贾志超王林余四新韦金城韩烨

(1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南250101；2.山东省交通科学研究院，山东 济南250031)

0 引言

交通荷载是造成路面结构破坏的重要因素，故在路面结构分析与设计中必须考虑[1]。与此同时，因交通量大、轴型及车型多、轴重分布区间较大等原因，导致交通荷载是难以准确确定的参数。目前，描述交通荷载参数没有统一的规定，传统道路设计中主要采用以累积当量标准轴次描述和以轴载谱描述交通荷载2种方法描述交通荷载参数[2]。传统路面结构设计中，以单轴双轮组100 kN为标准轴载，将不同重量的轴载按一定的原则进行换算，以累积当量轴次描述交通荷载[3]；现行规范借鉴美国AASHTO力学—经验法[4]设计指南，利用车辆组成和轴载谱描述交通荷载，该方法利用实际轴载进行力学计算，每个实际轴载水平均参与计算，故可以准确、全面地描述交通荷载，从而有效地避免了当量轴载换算带来的误差[5]。现行的沥青路面设计规范规定，采用轴载谱方法分析采集数据，但当量轴载仍作为输入参数[6-8]。随着计重收费系统在山东省高速公路收费站的普及应用，实测轴载谱数据成为可能，计重收费系统统计了车辆数量、类型、轴型、轮组、总重、轴重、通过时间等信息。通过统计数据建立数据库，可在无法确定交通荷载数据的情况下，为区域道路结构设计与分析参数提供参考依据，省去交通荷载参数收集、分析环节，极大程度地提高工作效率。

1 车辆类型分类

从不同角度对车辆有不同的分类方法，理论上车辆类型分类越详细，描述交通组成特性的数据就越全面、越准确，但缺点是分析过程繁琐；若分类过于简单，则描述交通组成较为粗糙、不全面、不准确[6]。为方便不同车型数量的统计和后续轴载谱数据的分析，按照现行沥青路面设计规范，车辆轴型根据轮组和轴组可分成7类，其中1为单轴(每侧单轮胎)、2为单轴(每侧双轮胎)、3为双联轴(每侧单轮胎)、4为双联轴(每侧各一单轮胎、双轮胎)、5为双联轴(每侧双轮胎)、6为三联轴(每侧单轮胎)和7为三联轴(每侧双轮胎)。

目前，通过对青银高速淄博段交通车辆统计分析，常见轴型为1(单轴单胎)、2(单轴双胎)、5(双联轴)、7(三联轴)4种轴型。根据轴型对车辆进行分类(比如11型，共2轴，前轴和后轴都是每侧单轮胎，其余车型亦如此)，见表1。

表1 常见车型与分类表

2 青银高速交通量分析

利用数据库软件对采集的交通数据按不同车型分类统计，分别对2013—2015年青银高速淄博段交通观测资料进行分析，分别得到1～11类车型数量。各种车型交通量统计数据见表2。

由表2计算可知，1～11类车辆数量和呈上升趋势。2013年1类车(轻型小汽车)占总交通量的72%，2014、2015年1类车在交通组成中略＞66%，与2013年相比，虽然1类车数量逐年增加，但是在交通组成中所占比例却逐渐减小，意味着大型客车和载重汽车在交通组成中比重增大。采用环比法分析，2013—2014年间增速＜1%，2014—2015年增速＞4%，由此可见，通行的私家车数量在迅速增长。2013年平均日交通量略＞10 000辆/日，到2015年，年平均交通量可达12 000辆/日。

表2 2013—2015年青银高速淄博段交通量数据表

在路面结构设计中，只考虑大型客车和载重汽车对路面结构的影响，2013—2014年间大型客车和载重汽车交通量增幅为34%，增幅较大；2014—2015年间增幅为4%，相对平稳。2、3、9、10类车数量较多且基本呈上升趋势，尤其是9类车增幅明显，基本呈直线比例上升且数量在同年中大于其他车型(其中9、10类车为半挂车，2、3类分别为大型客车和整体式货车)。6类车数量约为50 000且呈稳步上升趋势，7、8类车数量＜30 000且逐年下降。4、5和11类车数量较小且变化趋势不明显，2014—2015年，5、11类车交通量甚至为零。

3 青银高速交通轴载谱参数分析

1类车为轻型小汽车，因其轴重和总重均较轻对路面损害很小，在路面结构分析、设计中可忽略不计，故不列入轴载谱数据研究范围，以下分析只研究2～11类车的轴载谱数据及其变化规律。

3.1 车辆类型分布系数分析

车辆类型分布系数为2～11类车中某一类车型数量占相应类型车辆总数的百分比[3]，其意义在于反映交通组成情况。分别对2013—2015年青银高速淄博段交通量数据进行分析、统计和计算，得到2～11类车型的车辆类型分布系数。表3为3年的车辆类型分布系数。

从表3可看出，青银高速淄博段半挂车(7～9和10类车)分布系数达到50%，其次是整体式货车(3、6类车)分布系数之和为23%，再次是2类车(12型大客车)，4、5和11类车分布系数之和＜1%。其中，在交通组成中，7、8类车分布系数连续3年明显减少，9类车分布系数呈上升趋势，3、6类车分布系数虽有波动但并无明显变化规律，2013—2014年间2类车分布系数虽然增速较快，但其后增速趋于稳定。

表3 车辆类型分布系数表

3.2 轴数系数

平均轴数指某一类车中某一轴型数量与该类车数量的比值。因为某一类车可能包含几种车型，所以对某类车轴载组成数据进行全面统计、分析后得到的平均轴数不一定为整数。2013—2015年间青银高速淄博段交通各类车的平均轴数见表4。

表4 2013—2015年各类车辆中不同轴型平均轴数表

由表4可以看出，部分车类只对应一种固定的车型，如2～5和9类车，不论其对应的交通量如何变化，其平均轴数永远都是定值。相对而言，6～8、10～11类车都包含几种车型，故其对应的平均轴数会随着各车型交通量的变化而变化。有几类车在某年份的平均轴数全部为零表示该类车在该年的交通量为零。

3.3 月分布系数

众所周知，路面结构直接暴露在大气环境中，其不仅受车辆荷载竖向力、水平力和冲击力的作用，同时受水、温度变化的影响。因生产生活受季节变化影响，故交通量随时间变化而变化，交通量的增加或减少势必对道路结构工作性能产生一定的影响。与此同时，山东省淄博市位于华北沿海地区，属暖温带季风气候类型，降水集中、雨热同期，春秋短暂、冬夏较长[9]。路面材料性质也会在一年四季中随水分、温度的变化而发生一定规律的变化。在炎热的夏季，路面结构温度＞60℃，沥青混凝土的动态模量下降，在交通荷载作用下易发生车辙病害；在寒冷的冬季，路面结构温度接近环境温度，沥青混合料模量较高，其抗变形能力强，在交通荷载作用下不易变形，但沥青混合料属于黏弹性材料，也有热胀冷缩的特点，若沥青混合料塑性差，则易产生裂缝病害。这种温度变化影响路面工作性能不仅反映在季节变化上，而且在白天和夜间温度变化亦如此。雨季或春融时期，地下水位上升，土基的含水量增大，使得道路结构整体抗变形能力减弱。假如高温季节或者春融时期重载交通量大，不论是沥青混合料面层还是半刚性基层，抑或路基产生损坏的概率都会高于其他时间段。故统计分析交通量随时间的变化规律是必要的，通过确定月分布系数来反映一年内交通量的变化。

交通量月分布系数为某一类车辆各月的交通量占年总交通量的百分比[10]。对2013—2015年交通数据进行统计分析，分别得到2013—2015年的交通量月分布系数，如图1所示。3年内交通量月分布系数变化规律大致相同，分别在5、8和10月出现峰值，“五一”和“十一”为国家法定节假日，直接导致交通量急剧增加，8月出现峰值是由于淄博市是重工业城市，其材料、产品购买和出售的运输较多；不同之处在于2014年1月份交通量月分布系数明显高于其他两年，这是由于2014年农历春节是1月31日，春运期间客流量急剧增大，区域间物资交流频繁；交通量集中在4～10月份，该时间段也是雨季和高温季节，故道路结构面临重载、高温、多雨等多重挑战。通过分析交通量随时间的变化规律，结合道路材料随季节的变化特性，可以定性描述交通荷载对道路结构的破坏作用。

图1 2013—2015交通量月分布系数变化曲线图

3.4 轴载谱分析

根据JTG D50—2017《公路沥青路面设计规范》规定，分别计算2～11类车辆不同轴型在不同轴重区间所占的百分比，得到不同轴型的轴重分布系数，即轴载谱[3]。根据车型对交通量进行分类，分别统计各类车中单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴的数量、轴重信息[7]，在确定轴载谱时，对于不同的轴型采用如下不同的轴重区间[3]:

(1)单轴单胎 从0～10 kN开始并作为第一个轴重区间，每隔2.5 kN划分一个轴重区间，至200 kN为止；

(2)单轴双胎 从0～13.5 kN开始并作为第一个轴重区间，每隔4.5 kN划分一个轴重区间，至360 kN为止；

(3)双联轴 从0～27 kN开始并作为第一个轴重区间，每隔9.0 kN划分一个轴重区间，至720 kN为止；

(4)三联轴 从0～54 kN开始并作为第一个轴重区间，每隔13.5 kN划分一个轴重区间，至945 kN为止。

根据上述所划分的轴重区间，利用位于各轴重区间的轴型数量除以该轴型总数量再乘以100%即得到该轴型的轴重分布系数。通过对该研究路段交通数据统计与分析，分别得出3年的单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴的轴重分布系数[11-16]。为绘图方便，取各轴重区间中值为横坐标，轴重分布系数为纵坐标，如图2～5所示。

图2为2013—2015年间各类车单轴单胎轴重分布曲线。对于2类车，其单轴单胎轴重基本分布于0～30 kN之间，10～25 kN较为集中，轴重较小；对于3类车，其单轴单胎轴重分布于10～60 kN之间，轴重分布范围较大，20～50 kN较为集中；对于6类车，其单轴单胎轴重分布于10～70 kN之间，轴重分布范围较大，20～60 kN较为集中；对于7类车，其单轴单胎轴重分布于20～70 kN之间，轴重分布范围较大，30～60 kN较为集中；对于8类车，2013年其单轴单胎轴重分布于20～80 kN之间，而2014、2015年其单轴单胎轴重分布于30～70 kN之间，有向中间聚拢的趋势，35～65 kN较为集中；对于9类车，2013—2014年其单轴单胎轴重分布于 30～70 kN之间，2015年其单轴单胎轴重分布于20～80 kN之间，轴载分布范围有扩大的趋势，40～60 kN较为集中；对于10类车，其单轴单胎轴重分布于10～60 kN 之间，20～50 kN 较为集中，2013、2014年的分布曲线呈明显的双峰，分别在40、50 kN达到峰值，是由于10类车基本全是1127型车，而2个单轴轴重又是不同的，2015年无明显双峰。

图3为2013—2015年各类车单轴双胎轴重分布曲线。对于2类车，其单轴双胎轴重主要位于轴重区间0～40 kN，轴重较小，单峰曲线；对于3类车，其单轴双胎轴重主要分布于区间30～140 kN，在45 kN轴重分布系数达到最大峰值，110 kN轴重分布系数达到较小峰值，呈双峰曲线；对于6类车，其轴重主要分布于区间30～160 kN，50 kN时达到峰值；对于7类车，主要分布于30～140 kN，并于50 kN达到峰值，随着轴重增大呈下降趋势；对于8类车，主要分布于30～160 kN，呈双峰曲线，并分别于45、120 kN达到最大峰值和极小峰值；对于10类车大部分分布于20～180 kN，呈双峰曲线，并分别于35、140 kN达到最大峰值和极小峰值。图3所述双峰曲线分别对应空载和满载2种状态。

图4为2013—2015年各类车双联轴轴重分布曲线。对于6类车，2013年轴重分布系数分别在70、220 kN达到最大峰值和极小峰值，2014、2015年分别大致在70、200 kN达到最大峰值和极小峰值，从3年轴重分布系数来看，轴重有向小轴重方向变化的趋势，2013、2014、2015年轴重分布系数达到最大峰值时，数值分别＜10%、略＞10%和明显＞10%；对于7类车，2013、2014年分别在70、170kN达到最大峰值和极小峰值，而2015年分别在60、170 kN达到最大峰值和极小峰值，从3年轴重分布系数变化趋势看，轴载分布有变小的趋势；对于9类车，轴重分布系数都呈双峰曲线，大约都在60 kN达到最大峰值，但系数明显呈变大趋势，2013、2014和2015年分别在190、180和160 kN达到满载时的峰值，总之轴载分布系数有变小的趋势。图4所述双峰曲线分别对应空载和满载2种状态。

图5为2013—2015年各类车三联轴轴重分布曲线。3年的轴重分布系数图形都呈双峰型，对于8类车，2013、2014 和 2015 年分别在 60、70、70 kN时达到最大峰值，峰值有波动，分别在 240、250、200 kN达到极小峰值；对于 9类车，2013、2014和2015年分别在60、70、70 kN达到最大峰值，峰值先变大后变小，3年分别在280、250、240 kN达到极小峰值，轴重有变小的趋势；对于10类车，2013、2014和2015年分别在30、60、60 kN达到最大峰值，峰值略有变大，3年分别在290、300、300 kN达到极小峰值，峰值有变小趋势。图5所述双峰曲线分别对应空载和满载2种状态。

图2 2013—2015年各类车单轴单胎轴重分布曲线图

图3 2013-2015年个类车单轴双胎轴重分布曲线图

图4 2013—2015年各类车双联轴轴重分布曲线图

图5 2013—2015年各类车三联轴轴重分布曲线图

4 结论

通过上述分析可知:

(1)2013-2015年总体交通量呈上升趋势，交通组成中，1类车所占比例最大，可达72%，而3年内交通组成中所占比重呈现下降趋势；2、3、9、10类车所占比例较大，呈现上升趋势；6、7、8类车所占比例相对较小，连续3年呈下降趋势；4、5和11类车数量少甚至为零，变化规律不明显。

(2)2、3和9类车平均轴数是定值，不随交通量改变而变化；6、7、8和10类车因包含2种以上的车型，故轴数系数随交通量变化而变化。

(3)交通量分别在5、8和10月达到峰值，这与国家法定节假日及淄博段区域经济发展密切相关；在4～10月份该路段交通量大，重载车辆多，同时该时间段雨热同期，道路结构面临更严峻的挑战。

(4)单轴单胎(方向轴)的轴重分布系数基本呈单峰特性；对于整体式货车和半挂货车的单轴双胎、双联轴和三联轴的轴重分布系数呈明显的双峰特性。3年内4种轴型的轴重分布系数略有波动，但并无明显规律。