基于轴载谱的力学经验法路面设计简析和算例

摘要：在路面结构设计方法中，有两种交通荷载的描述方法：累计当量标准轴次和轴载谱。我国现行公路设计方法使用前者，这一方法有其简洁明了的优点，但也存在换算过程中误差累计的缺点。美国新的力学经验法采用轴载谱进行计算和路面设计，减少了计算中的误差累计，值得我国借鉴。本文详细介绍了基于轴载谱的力学经验法路面设计过程，同时结合算例，为设计提供了参考。

关键词：轴载谱，累计当量轴次，路面设计，力学经验法

引言

要真正消除误差累计的缺点需要非常复杂的计算过程，因为理论上意味着每辆车每个轴重对路面的不同作用都需要分别考虑，并考虑环境温度和含水量两个变量共同对路面材料和结构强度的影响。美国新的力学经验法在这方面做了大量研究，曾得到美国国家合作公路研究项目（NCHRP）和联邦公路管理局（FHWA）的支持，并于2013年发布了Pavement ME软件。

MEPDG设计步骤

美国新的力学经验设计法（MEPDG）分为四步：一是拟定试算的路面结构，输入交通、气候、材料参数的具体数值；二步对试算结构进行交通-结构-环境的迭代分析，包括应力应变计算和路面破损预估；三是对试算结构进行调整，得到满足设计性能指标的路面结构方案；四是对不同设计方案进行工程分析和全寿命周期分析，最后确定最优设计。设计参数主要包括交通资料、气候资料和路面材料参数。

轴载谱

交通分析包括流量和重量两部分。表征流量的指标有日均交通量、方向系数、车道系数、月分布系数、小时分布系数和增长率；表征重量的指标有车辆类型组成、轴数、轴重和轮胎压力。以往路面设计方法将这些交通信息简化成累计当量轴次，然后用于路面分析。公路沥青路面设计规范（JTG D50-2006）规定，当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载应按公式

（1）换算成标准轴载P的当量轴次N：

（1）

图1 中货车单轴和双轴的轴载谱

计算案例

下面以四川省典型高速公路路面结构和实测数据为基础，用力学经验法进行分析计算。

若按照我国规范换算，设计年限内一个车道上的累计当量轴次为1601万次，属于重交通设计，此数据即为用于确定设计弯沉值和抗拉强度结构系数的重要依据，从而控制整个路面结构设计。

若采用力学经验法的轴载谱理论进行路面结构计算和设计，则不需进行轴载换算，而可直接输入轴载谱数据和车型组成比例。软件能将这些信息和结构、材料、环境参数进行匹配，迭代计算，尽可能真实地模拟路面结构在不同因素影响下的应力、应变、损伤累计和破损发展，进而设计出最优的路面结构。

图2 MEPDG性能指标预测曲线（a）车辙 （b）平整度

结论

从以上算例可以看出，基于轴载谱的路面力学计算和设计是可行的。轴载谱优势在于消除了轴载等效换算过程中可能产生的误差累计。同时采用统计分析的方法更为全面地描述了交通流中不同的载荷情况。虽计算过程复杂，但基本原理简单，在当今计算机水平下并不难实现。从设计的角度讲，新的力学经验法更全面细致地考虑了交通、气候和材料参数，使设计更有科学依据。从图2可以看出，该方法还有一个优点就是可提供设计寿命周期内的预测曲线图，更详细地指导工程设计。