趙 川，竇遠(yuǎn)明，孫吉書

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401; 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津300401)

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特殊情況下高速公路橋梁車輛荷載探討

趙 川1,2，竇遠(yuǎn)明1,2，孫吉書1,2

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401; 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心，天津300401)

針對近年來各省連續(xù)發(fā)生多起橋梁垮塌事件，重載車輛頻繁駛過橋梁的過程容易使橋梁產(chǎn)生各種疲勞問題。結(jié)合河北省高速公路在役重點(diǎn)橋梁進(jìn)行重載車輛荷載譜監(jiān)測，通過交通量調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析出現(xiàn)頻率較高的車輛模型、車流量的分布、車輛的自身性質(zhì)(軸距、軸重)等。依據(jù)疲勞等效損傷原理，推導(dǎo)出基于實(shí)測的5種日常營運(yùn)重載車輛荷載模型，建立疲勞荷載譜。通過與公路-Ⅰ級汽車荷載作用效應(yīng)進(jìn)行對比，得出當(dāng)跨徑小于等于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車荷載提高至1.3倍左右；當(dāng)跨徑大于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車荷載提高至1.2倍左右。

橋梁工程；重載車輛；荷載譜；疲勞等效損傷原理；交通調(diào)查；高速公路橋梁

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通量迅猛增長，重載車輛數(shù)量不斷增多，車輛荷載產(chǎn)生了巨大的變化。近年來，隨著超載現(xiàn)象的大幅度增加，我國各種公路干線上的橋梁不勝重荷，從而埋下了安全隱患，引發(fā)了大量的安全事故。特別是近期在駐馬店市驛城區(qū)朱古洞鄉(xiāng)窯后村發(fā)生的事故，導(dǎo)致人員傷亡，大橋斷裂，因此更加引起了大家對重載交通下橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和安全運(yùn)營的關(guān)注。

車輛荷載是公路橋梁設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)之一，直接關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)的安全性與使用壽命。公路橋梁車輛荷載十分復(fù)雜，它與交通量、車速、車型、軸距、軸重、一般運(yùn)行狀態(tài)、密集運(yùn)行狀態(tài)、橋長及車輛在橋上的位置等多個(gè)統(tǒng)計(jì)參數(shù)有關(guān)。為了能夠建立準(zhǔn)確的車輛荷載模型，必須對以上參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場統(tǒng)計(jì)調(diào)查。童樂為，等[1]對上海市內(nèi)環(huán)線中山路3號橋進(jìn)行了大量的交通量調(diào)查，提出了適用于城市道路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)的車輛荷載譜；王春生，等[2]以上海市浙江路橋?yàn)檎{(diào)查背景，提出了適用于該橋的疲勞荷載譜；王榮輝，等[3]和王碩[4]分別對廣州、上海等地進(jìn)行了交通荷載調(diào)查，為建立疲勞荷載模型得出了一些有益的建議。但上述調(diào)查均具有一定的地域性和時(shí)限性，難以適用于現(xiàn)階段我國高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型。

筆者通過對河北某高速公路連續(xù)24 h交通量調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析不同車型、不同載重等級車輛所占的比率，確定其概率分布規(guī)律。按照疲勞等效損傷原理，統(tǒng)計(jì)得出實(shí)際運(yùn)行的重載車輛荷載譜，為今后河北省高速公路橋梁設(shè)計(jì)和安全運(yùn)營提供理論依據(jù)。

1 河北省高速公路車輛荷載形式

我國車輛種類繁多，車型復(fù)雜，因此對各類車輛的尺寸、車型、軸重、軸距等統(tǒng)計(jì)分析尤為重要。同時(shí)考慮到公路車輛繁多、復(fù)雜，以及對公路橋梁損傷的影響程度，本次車輛荷載調(diào)查以重載貨車為主。為了統(tǒng)計(jì)得出適合我國國情的高速公路車輛荷載，采用人工觀測法和攝影法相結(jié)合的方法，對河北省京珠、京滬、大廣、保津、石太、唐津等多條高速公路進(jìn)行實(shí)際調(diào)查。同時(shí)依據(jù)2001年我國重新制定的汽車分類標(biāo)準(zhǔn)GB/3730.1—2001《汽車和掛車類型的術(shù)語和定義》及GB 1589—2004《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制》對在河北省高速公路上出現(xiàn)頻率較高的車型進(jìn)行歸納總結(jié)，其常見車型參數(shù)如表1。

表1 主要軸型參數(shù)

(續(xù)表1)

軸型軸距/mm圖例軸型說明1+22+223300+1300+8680+13101+22+2223300+1300+7190+1310+13101+1+2+2221700+2850+6920+1360+1360

2 交通調(diào)查與結(jié)果分析

2.1 交通調(diào)查

為得到實(shí)際的公路橋梁車輛荷載譜，本次交通調(diào)查主要統(tǒng)計(jì)3個(gè)變量：①高速公路上出現(xiàn)頻率較高的車輛模型；②各種車輛模型的分布；③車輛的自身性質(zhì)(軸重、軸距)。在正式調(diào)查之前先在高速路口進(jìn)行初步觀察，了解河北省高速公路中的主要運(yùn)行車輛。然后將車輛技術(shù)手冊中查閱的車輛模型參數(shù)與實(shí)際觀察的情況進(jìn)行歸納總結(jié)，將出現(xiàn)頻率較高的車輛模型作為正式調(diào)查統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。自2005年交通部頒布關(guān)于《印發(fā)收費(fèi)公路試行計(jì)重收費(fèi)指導(dǎo)意見的通知》(交公路發(fā)〔2005〕492號)以后，各省收費(fèi)站均采用計(jì)重收費(fèi)，所以在本次調(diào)查中車輛軸重均為實(shí)測值，軸型和軸組類型均按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定記錄。

2.2 調(diào)查結(jié)果與分析

通過對某路段連續(xù)24 h觀測，單向通行車輛總數(shù)為10 407輛，其中兩軸以上貨車總數(shù)為4 651輛，占單向通行總量的44.7%?，F(xiàn)將實(shí)際調(diào)查的4 651輛貨車進(jìn)行分類歸納統(tǒng)計(jì)，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1。

圖1 貨車車流量分布Fig.1 Distribution of truck traffic flow

由圖1可知，調(diào)查結(jié)果顯示兩軸貨車和六軸重載貨車所占比重較大，其中兩軸貨車占到貨車總量的43.5%；六軸重載貨車占到貨車總量的38.6%。其實(shí)際運(yùn)營的重載車輛荷載形式類似于JTJ 021—89《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中一輛重車加多輛標(biāo)準(zhǔn)車的形式。通過與河北省內(nèi)其它高速公路相比，同樣得到類似的結(jié)果。由于篇幅有限，不再羅列。

3 典型重載車輛荷載譜推導(dǎo)

由于公路橋梁車輛種類繁多，用于橋梁疲勞荷載驗(yàn)算相當(dāng)繁瑣，同時(shí)考慮到小客車、大客車以及小貨車對公路橋梁疲勞損傷的影響很小(可以忽略不計(jì))，因此筆者將其簡化，推導(dǎo)出一種更符合實(shí)際的高速公路橋梁典型重載車輛荷載譜。

將公路上出現(xiàn)頻率較高的車型進(jìn)行重新分類，按照同軸合并的原則，把相同軸數(shù)的車型合并為一種模型車輛。依據(jù)Miner準(zhǔn)則，遵循疲勞損傷累積相等的原則對軸重進(jìn)行等效換算。即：

Wej=(∑fiWij3)1/3

(1)

式中：Wej為模型車輛第j軸的等效軸重；fi為同一類車中第i類車出現(xiàn)的相對頻率；Wij為同類車中第i輛車的第j軸的軸重。

以同類車型中每輛車出現(xiàn)的相對頻率為權(quán)數(shù)，將軸距進(jìn)行加權(quán)平均統(tǒng)計(jì)，求出該類模型車輛的各個(gè)軸距。即：

(2)

式中：Aj為模型車輛的第j個(gè)軸距；fi為同一類車中第i類車出現(xiàn)的相對頻率；Aij為同類車中第i輛車的第j個(gè)軸距。

按照上述統(tǒng)計(jì)方法，根據(jù)實(shí)際調(diào)查資料，便可以推導(dǎo)出基于實(shí)際的高速公路車輛荷載譜。推導(dǎo)過程較為繁瑣，為了便于推導(dǎo)，將出現(xiàn)少量車型的貨車忽略不計(jì)，同時(shí)將出現(xiàn)較少的軸型進(jìn)行合并，如122、14軸型合并為14軸型，1122、124合并為124軸型。其模型車輛分類統(tǒng)計(jì)表、軸重、軸距統(tǒng)計(jì)值見表2～表4。

表2 模型車輛統(tǒng)計(jì)分類

Table 2 Statistical classification of model vehicle

表3 重載車輛軸重統(tǒng)計(jì)

表4 軸距統(tǒng)計(jì)

根據(jù)式(1)和式(2)進(jìn)行同軸數(shù)車輛合并，最終得出5種在重載運(yùn)輸現(xiàn)狀下的高速公路橋梁荷載譜，如表5。

表5 模型車輛荷載譜

(續(xù)表5)

軸數(shù)圖示(軸重/kN,軸距/m)總重/kN相對頻率/%4575755855674039

4 重載車輛荷載與公路-Ⅰ級汽車荷載比較

筆者以河北省高速公路最常見的簡支梁橋和連續(xù)梁橋計(jì)算為例，通過實(shí)際調(diào)查，考慮在密集運(yùn)行狀態(tài)下(堵車狀態(tài)下)，以表5中實(shí)際運(yùn)行模型車輛的彎矩效應(yīng)值與公路-Ⅰ級汽車荷載的彎矩效應(yīng)值的比值為分析對象，分別計(jì)算在不同跨徑下實(shí)際運(yùn)營的重載交通車輛荷載與公路-Ⅰ級汽車荷載的最大彎矩作用效應(yīng)[5]，其結(jié)果如表6。

表6 《規(guī)范》[5]荷載與重載交通荷載作用效應(yīng)比較

從表6中可以看出，基于實(shí)際調(diào)查的重載交通荷載與《規(guī)范》[5]中公路-Ⅰ級汽車荷載彎矩作用效應(yīng)比值在1.07～1.35之間。而河北省高速公路橋梁以簡支梁橋和連續(xù)梁橋?yàn)橹?，?shí)際車輛荷載作用在橋梁上的彎矩作用效應(yīng)明顯高于按規(guī)范設(shè)計(jì)中汽車荷載作用下的最大彎矩值。由此可知，當(dāng)跨徑≤25 m時(shí)，應(yīng)將在重載交通下高速公路橋梁設(shè)計(jì)的汽車荷載提高至1.3倍左右；當(dāng)跨徑>25 m時(shí)，應(yīng)將在重載交通下高速公路橋梁設(shè)計(jì)的汽車荷載提高至1.2倍左右。

5 結(jié) 論

1)隨著運(yùn)輸業(yè)的迅猛發(fā)展，我國高速公路上的重載車輛逐漸增多，近期高速公路上已出現(xiàn)240 t的重載汽車。因此亟需對我國高速公路車輛荷載進(jìn)行大量調(diào)研，為完善公路橋梁設(shè)計(jì)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提供第一手基礎(chǔ)調(diào)研資料。

2)通過對河北省高速公路交通量進(jìn)行實(shí)際調(diào)查，得到了基于實(shí)測的日常運(yùn)營重載車輛荷載譜。根據(jù)等效疲勞損傷原理，推導(dǎo)出了5種重載車輛模型。

3)根據(jù)調(diào)查結(jié)果統(tǒng)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)行的車輛中，貨車占交通總量的44.7%，其中兩軸貨車占貨車總量的43.5%，五軸、六軸重載貨車占貨車總量的43.9%。

4)根據(jù)重載交通實(shí)際調(diào)查結(jié)果，與公路-Ⅰ級汽車荷載進(jìn)行對比分析，分別計(jì)算在不同跨徑下簡支梁與連續(xù)梁的最大彎矩作用效應(yīng)，得出現(xiàn)行公路-Ⅰ級汽車荷載明顯偏小。當(dāng)跨徑小于等于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車荷載提高至1.3倍左右；當(dāng)跨徑大于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車荷載提高至1.2倍左右。

[1] 童樂為,沈祖炎,陳忠延.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J].土木工程學(xué)報(bào),1997,30(5):20-27. Tong Lewei,Shen Zuyan,Chen Zhongyan.Fatigue load spectrum for urban road bridges[J].China Civil Engineering Journal,1997,30 (5):20-27.

[2] 王春生,陳惟珍,陳艾榮.老齡鋼橋工作狀態(tài)模擬與疲勞壽命[J].橋梁建設(shè),2003(5):5-8. Wang Chunsheng,Chen Weizhen,Chen Airong.Serviceability simulation and fatigue life of aged steel Bridge[J].Bridge Construction,2003(5):5-8.

[3] 王榮輝,池春,陳慶中,等.廣州市高架橋疲勞荷載車輛模型研究[J].東南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32 (12):94-96. Wang Ronghui,Chi Chun,Chen Qingzhong,et al.Study on the model of the fatigue-loaded vehicles in Guangzhou trestle bridges [J].Journal of South China University of Technology:Natural Science,2004,32 (12):94-96.

[4] 王碩.橋梁運(yùn)營荷載狀況研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2007. Wang Shuo.Study on Load Condition for In-Service Bridges[D].Shanghai:Tongji University,2007.

[5] JTG D 60—2004 公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2004. JTG D 60—2004 General Code for Design of Highway Bridges and Culverts [S].Beijing:China Communications Press,2004.

Investigation of Vehicle Loads on Expressway Bridge under Special Circumstances

Zhao Chuan1,2, Dou Yuanming1,2, Sun Jishu1,2

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China； 2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, China)

The bridge collapses continuously occurred recent years in many provinces. It produced all kinds of fatigue problems when the overloading vehicles frequently passed through the bridge. In combination with the key highway bridges in service in Hebei province, the overloading vehicles load spectrum was monitored. Through the traffic investigation，high frequency vehicle model, the distribution of vehicles flow, the vehicle’s own properties (wheelbase, axle load) and so on were statistically analyzed. According to the principle of equivalent fatigue damage, the model of 5 kinds of daily operation vehicle load was deduced based on the measured data and the fatigue loading spectrum was established. To compare with highway-I automotive design load effect, it is concluded that when the span is less than or equal to 25 m, its vehicle load should be increased to about 1.3 times; When the span is longer than 25 m, its vehicle load should be raised to about 1.2 times.

bridge engineering; overload vehicle; load spectrum; the fatigue damage equivalent principle; traffic investigation; expressway bridge

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.04

2014-01-15；

2014-05-21

河北省交通運(yùn)輸廳資助項(xiàng)目(Y-2012046)

趙 川(1986—)，男，河北豐潤人，博士研究生，主要從事橋梁結(jié)構(gòu)理論及試驗(yàn)方面的研究。E-mail：zcsunshine@yeah.net。

U441

A

1674-0696(2015)02-015-05