朱 榮，石雪飛，阮 欣

(同濟大學 橋梁工程系，上海 200092)

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某跨海大橋運營期交通特性及荷載效應研究

朱 榮，石雪飛，阮 欣

(同濟大學 橋梁工程系，上海 200092)

通過對某跨海大橋1個月的WIM數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，分析了運營階段的交通組成特性及其規(guī)律，討論了車輛荷載和車隊荷載特性、多車道汽車荷載的橫向分布規(guī)律。以該跨海大橋雙塔三跨斜拉橋結(jié)構(gòu)的關鍵截面為分析對象，研究了在實測車流荷載作用下的效應分布特征，并與現(xiàn)行設計規(guī)范的汽車效應標準值進行對比。結(jié)果顯示：車頭間距和時距與小時交通量呈現(xiàn)出二項指數(shù)函數(shù)關系；由于不同軸型車輛對行駛車道選擇的傾向性，導致各車道汽車荷載水平分布存在明顯的差異，單個重車車道效應極值大于規(guī)范值，而多車道總體效應小于規(guī)范值。探討了現(xiàn)行規(guī)范在多車道荷載折減問題和大跨徑橋梁汽車荷載效應計算模式上的不足與建議。

橋梁工程；動態(tài)稱重；交通特性；車輛荷載；大跨徑橋梁；效應分析

0 引 言

橋梁結(jié)構(gòu)在運營期間面臨的交通荷載環(huán)境是影響結(jié)構(gòu)安全和使用壽命的重要 因素。近年來，隨著我國公路交通運輸事業(yè)的發(fā)展，交通量的增長、超載運輸猖獗，已與相關的交通運輸法規(guī)和現(xiàn)行規(guī)范不相協(xié)調(diào)[1]。在長期不合理的大比例重載交通作用下，橋梁的安全運營與耐久性受到威脅，并對橋梁運營養(yǎng)護及維修帶來困難和沉重的經(jīng)濟負擔。

運營期的交通特性統(tǒng)計和車輛荷載環(huán)境調(diào)查是對橋梁及其構(gòu)件的實際工作性能評估的重要組成部分。目前，動態(tài)稱重系統(tǒng)(Weigh-in-Motion，簡稱WIM)可以在車輛正常行駛的狀態(tài)下記錄通過觀測斷面的車輛信息，包括車速、車重、軸重、軸距以及車頭時距和車頭間距等交通特性參數(shù)，并在此基礎上展開了相關的研究工作[2-4]。然而，以往的研究主要集中在總體車流特性的統(tǒng)計和中小跨徑橋梁的效應分析上[5-6]，對車輛荷載的車道分布規(guī)律和大跨徑橋梁實際的汽車荷載效應特性關注不足，從而導致結(jié)構(gòu)設計不合理。

筆者選取某跨海大橋為期1個月的WIM數(shù)據(jù)作為研究基礎，該橋橋面布置為雙向六車道，日均車流量達到2.6～3.4萬輛，共計854 686輛車輛數(shù)據(jù)，該組數(shù)據(jù)在很大程度上能反映我國東部沿海地區(qū)經(jīng)濟社會活動特點，體現(xiàn)該區(qū)域交通運輸?shù)恼w水平，且在大橋的運營期內(nèi)具有一定的代表性。通過對交通流量、車型組成和車輛到達特性的統(tǒng)計，分析了交通組成特性及其規(guī)律；研究了車輛荷載和車隊荷載特性，以及多車道汽車荷載的橫向分布規(guī)律；以該跨海大橋為對象，分析了運營階段實際的汽車荷載作用效應，并與現(xiàn)行設計規(guī)范進行比較，討論了現(xiàn)行規(guī)范在多車道荷載折減問題和大跨徑橋梁汽車荷載效應計算模式上的不足與建議，為橋梁設計以及橋梁運營階段的管養(yǎng)工作提供借鑒。

1 交通組成特性

1.1 交通流量

交通流量為一段時間內(nèi)通過的車輛實體數(shù)，反映道路橋梁的交通擁擠狀況，具有一定的時變特性。統(tǒng)計時間內(nèi)每天的交通量變化、周分布特性如圖1，由圖1可以看出，日均交通量為3.01萬輛，變異系數(shù)為8%；由于我國實行周六、周日休息的5天工作日制，交通量在一周變化呈現(xiàn)出周五為峰值，周日為谷值的周期性變化規(guī)律，峰差約為20%。以每小時交通量反映車輛在一天內(nèi)的密集分布狀況，每小時平均車重反映車輛在各時段的荷載水平，進一步研究一天各時段內(nèi)交通量與交通荷載的變化規(guī)律，如圖2。

圖1 日均交通量變化

圖2 交通量和車重時變規(guī)律

圖2表明，白天的車輛數(shù)要遠遠大于夜晚，交通高峰期出現(xiàn)在每天的9點至11點和14點至17點，低谷期出現(xiàn)在凌晨1點至5點。每一時段的平均車重與交通量呈現(xiàn)出相反的變化規(guī)律，交通量大的時段對應的車重并不是最大的。因此，對車流特性進行統(tǒng)計時，宜選用1～2周的整天數(shù)據(jù)進行分析。凌晨超重車輛出現(xiàn)的頻率較高，是橋梁治超管理的重點時刻。

1.2 車型組成

公路橋梁上車型種類較多，對于單輛汽車，車重與軸數(shù)相關，以軸組作為劃分車型的依據(jù)，將測得的車輛劃為5類，各軸型車輛比例見表1。由表1可知，由于輕型客車(7座以下)數(shù)量較多，二軸車占的比例相當大，其次是六軸和三軸車；其中六軸的重車數(shù)量比較多，這類車型對橋梁的影響最為顯著。進一步研究各軸型車輛對行駛車道選擇的傾向性，圖3為各軸型車輛在行駛車道上的分布比例。由圖3可知，各軸型車輛有自己慣用的車道，二軸車由于質(zhì)量較輕，偏向道路內(nèi)側(cè)的超車道行駛，三軸及以上軸型的車輛傾向道路外側(cè)的慢車道。各軸型車輛對車道選擇的傾向性引起的多車道荷載分布的差異將在2.3節(jié)中詳述。

表1 車輛軸型分類及組成

圖3 各車道軸型車輛分布

1.3 車輛到達特性

車輛的到達特性也是反映車流疏密程度的重要指標，通常以車頭時距和車頭間距來衡量。為了說明該跨海大橋車流密集程度，沿引04規(guī)范基礎數(shù)據(jù)[7]作為比較，車頭時距和車頭間距的累積分布曲線見圖4。由圖4可知，在同一累積概率水準下，車頭時距小于04規(guī)范基礎數(shù)據(jù)，反映交通量增長明顯；相比之下，車頭間距反而要大，這與高速公路的行車速度較快有關。

圖4 車輛到達特性累積分布曲線

單獨分析上述兩特性不能充分反映車流密集程度，應與交通量聯(lián)系在一起考慮。筆者研究了車輛到達特性與小時交通量之間的關系，對于總體車流而言，不考慮車輛對車道選擇的傾向性，平均車頭時距和平均車頭間距與小時交通量關系如圖5。從圖5可見，隨著交通量的增加，車頭時距和車頭間距急劇減小，到達一較大交通量(1 000輛/h)時，車輛的到達特性趨于平穩(wěn)狀態(tài)。兩者均與小時交通量呈現(xiàn)出指數(shù)函數(shù)關系，可以通過二項指數(shù)函數(shù)來表達：

(1)

圖5 車輛到達特性與交通量的關系

2 車流荷載特性

車流荷載特性主要包括荷載強度與荷載分布，涉及到車重、軸重、車速、車距、軸距等參數(shù)。對于不同跨徑分類的橋梁結(jié)構(gòu)，或者構(gòu)件的整體和局部效應，汽車荷載強度與分布的考慮是不同的。中小跨徑橋梁，一般以單個重車及多車道重車相遇概率控制[8-9]，通過車重或軸重衡量荷載強度，軸距衡量荷載分布。而大跨徑橋梁，單車的荷載效應占整個車隊荷載效應比例不大[10]，需要將交通量、車型組成，車輛間距、橋跨長度等因素綜合考慮，以車隊的形式衡量荷載強度和荷載分布。

2.1 車輛荷載

車重、軸重和軸距是描述單個車輛荷載特性的參數(shù)，與車型有關。已知車型載重、軸重和軸距的分布，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的最不利加載位置計算荷載效應；對于直接承受荷載的橋面板等局部受力構(gòu)件，軸重與軸距的影響就更為顯著。各車型車重與軸重的統(tǒng)計參數(shù)見表2。

表2 車重與軸重統(tǒng)計參數(shù)

由表2可見，車輛總重隨著軸數(shù)的增加而增大，標準差也逐漸增大；除了二軸車以外，其它車型車重的變異系數(shù)變化不明顯。三軸及以上軸型車輛第一軸的軸重均值在5～6 t范圍內(nèi)，且標準差基本相同；不同軸組的軸重分布差異與各軸型車輛總重在車軸上分配比例有關，一般后軸軸重大于前軸，且分配比較平均，例如六軸車的三聯(lián)軸各軸重均值在9 t左右，三聯(lián)軸總重占車重的55%左右。

圖6為車重與軸重的概率密度和累計概率分布圖，通過與04規(guī)范基礎數(shù)據(jù)的比較進一步說明大橋的運營荷載環(huán)境。從概率密度圖形的分布來看，車重具有明顯的三峰分布特性，由于小客車所占的比重較大，第一高峰出現(xiàn)在1～4 t范圍內(nèi)，且分布數(shù)量較多；第二、第三高峰出現(xiàn)在20和55 t左右。軸重分布呈現(xiàn)出雙峰分布特征，第一峰值集中在4～6 t左右，主要為多軸貨車前軸重量，第二峰值在10 t左右，為后聯(lián)軸的單軸重量。

圖6 車重與軸重概率密度和累計概率分布

由圖6可見，當車重的累計概率小于0.68時，在同一概率水平下，現(xiàn)有的車重水平偏小，這是由于小型客車數(shù)量增多而引起的；但是當超越該概率水平時，車重遠大于04規(guī)范基礎數(shù)據(jù)，說明無論是重車的比例還是車重水平都較20世紀90年代初明顯提高，在0.95概率水平下的車重數(shù)值為54 t，與之對應的規(guī)范基礎數(shù)據(jù)數(shù)值僅為24 t。而軸重累計概率小于0.60時，現(xiàn)有軸重水平與04規(guī)范基礎數(shù)據(jù)相當，但超越該概率水平后，現(xiàn)有軸重水平明顯增大，在0.95概率水平下的軸重數(shù)值為14 t，與之對應的規(guī)范基礎數(shù)據(jù)數(shù)值僅為8.5 t。

通過對車輛荷載特性分析可知，背景橋梁運營階段的汽車荷載水平遠大于設計規(guī)范界定的范圍，雖然單輛重車對大跨徑橋梁的效應不起控制作用，但是在“經(jīng)常性”的大比例重載交通作用下，局部構(gòu)件難免發(fā)生“疲勞性”損傷，從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用安全，并增加養(yǎng)護維修成本。

2.2 車隊荷載

在車隊的組成中，車輛行駛狀態(tài)是重要的影響因素，直接反映了車流密度，從結(jié)構(gòu)效應層面上考慮，車流密度又決定效應加載范圍內(nèi)的荷載集度?，F(xiàn)行規(guī)范[11]將公路-I、II級荷載分別對應密集和一般運行兩種狀態(tài)，以體現(xiàn)不同車流密度下的汽車荷載水平。筆者參考上述兩種行駛狀態(tài)的劃分，并從新進行界定，一般運行狀態(tài)以各車道實際的自然車間距進行排列，反映正常通行時的荷載水平；由于未錄測到擁堵狀況，密集運行狀態(tài)以發(fā)生堵車時的車輛平均凈距(4.5 m)[12]對白天數(shù)據(jù)進行排列，模擬發(fā)生交通事故時的極端狀況。

為量化車隊荷載，引入等效均布荷載(Equivalent uniformly distributed load，EUDL)[13]來分析不同結(jié)構(gòu)效應加載長度的荷載集度，計算方法如下：首先，將連續(xù)車隊滿布在一定的橋跨范圍內(nèi)，使車隊長度等于加載長度(圖7)，將長度范圍內(nèi)的所有車輛總重除以加載長度得到一等效均布荷載值。然后，移出車隊首車，補充車隊尾部車輛，使車隊長度繼續(xù)等于加載長度，計算得到新的等效均布荷載值。計算的加載長度范圍從100至1 500 m，按照WIM數(shù)據(jù)中實測的車輛順序?qū)囮犨M行排列，分別考慮上述兩種行駛狀態(tài)。以最重車道的EUDL值進行分析，取保證率為95%的分位值，兩種行駛狀態(tài)的EUDL隨橋跨長度變化見圖8。

圖7 等效均布荷載計算圖示

圖8 等效均布荷載值

與公路-I級荷載標準值進行對比來反映運營狀況的車隊荷載狀態(tài)，從圖8可知，隨著加載長度的增加，車隊的EUDL值逐漸減小并趨于穩(wěn)定；車隊在自然行駛狀態(tài)時的荷載集度較小，在規(guī)范標準值的50%以下，加載跨徑大于600 m時，小于規(guī)范值的25%；而在發(fā)生交通事故等擁堵狀態(tài)時，車隊的EUDL基本上維持在規(guī)范標準值1.6倍左右。

通過對量化車隊荷載的EUDL值分析可知，雖然該路段交通量和超重車水平大于規(guī)范，但在一般運行狀態(tài)下，各車道車隊的整體車重水平比規(guī)范荷載值要偏低，能滿足當前交通荷載環(huán)境下正常通行的安全需要。當發(fā)生堵車狀況時，車隊的整體車重水平明顯提高，在日常橋梁管養(yǎng)和交通組織時，應密切注意交通擁堵發(fā)生的極端狀況，及時有效地對重車進行分流，或采取封閉交通等措施，確保大橋的安全運營。

2.3 汽車荷載的橫向分布特性

如前所述，不同類型車輛對車道選擇具有一定的傾向性，這直接導致車輛荷載在車道分布上的差異，并影響橋梁結(jié)構(gòu)的空間受力和道路路面疲勞損傷。

首先，對比不同行駛方向的各車型車重均值的差異，見表3。由表3可知，除二軸車外，上行車道車重水平比下行車道偏大10%左右，其差異性與地區(qū)產(chǎn)業(yè)布局和社會經(jīng)濟活動有關。表4比較了不同軸型車輛車重均值在各車道上的差異。由表4可知，中間車道各類車型的車重均值最大，其次為右側(cè)車道，多軸車在中間和外側(cè)車道的車重差異性較?。挥捎谛⌒涂蛙囋诔嚨郎系谋壤?，因此，超車道車重均值最小(1.62 t)，其它軸型的重車偶爾也在超車道上行駛，但車重水平比外側(cè)兩個車道小20%左右。

表3 不同行駛方向各車型車重均值

表4 不同行駛車道各車型車重均值

分析車隊荷載在不同車道上的分布規(guī)律，圖9為兩種行駛狀態(tài)的車隊EUDL值。由圖9可知，超車道上的車隊荷載較小，且隨著加載跨徑的增大變化不明顯，即使在擁堵狀態(tài)下，EUDL值基本維持在2.5 kN/m左右。外側(cè)兩車道在不同的行駛狀態(tài)下的荷載分布特點略有不同，一般運行狀態(tài)下，中間車道和右側(cè)車道的EUDL相差不大(<5%)，且隨跨徑增長荷載值迅速下降并趨于平緩；而在擁堵狀態(tài)時，中間車道的EUDL比右側(cè)車道偏小30%左右，且隨跨徑增長荷載值下降平緩。相比車重的分布規(guī)律，中間車道比右側(cè)車道的EUDL小的原因是較輕的二軸車在中間車道所占比例較大(圖3)，車隊組成略有不同，減小了整體的車隊荷載。

圖9 不同行駛車道等效均布荷載

綜上，對于雙向六車道道路，各車道汽車荷載水平的分布存在明顯的差異性，尤其是內(nèi)側(cè)超車道荷載水平普遍較低。相比我國規(guī)范中各車道汽車荷載獨立同分布的假定，規(guī)范設計結(jié)果偏于安全，但其合理性有待效應分析后進行討論。

3 實測汽車荷載下的結(jié)構(gòu)效應分析

為研究橋梁結(jié)構(gòu)在實際汽車荷載作用下的效應及其分布特點，針對該跨海大橋主橋的雙塔三跨斜拉橋結(jié)構(gòu)，選擇一些控制結(jié)構(gòu)總體性能的特征效應進行深入闡述，圖10為確定的特征效應截面位置分布。沿用“公路橋梁可靠度研究課題組”的荷載效應計算方法和設計基準期最大荷載效應外推方法，得到了結(jié)構(gòu)特征效應在各車道實測汽車荷載下的極值，見表5。

圖10 結(jié)構(gòu)特征效應截面位置

表5 各車道效應極值

由表5可知，下行車道效應極值小于上行所對應的車道，基本上能反映出上、下行車道車輛荷載的差異性。在同向行駛的車道中，右側(cè)車道和中間車道的效應極值較大，且相互之間的差異性不明顯(<5%)；超車道的效應極值最小，不到外側(cè)車道的50%。結(jié)合汽車荷載的特性可知，大跨徑橋梁的荷載效應與車隊的荷載水平相關，單輛重車對效應極值的影響并不顯著。

實測汽車荷載最大單車道效應極值、六車道總體車流的效應極值與規(guī)范汽車荷載效應標準值的比較見圖11(規(guī)范標準值為1)，其中規(guī)范效應考慮了縱、橫向的折減系數(shù)。圖11表明，根據(jù)實際車流外推的最大單車道效應極值是規(guī)范值的1.0～1.8倍，相比六車道總體效應，反而小于規(guī)范值(0.5～0.7倍)。這意味著，規(guī)范在考慮橫向多車道折減問題上作出的各車道交通量和車重獨立同分布的假設使得總效應的取值偏于保守，未能反映車流荷載在各車道分布的差異性；由于貨運普遍超載，使得重車車道的效應遠遠超過設計值，這對局部構(gòu)件的損傷(路面鋪裝、鋼橋面板疲勞)、耐久性可能構(gòu)成隱患。因此，建議我國規(guī)范在對多車道效應折減時，考慮各車道荷載分布的差異性，可參考歐洲EUROCODE規(guī)范采用不同車道布置不同荷載的方式。

圖11 效應極值與規(guī)范標準值比值

此外，大跨徑橋梁的響應與汽車荷載取值和布置方式密切相關，具體表現(xiàn)在不同特征效應與設計值比值的差異性，直接承受汽車荷載的主梁，六車道總車流效應比在0.58～0.69之間，相比索塔墩底彎矩、塔頂偏位以及尾索索力的效應比(0.5以下)偏大，而后者更加關注車隊加載的縱向不對稱性。因此，在針對長加載跨徑橋梁不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件響應特點的基礎上，結(jié)合車流特性，建立多級別多參數(shù)的汽車荷載模型[14]，以體現(xiàn)設計結(jié)果的合理性與經(jīng)濟性。

4 結(jié) 論

通過對某跨海大橋運營階段WIM數(shù)據(jù)分析，研究了橋梁交通組成及規(guī)律，討論了車輛荷載和車隊荷載特性、多車道汽車荷載的橫向分布規(guī)律，以該跨海大橋的關鍵截面為例，分析在實測車流荷載作用下的效應特征，并與規(guī)范標準值進行比較，主要結(jié)論如下：

1)運營階段的實際車流在交通量、車型組成方面具有一定的規(guī)律性。各軸型車輛對行駛車道的選擇具有明顯的傾向性；在車輛的到達特性中，平均車頭間距和車頭時距與小時交通量呈現(xiàn)出二項指數(shù)函數(shù)關系。

2)汽車荷載特性分析結(jié)果顯示，運營階段的交通量及超重車荷載水平遠大于規(guī)范界定的范圍，而考慮實際車隊組成的等效均布荷載在不同行駛狀態(tài)下荷載水平相差較大，一般運行狀態(tài)下的車隊整體車重水平比較規(guī)范荷載值要偏低(小于50%)，堵車狀態(tài)時在規(guī)范荷載值1.6倍左右。

3)多車道汽車荷載水平差異性分布明顯，外側(cè)車道幾倍大于內(nèi)側(cè)超車道。結(jié)合大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的效應分析，單個重車車道的荷載效應大于規(guī)范值，而多車道總體效應小于規(guī)范值，表明目前規(guī)范對各車道交通量、車重獨立同分布的考慮不充分，建議綜合考慮多車道車流及荷載橫向分布的差異性，對各車道荷載取值大小進行界定。

4)筆者通過特定地區(qū)交通數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可能不具有普遍性，需要更多數(shù)據(jù)支撐加以完善。而相關的分析方法可對橋梁的運營荷載環(huán)境及結(jié)構(gòu)技術狀態(tài)進行評估，為橋梁養(yǎng)護決策提供數(shù)據(jù)支持，也為設計規(guī)范汽車荷載模型的完善和發(fā)展提供借鑒。

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Traffic Features and Load Effects of Cross-Sea Bridge in Service Period

Zhu Rong, Shi Xuefei, Ruan Xin

(Department of Bridge Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China)

Traffic composition features and laws for a certain cross-sea bridge in service period were analyzed based on a month WIM data. The vehicle and motorcade load properties as well as the load transverse distribution laws of multi-lane were described. Taking the critical sections of the three-span cable stayed bridge with twin towers as research object, the effect distribution characteristics resulting from the actual traffic load were analyzed statistically, and these effect results were compared with the normal values of vehicle loads in current bridge design specification. Results indicate that the relationship between the average space headway or time headway and hourly traffic volume can be expressed by the binomial exponential function. Vehicle load level on various driving lanes presents significant difference because of the tendency of vehicle lane-choice of different axial vehicle. The maximum effect values of the heaviest driving lane exceed the corresponding code values, while those of multi-lane are on the contrary. In the end, the insufficiencies of the multi-lane reduction factor and the calculation mode of vehicle load on large-span bridge in the current specification were discussed and some suggestions were also provided.

bridge engineering; weigh-in-motion; traffic feature; vehicle load; long span bridge; effect analysis

2014-11-27；

2015-01-07

國家自然科學基金項目(51108338；51478337)

朱 榮(1984—)，男，江蘇寶應人，博士研究生，主要從事橋梁工程方面的研究。E-mail：9arrom@#edu.cn。

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.06.01

U441+.2

A

1674-0696(2015)06-001-07