不同设计体系当量换算原则

不同设计体系当量换算原则及其合理
性和优缺点
孙杰
（华南理工大学交通学院学号：200720104921）
摘要:不同设计体系中的当量换算原则也不禁相同，各有其合理性和其优越性，本文着重从分析各换算方法的角度来评价其合理性及其优缺点。

关键词:当量换算；AASHTO；优缺点分析
前言
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AASHO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。

下面简单介绍一下不同设计体系的当量轴载换算原则，并比较各自的合理性和优缺点。

1不同设计体系的当量换算方法
1.1 AASHTO柔性路面当量轴载换算
AASHTO柔性路面当量轴载（ESAL）换算公式可以表示成：
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。

AASHTO 设计指南1993推荐了一个简单的转换规则，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AASHTO 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－柔ESAL 转换。

常见的轴载组合情况的LEF 有表可查得。

1.2 四次幂法则
许多设计人员认为AASHTO 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）。

公式如下：
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均值。

1.3 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）
i P 的作用次数n i ，均按公式换算成标准轴载P 的当量作用次数N 。

4.0
a s i i i s N P a N P η⎛⎫== ⎪⎝⎭
其中：＝车型和轮组影响系数。

4.351211
112k k k i i i P N C C n P N n P C C =⎛⎫= ⎪⎝⎭=∑式中：＝标准轴载的当量轴次（次/日）； ＝被换算车型的各级轴载作用次数（次/日）；
P ＝标准轴载（N ）；
＝被换算车型的各级轴载（N ）； 轴数系数；
＝轮组系数，双轮组为1.0，单轮组为6.4、双轮组为0.38。

当进行拉应力验算时，凡轴载大于50kN 的各级轴载（包括车辆的前、后轴）
i P 的作用次数
n i 均按公式换算成标准轴载P 的当量作用次数N 。

累计当量轴次计算：
1.4 轴载等效换算原理
应用现行规范当量标准轴次的换算方法,并采用以弯沉等效的原则,进行非标准载荷作用次数与标准载荷作用次数的换算. 计算得出的当量轴载作用的次数与实际路面工作状态差距较大.
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 的表达式为
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 的值. 2 几种当量轴载换算体系之比较分析
AASHTO 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)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的梁,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,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,我们针对当量轴次不同的换算方法,对不同设计体系中当量换算方法进行比较和合理性分析。

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.2005
8
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[2] 张起森.高等路面结构设计理论与方法 [M].人民交通出版社.2005
[3] 邓学均.路基路面工程（第二版）[M].人民交通出版社.2005
[4] 王铁滨 AASHTO (2002) 路面结构设计系统简介。