□文/蘇改英

隨著交通運(yùn)輸迅猛發(fā)展，公路、鐵路和城市道路上行駛車(chē)輛噸位和速度均不斷提高，交通荷載引起橋梁結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷而發(fā)生的公路橋梁破壞日益受到關(guān)注，要求對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及疲勞可靠性進(jìn)行細(xì)致的分析和評(píng)估。

橋梁疲勞設(shè)計(jì)

橋梁結(jié)構(gòu)疲勞是指橋跨構(gòu)件在交通車(chē)輛往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生累積損傷，形成疲勞裂紋，疲勞裂紋的擴(kuò)展使得構(gòu)件在較低的應(yīng)力水平發(fā)生斷裂破壞，疲勞引起的斷裂破壞往往在低應(yīng)力水平下突然發(fā)生。與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)不同，橋梁疲勞設(shè)計(jì)所采用的荷載不應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)所承受的最不利荷載組合，而應(yīng)采用往復(fù)作用的交通車(chē)輛荷載，根據(jù)往復(fù)荷載作用下構(gòu)件應(yīng)力或應(yīng)變變化的幅值，計(jì)算它們所引起的疲勞累積損傷。因此，準(zhǔn)確、合理的交通荷載頻值譜即橋梁的疲勞荷載譜是橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。當(dāng)然，要將在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)通過(guò)橋梁的所有車(chē)輛荷載都一一列出來(lái)是不可能的，所以，就需要通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析確定用作橋梁疲勞設(shè)計(jì)的“典型車(chē)編組”，即所謂的“疲勞車(chē)”。

目前，英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等都在各自的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中給出了相應(yīng)的疲勞設(shè)計(jì)車(chē)輛荷載譜。但是，由于中國(guó)公路的交通狀況與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有一定的差距，由疲勞所導(dǎo)致的公路橋梁破壞并不多見(jiàn)，所以在這方面開(kāi)展的研究相對(duì)較少。對(duì)于公路和城市道路橋梁，我國(guó)規(guī)范還沒(méi)有制定疲勞設(shè)計(jì)的車(chē)輛荷載譜。

國(guó)際上目前對(duì)公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)所用的荷載一般有 3種形式[1～3]。

（1）車(chē)輛荷載頻值譜。它是通過(guò)對(duì)公路橋梁的交通量調(diào)查得出的日常各種典型車(chē)輛的荷重和出現(xiàn)的相對(duì)頻率。

（2）由第一種形式簡(jiǎn)化而來(lái)一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)。

（3）采用靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)標(biāo)準(zhǔn)活載中的一輛重型車(chē)輛。

本文通過(guò)對(duì)天津市外環(huán)線(xiàn)典型路段進(jìn)行的24 h交通量觀(guān)測(cè)調(diào)查，統(tǒng)計(jì)出包含5種車(chē)型的車(chē)輛荷載頻值譜，并根據(jù)等效疲勞損傷原理，將其簡(jiǎn)化成為只含有2種標(biāo)準(zhǔn)車(chē)型的實(shí)用疲勞荷載頻值譜。

交通量調(diào)查

交通量調(diào)查路段及周邊環(huán)境

交通量調(diào)查路段選為天津市外環(huán)線(xiàn)程華里路段由東南向西北的單行線(xiàn)，見(jiàn)圖1。

圖1 交通量調(diào)查路段及周邊環(huán)境示意

外環(huán)線(xiàn)跨越空間廣闊，是連接京滬高速、京晉高速、津?yàn)I高速及京津塘高速等的重要交通紐帶，每日往返于外環(huán)線(xiàn)上的重型卡車(chē)、大型客車(chē)流量大。外環(huán)線(xiàn)程華里路段毗鄰陽(yáng)光100國(guó)際社區(qū)，處于一個(gè)客貨較為繁忙的地段，道路為雙向6車(chē)道。交通量調(diào)查的觀(guān)測(cè)點(diǎn)為圖2所示的a點(diǎn)，監(jiān)測(cè)車(chē)輛為通過(guò)a-b斷面的所有機(jī)動(dòng)車(chē)輛，車(chē)輛行駛方向?yàn)榧^所指方向。

圖2 交通量調(diào)查觀(guān)測(cè)位置示意

交通量調(diào)查方法

汽車(chē)對(duì)道路橋梁的荷載效應(yīng)主要體現(xiàn)在軸數(shù)、軸重和軸距等荷載參數(shù)，因而與一般交通部門(mén)的調(diào)查內(nèi)容有所不同的是除了在一定時(shí)間段內(nèi)記錄各類(lèi)車(chē)輛的交通量，還應(yīng)包括車(chē)輛的上述荷載參數(shù)。限于客觀(guān)條件，交通量調(diào)查采用現(xiàn)場(chǎng)人工觀(guān)測(cè)結(jié)合事后查閱車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)的方法，具體步驟如下。

（1）正式調(diào)查前，在現(xiàn)場(chǎng)作初步觀(guān)察，了解可能出現(xiàn)的車(chē)輛類(lèi)型。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)察的結(jié)果，參考車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)中的圖片及數(shù)據(jù)，將車(chē)輛分為5種類(lèi)型作為正式調(diào)查時(shí)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)的依據(jù)。見(jiàn)表1。

表1 交通量調(diào)查車(chē)輛分類(lèi)

表1中V1是指所有總重＜30 kN的小型車(chē)輛，它們對(duì)道路橋梁的疲勞損傷影響很小，故都?xì)w在一類(lèi)；V2和V3是兩軸貨車(chē)，區(qū)別是載質(zhì)量不同。

（2）正式調(diào)查時(shí)，取24 h進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀(guān)測(cè)。觀(guān)測(cè)由具有相關(guān)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的試驗(yàn)人員利用攝像器材現(xiàn)場(chǎng)采集交通數(shù)據(jù)，然后根據(jù)影像數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)記錄。

（3）調(diào)查完成后，將每類(lèi)車(chē)輛中出現(xiàn)頻率較高的車(chē)型作為代表，依據(jù)有關(guān)車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)以及相關(guān)規(guī)范，確定各種車(chē)輛的載質(zhì)量和尺寸。

盡管每一類(lèi)別的車(chē)輛有不同的車(chē)型，但各生產(chǎn)廠(chǎng)家都有較統(tǒng)一的基本標(biāo)準(zhǔn)，車(chē)輛軸重、軸距和輪距等參數(shù)差別不大，因此，為簡(jiǎn)化處理，取現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)頻率最高的車(chē)型作為該類(lèi)別車(chē)輛的代表具有平均意義。另外，根據(jù)手冊(cè)查得車(chē)輛名義額定荷重與現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛的實(shí)際荷重不一定相符，但是，現(xiàn)場(chǎng)車(chē)輛的裝載情況無(wú)非兩種，一是空載（空車(chē)）；二是非空載，包括欠載、滿(mǎn)載和超載，雖然超載屬交通違章是不允許的，但因難以查驗(yàn)而實(shí)際上是較普遍存在的，這樣各個(gè)類(lèi)別的非空載車(chē)輛荷重可認(rèn)為是在滿(mǎn)載的額定值上下波動(dòng)。對(duì)交通量調(diào)查時(shí)觀(guān)察到各類(lèi)非空載車(chē)輛按其名義額定荷重取值，基本上代表了各類(lèi)車(chē)輛荷重總體上的平均情況?？梢?jiàn)，雖然以上交通量調(diào)查方法中采用的車(chē)輛參數(shù)可能與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況略有出入，但基本能反應(yīng)該路段實(shí)際交通荷載情況。

交通量調(diào)查結(jié)果分析

先后對(duì)外環(huán)線(xiàn)程華里路段進(jìn)行了3次分時(shí)段間隔觀(guān)測(cè)，均為晴天，車(chē)輛行駛通暢。調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 24 h交通量調(diào)查結(jié)果

交通量調(diào)查中，各類(lèi)車(chē)輛的空車(chē)率均取為20%，將其作為等效荷重計(jì)算的空車(chē)荷重的權(quán)數(shù)。日本對(duì)某些橋梁的交通調(diào)查中得到的各類(lèi)車(chē)輛空車(chē)率基本相差不多。

通過(guò)對(duì)調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，每天7：00—9：00和17：00—19：00為所調(diào)查路段客貨流量最高峰。

簡(jiǎn)化的車(chē)輛荷載頻值譜

表2已經(jīng)代表了一組車(chē)輛荷載頻值譜，但由于車(chē)輛類(lèi)別較多，直接用于橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)較為繁瑣，因此，可根據(jù)等效疲勞損傷原理進(jìn)行簡(jiǎn)化，以提煉出更為實(shí)用的模型車(chē)輛荷載頻值譜[4～6]。具體方法如下。

（1）對(duì)表2中的5類(lèi)車(chē)輛進(jìn)行再分類(lèi)，將相同軸數(shù)的車(chē)輛合并為同一類(lèi)，分別對(duì)重新確立起來(lái)的每一類(lèi)車(chē)輛建立一種模型車(chē)輛。V1類(lèi)的輕小型客貨車(chē)因總重＜30 kN，對(duì)道路橋梁的疲勞損傷影響較小，忽略不計(jì)。

（2）按照等效疲勞損傷原理，求出每種模型車(chē)輛中各個(gè)軸的等效軸重，各個(gè)等效軸重之和即為模型車(chē)輛的等效總重。等效軸重的計(jì)算公式為

式中：f i為歸在同一類(lèi)車(chē)輛中的第i輛車(chē)的相對(duì)頻率，%；Wij為第i車(chē)輛的第j個(gè)軸的軸重，kN；Wej為該類(lèi)模型車(chē)輛第j軸的等效軸重，kN。公式（1）與鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計(jì)中等效應(yīng)力幅的計(jì)算原理一致，指數(shù)3為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造△σ－N細(xì)節(jié)曲線(xiàn)的斜率。

（3）以歸在同一類(lèi)的每種車(chē)輛出現(xiàn)的相對(duì)頻率作為權(quán)數(shù)，按長(zhǎng)度的加權(quán)平均值求出該類(lèi)模型車(chē)輛的長(zhǎng)度。采用的公式為

式中：Ai為歸在同一類(lèi)車(chē)輛中的第i輛車(chē)的長(zhǎng)度，m；Aj為該類(lèi)模型車(chē)輛的長(zhǎng)度，m。

根據(jù)上述方法，將表2中軸數(shù)相同的各類(lèi)車(chē)輛合并，重新分成軸數(shù)為2和3的兩個(gè)類(lèi)別，見(jiàn)表3。

表3 模型車(chē)輛分類(lèi)表

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，將表3轉(zhuǎn)化為實(shí)用荷載頻值譜，見(jiàn)表4。表4即為包括2種模型車(chē)輛的實(shí)用交通疲勞荷載頻值譜，可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設(shè)計(jì)。

表4 實(shí)用交通疲勞荷載頻值譜

結(jié)論

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市道路交通流量及車(chē)輛荷重均有了較大的變化。本文通過(guò)對(duì)天津市外環(huán)線(xiàn)典型路段進(jìn)行的24 h交通量觀(guān)測(cè)調(diào)查得出的實(shí)用疲勞荷載頻值譜可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設(shè)計(jì)。

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