm 的地方。

1) 接觸斑在接近和離開裂紋時，裂紋張開；壓在裂紋上時，裂紋閉合。裂紋在接觸斑邊緣時，應力強度因子最大，此時裂紋最為危險。

2) 鋼軌疲勞裂紋屬於張開 /滑開複合型裂紋。不考慮摩擦力時，K大約為 K的5% ；考慮摩擦力時，K大約為K的20%，此時 K對鋼軌的疲勞影響不可忽略。隨著軸重的增加，K呈增加趨勢，而 K先增加，后減小。如不考慮摩擦力的影響，軸重為10t 時的K最大；而如考慮摩擦力的影響，軸重為15t 時的 K最大。

以路表彎沉等效、基層底部拉應力等效、土基頂面壓應變等效及車轍等效為原則，對軸載換算公式中的軸荷 指數進行了計算比較，在此基礎提出了合理的軸荷指數。並藉助於已建立的軸重分佈模型，分析了不同的軸荷指數對路面使用年限的影響。

在 《公路柔性路面設計規範》 (JTJ014-86)中，路表彎沉是一個主要的設計指標。因此，以彎沉等效原則的軸載換算方法，是一種廣為人知的方法。

無論是對一般柔性路面還是對半剛性基層路面，以路表彎沉等效的軸荷指數的變化範圍不大，一般在 4 ～5 之間。

現有規範中的彎沉設計指標主要依據 60 ～80 年代初的路面使用狀況 (道路等級較低，瀝青層厚一般小於 5 cm，基層大部分為粒料及灰土結構，車輛軸載較輕)調查而制定的。而現有高等級路面一般採用半剛性基層瀝青路面的結構形式，瀝青層厚一般都大於6cm，大量加入二灰及水泥穩定類高強基層，軸重較大。對於這類半剛性基層瀝青路面，彎沉已不是控制指標，主要由基層底部拉應力為控制指標。因此，應根據拉應力等效的原則進行軸載換算。

世界上幾個著名的柔性路面設計法如：殼牌法、AI 法、比利時法，都採用土基頂面壓應變作為主要設計指標。因此有必要以土基頂面壓應變等效的原則對軸載換算進行研究。

以土基頂面壓應變為自變數的路面性能預估模型，它是美國 Pennsylvania 州為限制該州中低等級路面上車輛軸限而建立的。將此模型與 AASHO 試驗路的原始試驗數據及回歸后的計算結果進行了比較，比較表明該模型與現有的 AASHO 公式相比，更符合 AASHO 試驗路的實測數據。

以土基頂面壓應變等效得出的軸荷指數比以路表彎沉等效所得的指數小些，其軸荷指數均值為3.07。

基層瀝青路面的車轍主要是由瀝青面層 (或級配碎石)的壓密、推移引起的，面層厚度，半剛性基層種類、環境、溫度是影響車轍發展的主要因素。

在同等條件下 (路面結構相同，試驗條件相同)不同軸重 (100 kN和130 kN)進行載入，以研究軸重對車轍深度的影響程度，結果發現觀測的車轍深度在很大程度上取決於軸重，經計算，軸荷指數約等於8.0。

對軸重分佈狀況，半剛性基層瀝青路面的軸荷指數對道路使用年限的預估影響較大。因此，該指數的選定對道路的設計和評價是非常重要的，應慎重行事，儘可能從多方面進行深入研究。而對於一般柔性路面，軸荷指數對道路使用年限影響不大，表中指數越小，等效標準軸次反而越大，使用年限也越小。這也說明軸荷指數越大並非設計可靠性越大，使用年限除與軸荷指數有關外，與軸重分佈狀況也密切相關。