以柔克剛的典範，神奇的超載大卡車輪胎“高強度”之謎

超載始終是個沉重的社會話題，因為超載導致的事故時有發生。前不久的無錫312國道的橋面側翻初步結果就是由於兩輛總重約200噸的嚴重超載的大卡車導致的事故。如果說大卡車的車身是強度較好的金屬結構，但是其輪胎卻是橡膠材料。

橡膠做成的輪胎都可以承受200噸的重量，鋼筋混凝土的橋樑卻無法承重，這究竟是什麼原因？本文就揭開重型卡車“高強度”輪胎之謎。

1、重型卡車

卡車是一個類型的總稱，包括貨車、半牽掛引車等。根據貨車的分類標準，總質量超過14噸即為重型載貨車。顯然，車身自重越大，其載重量也越大。

我國《超限運輸車輛行駛公路管理規定》對貨車的載重有嚴格的規定，主要根據軸數來分類：普通的二軸貨車，車貨總重不超過18噸，三軸貨車不超過25噸，四軸貨車不超過31噸，五軸不超過43噸，六軸不超過49噸。具體如下圖所示。

貨車的軸數，如上圖所示，它跟輪胎數密切相關，一根軸上有兩組輪胎。所以，軸數越多，輪胎數量也就越多。

2、重型卡車的輪胎受力

以五軸貨車為例，其受力圖如下。整車受到自身的重力G，以及10組輪胎（兩側）處的地面支撐力。也就是說，

整車的重量，最後都全部分擔到輪胎上。所以，對輪胎的要求就比較高了。

但是，輪胎也不是剛體，個體的承受能力也不是無限大，所以就出現了多軸的貨車，通過增加軸數來增加輪胎的數量，讓更多的輪胎一起來分擔整車的重量。實際上，單側的輪胎也不一定就是一個，而是一組

。其實，我們稍微注意下道路上的貨車，就會發現有的貨車同個位置有2個輪胎，這其實就是為了分擔整車的總重，如下圖。

3、重型卡車輪胎的結構

重型卡車的輪胎與我們常見的自行車輪胎完全不一樣，跟小汽車的輪胎類似。與自行車輪胎完全不一樣，重型卡車的輪胎非常複雜，如下圖。輪胎分好幾層：最外層的胎冠，有花紋增加摩擦力；胎冠下面是保護層和帶束層，裡面含有鋼網層，保護著輪胎不破裂；最內層是胎體層，主要是氣密作用。在輪胎的邊緣，叫做趾口的地方，內有多跟鋼絲纏繞而成，增加剛性的同時，也增加強度。根據這個輪胎結構，做薄弱的部分是胎側。

為了更詳細瞭解輪胎的結構，我們一起來看下輪胎的剖面圖（下圖）。在胎冠保護層，有尼龍纖維層、橫向分佈剛絲層、縱向分佈鋼絲層。趾口附件有胎圈鋼絲，耐磨膠、三角膠芯，以及外側的胎墊。

為了讓大家更直觀地瞭解輪胎的結構，我把我家之前爆胎的小汽車輪胎解剖了下。由於工具的限制，手工解剖輪胎非常困難。利用細齒鋼鋸鋸了2天，都沒有辦法鋸斷趾口的胎圈鋼絲。後來用切割機，勉強割斷了胎圈鋼絲，但是利用切割機切割橡膠層非常危險。下圖為解剖了一半的輪胎，從中可以明顯看到胎圈鋼絲。

4、輪胎的內壓

輪胎出廠的時候，它的最大承載和最大胎壓都已經確定了，標在輪胎上。重型卡車單個輪胎的承重約975kg-1800kg，安全胎壓560kPa-770kPa（具體型號不同，數據也不同）。我家那個爆胎的小汽車輪胎，最大承載630kg，安全胎壓300kPa。

上圖為輪胎的有限元模型，可以看到這個截面上有很多不同的顏色，代表著不同的材料。對輪胎的充氣過程進行了模擬，過程如下圖。首先是輪轂合攏，然後開始充氣，最大應力出現在胎圈鋼絲上。

下圖為充完氣之後的應力分佈，最大應力仍然出現在胎圈鋼絲上，由於被橡膠包裹著，無法看到，最大應力值135MPa，普通的胎圈鋼絲承受極限應力可達1770MPa，高強度的更是達到2200MPa以上。胎冠保護層處的鋼絲是第二大承力部件，而橡膠層則幾乎不受力。

由上可見，輪胎受內壓後，主要的承力結構是胎圈鋼絲，受到拉伸的作用。考慮外載車貨總重之後，對於輪胎來講，就是內壓的增大。但是由於胎圈鋼絲承載能力很強，只要沒有到達它的極限，正常情況下輪胎可以安然無憂。

5、輪胎與橋面的作用

當超載的貨車行駛在橋面上時，輪胎由於車重的作用，發生變形，輪胎底部與橋面接觸面積變大。如下位移圖所示，底部藍色表示的與地面的接觸。隨著整車總量的增加，接觸面積也會增加。

橋面鋪的柏油，然後是鋼筋混凝土，所以橋面的變形幾乎沒有，下圖是誇張後的樣子，接觸的地方發生了凹陷。

高架的混凝土型號Ｃ35以上，C35的標準抗壓強度23.4MPa，抗拉強度2.2MPa。200噸的重物，通過輪胎分散以後，再加上接觸面積的增大，橋面受壓處的壓應力肯定小於23.4MPa，也就是說，純粹的受壓，通常是壓不壞橋面的，如果發生事故，那麼必定是拉伸破壞的形式。即：在橋墩處，由於橋面與橋墩的鉸接形式，橋墩處的橋面產生拉伸應力，可以看到混凝土的抗拉性能很弱，這時候為了保證強度，就

需要鋼筋發揮作用了。但是，鋼筋的強度也有限，大概在200-400MPa的範圍，一旦這個應力超出了極限值，鋼筋也會被拉斷。實際上，這個時候混凝土首先已經碎裂了。

為何超重點受力，卻是橋墩處首先破壞呢？無錫312國道的破壞形式也是如此，如上圖。這是因為橋墩處的鏈接，產生了較大的力矩

。在這個力矩的作用下，混凝土首先達到拉應力的承受極限開始碎裂，然後是鋼筋開始斷開。

6、總結

輪胎的高強度得益於內部的剛強度鋼絲，特別是趾口內的胎圈鋼絲，承受了主要的載荷，而橡膠層的受力則小的多。所以，橡膠層主要起的耐磨、密封、和定型的作用。

單個的輪胎有自己的承重極限和安全氣壓，都已標識在輪胎的側面，可供查看。為了增加運載量，可以通過增加輪胎數來分散掉整車的總重。

橋面與輪胎的相互作用，儘管接觸面的力是作用力和反作用力完全相等，但是，無論是輪胎還是橋面，接觸面的壓力都沒有超出其承受的極限值。橋樑的破壞，主要是由於橋面與橋樑的連接處產生較大的力矩，引起較大的拉應力，混凝土首先碎裂。