摘要：超载始终是个沉重的社会话题，因为超载导致的事故时有发生。前不久的无锡312国道的桥面侧翻初步结果就是由于两辆总重约200吨的严重超载的大卡车导致的事故。如果说大卡车的车身是强度较好的金属结构，但是其轮胎却是橡胶材料。橡胶做成的轮胎都可以承受...
超载始终是个沉重的社会话题，因为超载导致的事故时有发生。前不久的无锡312国道的桥面侧翻初步结果就是由于两辆总重约200吨的严重超载的大卡车导致的事故。如果说大卡车的车身是强度较好的金属结构，但是其轮胎却是橡胶材料。橡胶做成的轮胎都可以承受200吨的重量，钢筋混凝土的桥梁却无法承重，这究竟是什么原因？本文就揭开重型卡车“高强度”轮胎之谜。
卡车是一个类型的总称，包括货车、半牵挂引车等。根据货车的分类标准，总质量超过14吨即为重型载货车。显然，车身自重越大，其载重量也越大。
货车
我国《超限运输车辆行驶公路管理规定》对货车的载重有严格的规定，主要根据轴数来分类：普通的二轴货车，车货总重不超过18吨，三轴货车不超过25吨，四轴货车不超过31吨，五轴不超过43吨，六轴不超过49吨。具体如下图所示。
货车限重的说明（1）
货车限重的说明（2）
货车的轴数，如上图所示，它跟轮胎数密切相关，一根轴上有两组轮胎。所以，轴数越多，轮胎数量也就越多。
以五轴货车为例，其受力图如下。整车受到自身的重力G，以及10组轮胎（两侧）处的地面支撑力。也就是说，整车的重量，最后都全部分担到轮胎上。所以，对轮胎的要求就比较高了。
货车的受力
但是，轮胎也不是刚体，个体的承受能力也不是无限大，所以就出现了多轴的货车，通过增加轴数来增加轮胎的数量，让更多的轮胎一起来分担整车的重量。实际上，单侧的轮胎也不一定就是一个，而是一组。其实，我们稍微注意下道路上的货车，就会发现有的货车同个位置有2个轮胎，这其实就是为了分担整车的总重，如下图。
同轴的一侧有两个轮胎来一起分担整车的重力
重型卡车的轮胎与我们常见的自行车轮胎完全不一样，跟小汽车的轮胎类似。与自行车轮胎完全不一样，重型卡车的轮胎非常复杂，如下图。轮胎分好几层：最外层的胎冠，有花纹增加摩擦力；胎冠下面是保护层和带束层，里面含有钢网层，保护着轮胎不破裂；最内层是胎体层，主要是气密作用。在轮胎的边缘，叫做趾口的地方，内有多跟钢丝缠绕而成，增加刚性的同时，也增加强度。根据这个轮胎结构，做薄弱的部分是胎侧。
轮胎的结构
为了更详细了解轮胎的结构，我们一起来看下轮胎的剖面图（下图）。在胎冠保护层，有尼龙纤维层、横向分布刚丝层、纵向分布钢丝层。趾口附件有胎圈钢丝，耐磨胶、三角胶芯，以及外侧的胎垫。
轮胎剖面
为了让大家更直观地了解轮胎的结构，我把我家之前爆胎的小汽车轮胎解剖了下。由于工具的限制，手工解剖轮胎非常困难。利用细齿钢锯锯了2天，都没有办法锯断趾口的胎圈钢丝。后来用切割机，勉强割断了胎圈钢丝，但是利用切割机切割橡胶层非常危险。下图为解剖了一半的轮胎，从中可以明显看到胎圈钢丝。
轮胎解剖
轮胎出厂的时候，它的最大承载和最大胎压都已经确定了，标在轮胎上。重型卡车单个轮胎的承重约975kg-1800kg，安全胎压560kPa-770kPa（具体型号不同，数据也不同）。我家那个爆胎的小汽车轮胎，最大承载630kg，安全胎压300kPa。
轮胎的有限元模型（截面）
上图为轮胎的有限元模型，可以看到这个截面上有很多不同的颜色，代表着不同的材料。对轮胎的充气过程进行了模拟，过程如下图。首先是轮毂合拢，然后开始充气，最大应力出现在胎圈钢丝上。
轮胎充气模拟
下图为充完气之后的应力分布，最大应力仍然出现在胎圈钢丝上，由于被橡胶包裹着，无法看到，最大应力值135MPa，普通的胎圈钢丝承受极限应力可达1770MPa，高强度的更是达到2200MPa以上。胎冠保护层处的钢丝是第二大承力部件，而橡胶层则几乎不受力。
轮胎的最大应力
由上可见，轮胎受内压后，主要的承力结构是胎圈钢丝，受到拉伸的作用。考虑外载车货总重之后，对于轮胎来讲，就是内压的增大。但是由于胎圈钢丝承载能力很强，只要没有到达它的极限，正常情况下轮胎可以安然无忧。
当超载的货车行驶在桥面上时，轮胎由于车重的作用，发生变形，轮胎底部与桥面接触面积变大。如下位移图所示，底部蓝色表示的与地面的接触。随着整车总量的增加，接触面积也会增加。
轮胎位移图
桥面铺的柏油，然后是钢筋混凝土，所以桥面的变形几乎没有，下图是夸张后的样子，接触的地方发生了凹陷。
软地面被压后的样子
高架的混凝土型号Ｃ35以上，C35的标准抗压强度23.4MPa，抗拉强度2.2MPa。200吨的重物，通过轮胎分散以后，再加上接触面积的增大，桥面受压处的压应力肯定小于23.4MPa，也就是说，纯粹的受压，通常是压不坏桥面的，如果发生事故，那么必定是拉伸破坏的形式。即：在桥墩处，由于桥面与桥墩的铰接形式，桥墩处的桥面产生拉伸应力，可以看到混凝土的抗拉性能很弱，这时候为了保证强度，就需要钢筋发挥作用了。但是，钢筋的强度也有限，大概在200-400MPa的范围，一旦这个应力超出了极限值，钢筋也会被拉断。实际上，这个时候混凝土首先已经碎裂了。
无锡高架桥面侧翻
为何超重点受力，却是桥墩处首先破坏呢？无锡312国道的破坏形式也是如此，如上图。这是因为桥墩处的链接，产生了较大的力矩。在这个力矩的作用下，混凝土首先达到拉应力的承受极限开始碎裂，然后是钢筋开始断开。
轮胎的高强度得益于内部的刚强度钢丝，特别是趾口内的胎圈钢丝，承受了主要的载荷，而橡胶层的受力则小的多。所以，橡胶层主要起的耐磨、密封、和定型的作用。
单个的轮胎有自己的承重极限和安全气压，都已标识在轮胎的侧面，可供查看。为了增加运载量，可以通过增加轮胎数来分散掉整车的总重。
桥面与轮胎的相互作用，尽管接触面的力是作用力和反作用力完全相等，但是，无论是轮胎还是桥面，接触面的压力都没有超出其承受的极限值。桥梁的破坏，主要是由于桥面与桥梁的连接处产生较大的力矩，引起较大的拉应力，混凝土首先碎裂。
