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。根据货车的分类标准，总质量超过14吨即为重型载货车。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。无锡312国道的破坏形式也是如此，如上图。
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。
1、重型卡车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。
2、重型卡车的轮胎受力以五轴货车为例，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
3、重型卡车轮胎的结构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
4、轮胎的内压轮胎出厂的时候，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。
5、轮胎与桥面的作用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。
6、总结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。
