魏漢鋒

(廣東省佛開(kāi)高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車(chē)道橋梁交通荷載特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

魏漢鋒

(廣東省佛開(kāi)高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車(chē)道公路橋梁各行駛車(chē)道的車(chē)流和荷載特性分布具有顯著的差異性,由這些差異性引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性應(yīng)是橋梁管養(yǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)某單向4車(chē)道高速公路實(shí)測(cè)的WIM數(shù)據(jù),分析其運(yùn)營(yíng)階段的交通荷載特性,及在實(shí)際車(chē)流荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)。研究結(jié)果表明：不同行駛車(chē)道的車(chē)型分布具有顯著差異性,90%以上的貨車(chē)偏向于外側(cè)兩個(gè)車(chē)道行駛；車(chē)輛總重和軸重水平較規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有明顯的提高；各行駛車(chē)道隨機(jī)車(chē)流產(chǎn)生的荷載效應(yīng)最大值基本大于規(guī)范值,外側(cè)車(chē)道上荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)超車(chē)道,說(shuō)明目前規(guī)范基于車(chē)道荷載獨(dú)立同分布的假定與實(shí)際情況不相符,車(chē)輛荷載模型已無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估要求,建議修正。

多車(chē)道；車(chē)流分布；荷載特性；WIM；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；運(yùn)營(yíng)情況

0 引言

多車(chē)道高速公路具有良好的車(chē)輛通行能力,能夠高效地集散車(chē)流,同時(shí)給予車(chē)輛更多的車(chē)道選擇,在我國(guó)交通事業(yè)日益發(fā)展的今天,多車(chē)道高速公路越來(lái)越受到青睞。這種多車(chē)道斷面形式使得車(chē)流橫向分布特征明顯,相應(yīng)的荷載特性隨時(shí)間和空間變化顯著,以往規(guī)范中對(duì)各車(chē)道車(chē)流獨(dú)立同分布的假設(shè)已不再成立。同時(shí),近年來(lái),我國(guó)高速公路上的超載現(xiàn)象嚴(yán)重,車(chē)輛荷載變異愈加顯著,這使得高速公路上橋梁的評(píng)估已不適合繼續(xù)沿用傳統(tǒng)規(guī)范中的車(chē)輛荷載,利用橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載來(lái)研究既有橋梁的運(yùn)營(yíng)情況是形勢(shì)所趨。

基于此,選取國(guó)內(nèi)某高速公路的兩個(gè)典型斷面,利用WIM設(shè)備測(cè)得的車(chē)流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該高速公路斷面形式為雙向8車(chē)道,車(chē)道分布及WIM設(shè)備布置情況如圖1所示。研究將分析同向行駛的4車(chē)道車(chē)流空間分布規(guī)律及其荷載特性,在此基礎(chǔ)上,討論特定地點(diǎn)橋梁評(píng)估應(yīng)用實(shí)際車(chē)流荷載的必要性,同時(shí)為單向4車(chē)道高速公路的整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)及管理提供借鑒。

1 車(chē)流荷載特性及其空間分布

為討論公路橋梁運(yùn)營(yíng)階段的車(chē)流特征,以便準(zhǔn)確建立能夠反映實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)的荷載模型,首先需實(shí)測(cè)得到背景公路斷面的車(chē)輛數(shù)據(jù),分析當(dāng)

圖1 車(chē)道傳感器布置圖

1.1 車(chē)型組成分析

目前,我國(guó)道路上實(shí)際運(yùn)行車(chē)輛種類(lèi)繁多,各種車(chē)型的載重能力差異較大,導(dǎo)致汽車(chē)荷載差別不可忽略。對(duì)于單個(gè)車(chē)輛而言,車(chē)重與其軸數(shù)相關(guān),以軸組類(lèi)型作為劃分車(chē)型的依據(jù),將測(cè)得的車(chē)輛劃為5類(lèi),各軸型車(chē)輛比例見(jiàn)表1所列。由表1可知,輕型客車(chē)(七座以下)數(shù)量較多,2軸車(chē)占的比例相當(dāng)大,其次是6軸和5軸車(chē),其中6軸的重車(chē)數(shù)量比較多,而這類(lèi)車(chē)型對(duì)橋梁的影響也最為顯著。進(jìn)一步,可得到各軸型車(chē)輛對(duì)行駛車(chē)道選擇的傾向性,表2為各軸型車(chē)輛在4車(chē)道上的分布比例。由表2可知,各軸型車(chē)輛有自己慣用的車(chē)道,2軸車(chē)由于質(zhì)量較輕,偏向道路內(nèi)側(cè)超車(chē)道行駛,3軸及以上軸型的車(chē)輛屬于貨車(chē),更傾向道路外側(cè)的慢車(chē)道。各軸型車(chē)輛對(duì)車(chē)道選擇的傾向性導(dǎo)致了多車(chē)道荷載分布的差異。

1.2 車(chē)輛荷載特性

車(chē)重和軸重是描述單個(gè)車(chē)輛荷載特性的參

表1 車(chē)輛軸型分類(lèi)及組成一覽表

表2 車(chē)輛的車(chē)道選擇特性一覽表(單位:%)

數(shù),該類(lèi)參數(shù)與車(chē)型有關(guān)。已知車(chē)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(jì)算荷載效應(yīng),對(duì)于直接承受荷載的橋面板等局部受力構(gòu)件,軸重與軸距的影響則更為顯著。

圖2為實(shí)測(cè)路段車(chē)重與軸重的累計(jì)概率分布圖,并與我國(guó)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)建立車(chē)輛荷載模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以表明實(shí)際的運(yùn)營(yíng)荷載環(huán)境。由圖2可知,在總重累計(jì)概率低于0.7以及軸重累計(jì)概率低于0.6時(shí),同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下實(shí)測(cè)的運(yùn)營(yíng)階段車(chē)重與軸重均較規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏小,這是由于小型客車(chē)比重較大引起的；但當(dāng)總重累計(jì)概率超過(guò)0.9時(shí),所有斷面車(chē)重值均大于規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在相應(yīng)累計(jì)概率水準(zhǔn)下的數(shù)值,車(chē)重遠(yuǎn)大于“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù),說(shuō)明該路段實(shí)際通行車(chē)輛荷載無(wú)論是重車(chē)比例還是車(chē)重水平都較上世紀(jì)90年代初(“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間)明顯提高。

對(duì)單車(chē)車(chē)重和軸重特性的分析可知,當(dāng)前路段的汽車(chē)荷載水平遠(yuǎn)大于“04設(shè)計(jì)規(guī)范”界定的范圍,且對(duì)于中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)而言,單輛重車(chē)對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)起控制作用,在經(jīng)常性重載交通作用下,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(hù)維修成本。

1.3 車(chē)輛到達(dá)特性

車(chē)輛的到達(dá)特性是反映車(chē)流疏密程度的重要指標(biāo),通常以車(chē)頭時(shí)距和車(chē)頭間距來(lái)衡量,車(chē)頭時(shí)距是車(chē)流模型研究的基礎(chǔ),而車(chē)頭間距更能直觀(guān)反映車(chē)流的疏密狀況。圖3為車(chē)頭時(shí)距和車(chē)頭間距的累積分布曲線(xiàn)。

這里同樣沿引“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為比較,以說(shuō)明該路段的車(chē)流密集程度。由圖3可知,在車(chē)頭時(shí)距累計(jì)概率低于0.98時(shí),同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下實(shí)測(cè)路段的車(chē)頭時(shí)距小于“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而當(dāng)超過(guò)以上概率水平時(shí),比規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏大。同時(shí),觀(guān)察車(chē)頭間距分布規(guī)律可知,車(chē)頭間距均較

圖2 總重與軸重累計(jì)概率分布圖

圖3 車(chē)輛到達(dá)特性累計(jì)分布曲線(xiàn)圖

同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的車(chē)頭時(shí)距要大,這與高速公路行車(chē)速度較快有關(guān)。

1.4 車(chē)輛超載分析

近年來(lái),車(chē)輛超載引起的橋梁垮塌事故時(shí)有發(fā)生,由此引發(fā)的交通中斷會(huì)給社會(huì)發(fā)展帶來(lái)較為深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。表3為實(shí)測(cè)運(yùn)營(yíng)的各軸型車(chē)輛的超載統(tǒng)計(jì)。

表3 各軸型超載車(chē)統(tǒng)計(jì)表

從表3的數(shù)據(jù)可以看出：各軸型車(chē)輛中4軸車(chē)的超重比例最大,為45.6%,其次是5軸車(chē)和6軸車(chē),各為41.2%和38.4%。從各車(chē)型的平均超載率方面,最大超載率為6軸車(chē),可見(jiàn)當(dāng)前路段重型貨車(chē)的超載問(wèn)題尤為突出。

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷或破壞的車(chē)輛都是嚴(yán)重超載的車(chē)輛,因此,需要重點(diǎn)關(guān)注嚴(yán)重超載的車(chē)輛。在對(duì)運(yùn)營(yíng)階段汽車(chē)荷載的極端水平進(jìn)行分析,可為危害公路橋梁安全的車(chē)輛載重管控和有關(guān)規(guī)范的修訂提供決策支持。表4為監(jiān)測(cè)路段車(chē)重值最大的5輛車(chē)車(chē)重及超重率。由表4可知,車(chē)重值較大的車(chē)全為6軸車(chē),最大車(chē)重值為179.9 t,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范規(guī)定的通行車(chē)重限值,超重率達(dá)到了227.09%。在加強(qiáng)交通監(jiān)管的同時(shí),應(yīng)建立符合實(shí)際交通情況的車(chē)輛荷載模型,便于高速公路橋梁評(píng)估。

表4 最大車(chē)重及超重率一覽表

2 基于連續(xù)自然車(chē)隊(duì)的汽車(chē)荷載效應(yīng)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證利用實(shí)際運(yùn)營(yíng)荷載來(lái)研究既有橋梁運(yùn)營(yíng)情況的必要性,應(yīng)選取不同跨徑的橋梁結(jié)構(gòu),采用連續(xù)自然車(chē)流進(jìn)行加載,將計(jì)算得到的效應(yīng)值與“04規(guī)范”公路汽車(chē)I級(jí)荷載的效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。該項(xiàng)研究選取跨徑分別為20 m、40 m和60 m的簡(jiǎn)支梁橋進(jìn)行分析,通過(guò)實(shí)測(cè)得到的WIM數(shù)據(jù)對(duì)跨中彎矩效應(yīng)影響線(xiàn)進(jìn)行加載計(jì)算,計(jì)算方法如圖5所示。

圖5 橋梁荷載效應(yīng)計(jì)算圖示

表5為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)跨中彎矩效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù),限于篇幅,僅選擇超車(chē)道和行車(chē)道3為例進(jìn)行分析。從橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)車(chē)道汽車(chē)作用下的效應(yīng)分析結(jié)果上來(lái)看,各個(gè)車(chē)道上出現(xiàn)的最大荷載效應(yīng)均超過(guò)了“04規(guī)范”規(guī)定的車(chē)道荷載標(biāo)準(zhǔn)值。其中,行車(chē)道3在車(chē)隊(duì)荷載作用下的最大效應(yīng)約為規(guī)范效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的3倍；而超車(chē)道的汽車(chē)荷載效應(yīng)也為規(guī)范效應(yīng)值的2倍左右?？傮w車(chē)流荷載響應(yīng)大于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)應(yīng)值,說(shuō)明目前規(guī)范的車(chē)輛荷載模型偏于不安全。此外,總體車(chē)流與各車(chē)道車(chē)流的效應(yīng)比值隨加載長(zhǎng)度的增加而減小,說(shuō)明就車(chē)輛荷載效應(yīng)而言,短加載長(zhǎng)度橋梁更值得關(guān)注。同時(shí),相對(duì)于規(guī)范的承載能力極限狀態(tài),根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算的車(chē)輛荷載效應(yīng)在考慮1.4的分項(xiàng)系數(shù)后,加載長(zhǎng)度為20 m及60 m的橋梁實(shí)測(cè)總體車(chē)流荷載效應(yīng)仍超過(guò)規(guī)范值,兩者效應(yīng)比值分別為2.15和1.83。

表5 簡(jiǎn)支梁跨中彎矩統(tǒng)計(jì)參數(shù)表(單位:kN·m)

由單車(chē)道的效應(yīng)分析同時(shí)可得,對(duì)于多車(chē)道高速公路橋梁,由于不同車(chē)型車(chē)輛具有明顯的車(chē)道選擇特性,采用實(shí)際荷載對(duì)各車(chē)道加載得到的結(jié)果也存在較大的差異。從表5可以看出,對(duì)于不同計(jì)算跨徑橋梁,內(nèi)側(cè)超車(chē)道荷載水平普遍較設(shè)計(jì)規(guī)范偏低,而行車(chē)道3的彎矩效應(yīng)均值約為超車(chē)道的6倍左右,各車(chē)道汽車(chē)荷載水平的分布存在明顯的差異性。因此,建議我國(guó)規(guī)范在對(duì)多車(chē)道效應(yīng)折減的問(wèn)題時(shí),考慮各車(chē)道荷載分布的差異性,可參考?xì)W洲EUROCODE規(guī)范采用不同車(chē)道布置不同荷載的方式。

3 結(jié)論

以某背景高速公路實(shí)測(cè)車(chē)輛荷載為基礎(chǔ),通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)多車(chē)道交通量與車(chē)輛荷載特性、車(chē)輛到達(dá)特性,以及車(chē)輛超載狀況進(jìn)行研究；并利用實(shí)測(cè)車(chē)流荷載數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,將所得效應(yīng)值與規(guī)范荷載效應(yīng)值進(jìn)行比較。得到如下結(jié)論：實(shí)測(cè)車(chē)流數(shù)據(jù)的運(yùn)行密集程度及荷載狀況與規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在較大出入,其中,交通流量有了較大的增長(zhǎng)；采用影響線(xiàn)加載的方式獲得真實(shí)車(chē)流在計(jì)算橋梁上的各項(xiàng)荷載效應(yīng)值,該效應(yīng)值與規(guī)范荷載效應(yīng)值存在較大差異,實(shí)際橋梁運(yùn)營(yíng)狀態(tài)評(píng)估不再適合繼續(xù)使用規(guī)范荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行,同時(shí),鑒于多次道汽車(chē)荷載效應(yīng)分布的差異性,建議綜合考慮各車(chē)道車(chē)流及荷載橫向分布特性,對(duì)各車(chē)道荷載取值大小進(jìn)行界定。

U441+.2

A

1009-7716(2015)09-0186-03

2015-06-11

魏漢鋒(1985-)，男,廣東人,工程師,研究方向：路橋工程。前實(shí)際車(chē)流的組成特性。主要分析內(nèi)容包括：交通量與車(chē)輛荷載特性、車(chē)輛到達(dá)特性,以及車(chē)輛超載等。