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公 路 交 通 科 技
JOURNA L OF HIGHWAY AND TRANSPORT ATION RESEARCH AND DEVE LOPMENT
2002年2月
文章编号:1002Ο0268(2002) 01Ο0008Ο04
高速公路路面摩擦系数的测试与评价
和 松1, 2
(11交通部公路科学研究所, 北京 100088; 21浙江 温州 325015)
摘要:, , 同时对我国现。关键词:抗滑; 中图分类号:文献标识码:A
Friction Coefficient Me surement and Evaluation for Lane Surface of Expre ssway
HE Song
(Research Institute of Highway , Beijing 100088, China )
Abstract :This paper describes s ome kinds of measuring equipment for friction coefficient of highway lane sur face and discusses the method of friction coefficient measurement and evaluation. Suggestions on revising the current specification concerning the measurement and evaluation for lane sur face of highway are als o made 1
K ey words :Skid resistance ; Friction coefficient ; Mesurement ; Evaluation
0 前言
英国) 在20世纪20年代末就开始公路路面防滑的研
究, 经过近70年的发展, 目前世界各国已存在多种路面抗滑能力的测试设备。根据测试原理和测试方式, 最常使用的测定路面摩擦系数仪器主要有以下几种。111 摆式摩擦系数测定仪
摆式摩擦系数测定仪(见图1) 最初由英国TR 2R L 研制, 后在全世界许多国家被广泛使用。其工作概念是根据能量守恒的定理, 将摆臂势能损失转化为路面摩擦力所作的功, 进而反算出摩擦系数并通过摆式仪的摆值读出。80年代交通部公路科学研究所的有关技术专家研制出第一代国产摆式仪, 后被订入我国相关的行业技术规范、规程中。国产摆式仪的基本工作原理与英国产品相同, 但在部分结构和材料等因素上存在一定差别, 经十几年的使用与考察, 同时考虑到与国际技术标准的接轨, 经过改进的新一代国产摆式仪已于2000年通过检定。 摆式摩擦系数测定仪便于携带, 操作简单, 但只能在单点采样条件下测定一种速度下的摩擦系数, 且
高速公路的最大特点之一是行车速度快, 目前我国高速公路的设计时速一般为100～120km/h (不包括山区及其它特殊路段) 。由于汽车性能的不断改进提高, 导致高速公路上实际的行车速度往往比设计时速更高, 据近期对国内十几条高速公路的车速调查显示, 85%位的小轿车平均车速为135km/h 。针对高速公路使用管理中人身安全是第一位的原则, 车辆的高速行驶对路面抗滑安全性提出了严格的要求。反映路面抗滑能力的重要技术指标是路面的摩擦系数值, 因此如何真实合理的测定和评价路面的摩擦系数值是必须明确界定的问题。1 测试设备选择
对路面进行抗滑性能测定最初是根据物理摩擦力学的概念进行研究的, 涉及车辆轮胎与路面材料之间的摩擦力学作用和其它影响因素的分析。发达国家(如
收稿日期:2001Ο06Ο15
作者简介:和松(1968-) , 男, 浙江杭州人,1992年毕业于同济大学, 现为交通部公路科学研究所副研究员, 主要从事路面表面特性、自动化无
损检测研究1
高速公路路面摩擦系数的测试与评价 和 松
制动力系数测试仪的特点是能在较宽速度范围内
测试部分路段的平均摩擦系数, 测试结果比较符合车辆实际刹车时的情况, 并且不影响其它车辆的正常行驶。由于所携带喷洒用水较少, 故一般只适合于短距离或特殊路段的使用。114 横向力系数(S FC ) 测试仪目前世界上使用最广泛的横向力系数测试仪由英国TRR L 于60年代研制, 称为M 系统(见图4) 。20°S FC 值, 可。SCRI M 系统在, 、澳及中国均采用该设备测定路面的抗滑性能。中国于80年代末引进SCRI M 系统, 通过国家八五和九五期间开展的专项课题研究成果, 横向力系数已经进入我国的交通行业标准体系。S FC 在现行
(J T 的《公路沥青路面设计规范》J014Ο97) 《、公路工程
(J T 质量检验评定标准》J071Ο98) 和《公路养护技术规
(J T 范》J073Ο96) 中分别作为设计、质量评定及养护评价
(J T 标准使用《公路路基路面现场测试规程》, J059Ο95) 中录入并规定了SCRI M 系统测试规程。另外, 我国已能够制造出国产横向力系数测试系统
。
图1 摆式摩擦系数测定仪
对粗构造路面不适用。
112 DF 测试仪
DF 测试仪(见图2) 似, 摩擦系数值。, 测试仪的特点是便于携带, 可测试单采样点处0～80km/h 范围内的摩擦系数值, 对粗构造路面不适用
。
图2 DF 测试仪
113 制动力系数(B FC ) 测试仪(见图3)
该类设备通过测定测试轮的制动力来计算相应的
摩擦系数。美国和德、法、瑞典及荷兰等欧洲国家采用这类设备评价其公路路面的防滑状况。这类设备可在各种速度条件下根据车轮制动力的大小来测定BFC , 从而反映出路面对车辆制动距离长短的影响。测试部件分为安装在车辆主体上或拖挂两种方式。
图4 SCRI M 测试系统
SCRI M 系统能以任意速度对路面进行长距离连续
测试, 每次携带的喷洒水量可供测试约55km 。测试
结果符合车辆实际制动或滑溜时的情况, 并且测试不影响其它车辆的正常行驶。
根据上述路面摩擦系数测试设备的特点和适用范围, 针对高速公路的实际情况, 后两种自动化测试设备应是优先选用对象。因为摆式仪和DF 仪均为单点固定操作, 在高速公路上使用时必须封闭交通, 影响正常车流行驶, 增加了危险性且采样频率低; 另外, 目前高速公路为提高表面特性功能而形成较粗的宏观构造, 致使这两种仪器的摆脚或磨块在与路面摩擦时产生较大振动, 测试结果偏差较大。制动力系数测试
图3 制动力系数测试仪
9
公路交通科技 2002年 第1期
仪因携带水量少故只适合对高速公路的收费站附近、进出口匝道及其它特殊路段进行短距离抽测。为适应高速公路安全要求高及路面管理系统(PMS ) 数据采集量大的情况, SCRI M 系统应是路面摩擦系数的首选测试设备。SCRI M 系统在加水保证的条件下, 一个工作日连续测试里程最多能达到约300km , 数据采集量能达到15000～60000个, 工作效率极高。因此, 以现行各种交通行业标准和规范为依据, 目前我国绝大部分高速公路的质量验收和日常养护管理均采用SCRI M 系统测试的S FC 数据。2 测试时间211 工程质量检测
的影响; 另一方面是对测试仪器本身工作状态的影
响。图6显示了温度与某台制动式摩擦系数仪测试结果的回归关系
。
图6 温度与SN 的回归关系
311 路面材料物理性能变化
时, , 摩擦系数未达到理想状态, 随着通车以后轮胎对路面的磨耗作用, 在短期内摩擦系数将达到最大值, 然后大约在1～2年时间内, 摩擦系数值将逐渐降低(正常降低幅度在15%～25%范围内) , 最终长期稳定在某一个值水平附近, 此变化过程如图5所示。基于上述原因, 新铺筑路面的摩擦系数在通车大约1年左右进行测试比较合适, 此时测得的摩擦系数既代表了高速公路通车使用当中的抗滑能力实际水平, 测值变化范围也比较稳定
。
铺筑沥青路面的材料在低温时整体刚度增强, 即俗话所说的变硬, 这种物理性能的变化造成路表面的摩擦系数值比常温时增大。312 测试仪器工作状态变化
首先温度变化较大时与路面接触的测试轮橡胶物理性能发生变化, 从而使测得的摩擦系数值发生偏差; 其次仪器的电子部件或传感器在短时间内温度梯度过大时, 也会影响测试结果。一般自动化测试设备都规定了一个工作温度范围。
基于上述原因, 进行摩擦系数现场测试时应尽量选择温差较小的时间, 并且记录测试时的现场温度。通常以20℃为测试的标准温度, 其它温度下测试的摩擦系数值应换算成标准温度下的当量值。《公路路基路面现场测试规程》(J T J059Ο95) 中列出了摆式仪的温度修正表, 但在目前规程中尚无S FC 值的温度修正依据。4 测试速度
图5 新路面摩擦系数变化图
212 养护数据采集
高速公路的日常养护工作程序一般要求每个工作
年度应为路面管理系统(PMS ) 采集必要的路面状况数据, SCRI M 系统可提供全程连续采集路面摩擦系数服务。根据我国地理气候特征, 路面摩擦系数的测试在北方寒冷干燥地区宜选择在夏季; 南方温暖多雨地区除冬季外均可进行。3 测试温度
测试速度会影响到摩擦系数的测试结果, 一般情
况下速度越高摩擦系数值越小。我国规范中规定SCRI M 系统测试S FC 的标准速度为50km/h , 测试过程中尽量保持在46～54km/h 的范围内。实际测试速度与标准速度相差过大时, 测试结果应进行修正, 但S FC 受路面不同构造深度影响很大且难于进行定量分析, 故现行规范中未给出修正公式。1998年曾经对英国的SCRI M 和美国的FRICTI ON TESTER 两套系统在某特定路段进行过速度对比试验, 试验结果见图7(a ) 和图7(b ) 。5 测试车道与轨迹选择511 测试车道选择
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环境温度对摩擦系数的测试结果有一定影响。这
种影响分为两个方面:一方面是对路面材料物理性能
高速公路路面摩擦系数的测试与评价 和 松
6 现行规范、标准中有关测试与评价条款的修改建议
(1) 《公路沥青路面设计规范》(J T J014Ο97)
规范中规定为在工程竣工后第一个夏季测试摩擦系数, 此规定在时间限定上似有不妥。因为按此规定工程若在5～7月份竣工, 那么摩擦系数当年就应该检测; 而8月份以后竣工, 测试工作将在第二年的夏季。2, 而路面在通车1年之S FC 值最大%, , S FC 值的降。
(2) 《公路工程质量检验评定标准》(J T J071Ο98) 评定标准中要求摩擦系数的规定值符合设计要求。而目前设计规范中规定S FC ≥54的验收标准针对国内情况似乎应作一定的调整。根据对国内十几条高速公路通车后1～2年路面摩擦系数的测试与统计, 推荐S FC 的评价标准在42～47的范围内较适合, 同时应根据我国南北方降雨量的不同规定各自不同的标准。
(3) 《公路养护技术规范》(J T J073Ο96) 现行规范中路面抗滑能力评价标准有关S FC 指标的数据来源及主要评价目标是普通公路, 其优、良、中、次、差的分类方式并不适合于高速公路的评价, 需另行规定。
表1列出已使用近10年的北方某高速公路行车道S FC 养护评价等级分布百分率, 从表中可看出, 中、次和差3个等级的分布百分率已接近甚至超过80%的水平。而当高速公路的路面S FC
横向力系数S FC 分布百分率(%)
车道方向顺桩行车道逆桩行车道
优
01910106
7
高速公路各个车道的功能不同, 车流渠化交通现象明显, 造成各车道表面摩擦系数分布带有较大的不均匀性。绝大部分高速公路的超车道表面摩擦系数要大于行车道。但也有特殊情况, 例如北京首都机场高速公路因交通量大且通行车辆主要是小轿车, 各个车道车流量分布比较均匀, 故其超车道与行车道的表面状况基本相同, 摩擦系数没有什么差别。因此, 在对车道进行摩擦系数测试时, 首先必须选择车流量最大且重轴载车辆通行较多的车道, 如条件容许最好对所有车道进行测试, 以便掌握全面的摩擦系数分布状况
。
512 测试轨迹
高速公路车辆行驶一般不受干扰, 通行渠化现象明显, 因此在车道横断面上轴载作用次数如图8所示并不均匀, 轮迹分布频率曲线为双峰形。当进行摩擦系数测试时, 应尽量使测试轮行驶于轴载分布频率最高的条带附近。SCRI M 系统的测试轮安装位置非常适合于该测试要求。
表1
差[0,012)
01110113
良
121191107
中
[013,014) 2914327163
次
[012,013) 5713671111
) [014,015) [015, +∞
(4) 《公路路基路面现场测试规程》(J T J059Ο95) 该规程中有关SCRI M 系统的主要内容是根据80
年代末我国引进的2台设备所编写的, 经过十几年的发展, SCRI M 系统在机械结构、数据采集记录方式及
(下转15页) 操作程序上已发生了许多变化,
11
图8 轮迹分布频率曲线
沥青路面表面裂缝应力强度因子计算方法研究 罗 睿等
异, 计算结果也可能存在差异。特别是水平力模式,
不同的荷载模式假设会对计算结果产生不同影响。文献[7]将水平荷载假定为线形分布, 并关于轮印对称。至于荷载模式的具体形式, 或者哪种荷载模式更符合实际情况, 到目前为止还未定论, 还有待于今后深入研究。不过, 不论荷载模式怎样, 上述应力强度因子计算方法都是适用的。
从上文分析得, 水平力和胎压对路面表面裂缝应力强度因子影响最大, 增大沥青层厚度是无明显效果的, 并且, 即便裂缝长度很小, 也会产生较大的应力强度因子。所以控制表面裂缝向深层发展除限制超压和尽量减少紧急制动外, 用好的材料, 青层厚度是徒劳的, 3 结论
(1) 应用权函数理论, 得出了沥青路面表面裂缝
力区增大。
(3) 水平力会使面层出现非常明显的应力集中, 即便表面裂缝长度很小也会产生较大应力强度因子。应力集中随路面深度增加而衰减。
(4) 增加沥青层厚度来减弱沥青路面表面裂缝应力强度因子的效果是不理想的。
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由于水平力产生的应力强度因子的计算方法, 并编制
了计算程序, 对分析路面的表面开裂和工程应用有非常重要的意义。
(2) 水平力和胎压的增加都会明显增加表面裂缝的应力强度因子, 水平力的增大还会使面层的张拉应
(上接11页) 故有必要重新修订。7 结语
参考文献:
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[2] 中华人民共和国交通部1公路沥青路面设计规范(JT J014Ο97) 1人
截止2000年底我国高速公路的通车里程已达116万km , 对国家经济的发展起到了巨大的促进作用, 但同时全国高速公路上所发生的各种交通事故数量也在猛增, 造成了人身安全及财产的巨大损失。提高高速公路路面抗滑性能可以有效地减少追尾、滑溜等撞车事故的发生。本文阐述的观点可在设计、施工及养护管理等环节上为相关的技术人员提供帮助, 以便通过摩擦系数这一指标正确评价路面的抗滑性能。
民交通出版社,19971
[3] 中华人民共和国交通部1公路路基路面现场测试规程(JT J059Ο
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