趙 川，竇遠(yuǎn)明，孫吉書(shū)

(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(chē)輛荷載探討

趙 川1,2，竇遠(yuǎn)明1,2，孫吉書(shū)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(duì)近年來(lái)各省連續(xù)發(fā)生多起橋梁垮塌事件，重載車(chē)輛頻繁駛過(guò)橋梁的過(guò)程容易使橋梁產(chǎn)生各種疲勞問(wèn)題。結(jié)合河北省高速公路在役重點(diǎn)橋梁進(jìn)行重載車(chē)輛荷載譜監(jiān)測(cè)，通過(guò)交通量調(diào)查，統(tǒng)計(jì)分析出現(xiàn)頻率較高的車(chē)輛模型、車(chē)流量的分布、車(chē)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(cè)的5種日常營(yíng)運(yùn)重載車(chē)輛荷載模型，建立疲勞荷載譜。通過(guò)與公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載作用效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比，得出當(dāng)跨徑小于等于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車(chē)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(chē)荷載提高至1.2倍左右。

橋梁工程；重載車(chē)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(guó)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展，交通量迅猛增長(zhǎng)，重載車(chē)輛數(shù)量不斷增多，車(chē)輛荷載產(chǎn)生了巨大的變化。近年來(lái)，隨著超載現(xiàn)象的大幅度增加，我國(guó)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(duì)重載交通下橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和安全運(yùn)營(yíng)的關(guān)注。

車(chē)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(chē)輛荷載十分復(fù)雜，它與交通量、車(chē)速、車(chē)型、軸距、軸重、一般運(yùn)行狀態(tài)、密集運(yùn)行狀態(tài)、橋長(zhǎng)及車(chē)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(chē)輛荷載模型，必須對(duì)以上參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的現(xiàn)場(chǎng)統(tǒng)計(jì)調(diào)查。童樂(lè)為，等[1]對(duì)上海市內(nèi)環(huán)線中山路3號(hào)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(chē)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(duì)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(guó)高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)車(chē)輛荷載模型。

筆者通過(guò)對(duì)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(chē)型、不同載重等級(jí)車(chē)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(chē)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(yíng)提供理論依據(jù)。

1 河北省高速公路車(chē)輛荷載形式

我國(guó)車(chē)輛種類繁多，車(chē)型復(fù)雜，因此對(duì)各類車(chē)輛的尺寸、車(chē)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(chē)輛繁多、復(fù)雜，以及對(duì)公路橋梁損傷的影響程度，本次車(chē)輛荷載調(diào)查以重載貨車(chē)為主。為了統(tǒng)計(jì)得出適合我國(guó)國(guó)情的高速公路車(chē)輛荷載，采用人工觀測(cè)法和攝影法相結(jié)合的方法，對(duì)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(guó)重新制定的汽車(chē)分類標(biāo)準(zhǔn)GB/3730.1—2001《汽車(chē)和掛車(chē)類型的術(shù)語(yǔ)和定義》及GB 1589—2004《道路車(chē)輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限制》對(duì)在河北省高速公路上出現(xiàn)頻率較高的車(chē)型進(jìn)行歸納總結(jié)，其常見(jiàn)車(chē)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(shuō)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(chē)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(chē)輛模型；②各種車(chē)輛模型的分布；③車(chē)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(chē)輛。然后將車(chē)輛技術(shù)手冊(cè)中查閱的車(chē)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(chē)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(jiàn)的通知》(交公路發(fā)〔2005〕492號(hào))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(chē)輛軸重均為實(shí)測(cè)值，軸型和軸組類型均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定記錄。

2.2 調(diào)查結(jié)果與分析

通過(guò)對(duì)某路段連續(xù)24 h觀測(cè)，單向通行車(chē)輛總數(shù)為10 407輛，其中兩軸以上貨車(chē)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(chē)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(chē)車(chē)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(chē)和六軸重載貨車(chē)所占比重較大，其中兩軸貨車(chē)占到貨車(chē)總量的43.5%；六軸重載貨車(chē)占到貨車(chē)總量的38.6%。其實(shí)際運(yùn)營(yíng)的重載車(chē)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(chē)加多輛標(biāo)準(zhǔn)車(chē)的形式。通過(guò)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(chē)輛荷載譜推導(dǎo)

由于公路橋梁車(chē)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(chē)、大客車(chē)以及小貨車(chē)對(duì)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(jiǎn)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(chē)輛荷載譜。

將公路上出現(xiàn)頻率較高的車(chē)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(chē)型合并為一種模型車(chē)輛。依據(jù)Miner準(zhǔn)則，遵循疲勞損傷累積相等的原則對(duì)軸重進(jìn)行等效換算。即：

Wej=(∑fiWij3)1/3

(1)

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

以同類車(chē)型中每輛車(chē)出現(xiàn)的相對(duì)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(chē)輛的各個(gè)軸距。即：

(2)

式中：Aj為模型車(chē)輛的第j個(gè)軸距；fi為同一類車(chē)中第i類車(chē)出現(xiàn)的相對(duì)頻率；Aij為同類車(chē)中第i輛車(chē)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(chē)輛荷載譜。推導(dǎo)過(guò)程較為繁瑣，為了便于推導(dǎo)，將出現(xiàn)少量車(chē)型的貨車(chē)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(chē)輛分類統(tǒng)計(jì)表、軸重、軸距統(tǒng)計(jì)值見(jiàn)表2～表4。

表2 模型車(chē)輛統(tǒng)計(jì)分類

Table 2 Statistical classification of model vehicle

表3 重載車(chē)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(chē)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(chē)輛荷載譜

(續(xù)表5)

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

4 重載車(chē)輛荷載與公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載比較

筆者以河北省高速公路最常見(jiàn)的簡(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋計(jì)算為例，通過(guò)實(shí)際調(diào)查，考慮在密集運(yùn)行狀態(tài)下(堵車(chē)狀態(tài)下)，以表5中實(shí)際運(yùn)行模型車(chē)輛的彎矩效應(yīng)值與公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)荷載的彎矩效應(yīng)值的比值為分析對(duì)象，分別計(jì)算在不同跨徑下實(shí)際運(yùn)營(yíng)的重載交通車(chē)輛荷載與公路-Ⅰ級(jí)汽車(chē)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(jí)汽車(chē)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(jiǎn)支梁橋和連續(xù)梁橋?yàn)橹?，?shí)際車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(guó)高速公路上的重載車(chē)輛逐漸增多，近期高速公路上已出現(xiàn)240 t的重載汽車(chē)。因此亟需對(duì)我國(guó)高速公路車(chē)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(guò)對(duì)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(cè)的日常運(yùn)營(yíng)重載車(chē)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(chē)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(chē)輛中，貨車(chē)占交通總量的44.7%，其中兩軸貨車(chē)占貨車(chē)總量的43.5%，五軸、六軸重載貨車(chē)占貨車(chē)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(jí)汽車(chē)荷載進(jìn)行對(duì)比分析，分別計(jì)算在不同跨徑下簡(jiǎn)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(jí)汽車(chē)荷載明顯偏小。當(dāng)跨徑小于等于25 m時(shí)，應(yīng)將其汽車(chē)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(chē)荷載提高至1.2倍左右。

[1] 童樂(lè)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(chē)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(yíng)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(rùn)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