趙 秋, 陳長俊, 汪文堃

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州　350116)

?

福州市城市橋梁疲勞荷載研究

趙 秋, 陳長俊, 汪文堃

(福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州350116)

通過對福州市城市橋梁交通荷載和運營車輛的裝載情況調(diào)查， 得到由32類日常典型的運營車輛組成的荷載頻值譜， 以及貨運車輛的空載率. 根據(jù)等效疲勞損傷原理將所得到的荷載頻值譜簡化為由6輛疲勞荷載模型組成的具有實用性的荷載頻值譜. 進一步分析得到一輛適宜驗算橋面系構(gòu)件的標準疲勞車輛荷載模型. 所得到的疲勞荷載頻值譜和疲勞車輛荷載模型， 可以供城市鋼橋疲勞損傷驗算參考.

城市鋼橋； 橋梁疲勞； 車輛荷載模型； 荷載頻值譜； 福州市

0　引言

橋梁日復(fù)一日承受著車輛荷載的作用， 在反復(fù)應(yīng)力的作用下， 很容易引起鋼橋的累積損傷， 最終導(dǎo)致疲勞破壞. 基于導(dǎo)致鋼橋疲勞破壞原因， 疲勞荷載不能采用最不利情況下的靜力強度設(shè)計標準活荷載， 而應(yīng)選取具有代表性的、 典型的日常運營車輛荷載. 目前我國對鋼橋疲勞設(shè)計的車輛荷載譜的研究還不夠深入， 具體的分析基本上是參考其他國家的相關(guān)規(guī)范進行. 然而對于國外規(guī)范中所給出的標準疲勞車輛荷載是根據(jù)本國的交通情況所確定， 這樣的車輛荷載跟我國的實際交通荷載情況不符. 近年來， 雖然我國公路橋梁疲勞荷載的研究取得了一些成就， 但針對城市道路橋梁疲勞荷載的研究發(fā)展緩慢. 目前， 有童樂為等[1]、 陳惟珍等[2]和王春生等[3]等對上海市進行了城市道路橋梁疲勞荷載的研究， 以及王榮輝等[4]對廣州市進行了城市道路橋梁疲勞荷載的研究， 但是這些研究均是十年前的成果. 本文通過對福州市城市道路橋梁疲勞荷載進行調(diào)查， 得出適用于福州市城市鋼橋疲勞設(shè)計的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型， 供城市橋梁疲勞驗算參考.

1　疲勞荷載調(diào)查斷面選擇與調(diào)查方法

1.1調(diào)查斷面選擇

福州地區(qū)河水系發(fā)達， 閩江、 烏龍江穿越福州城區(qū)， 兩江之上共有17座橋梁, 使被江分割的城區(qū)連結(jié)在一起. 其中鼓山大橋是一座獨塔自錨式鋼懸索橋， 且沒有對車輛進行特殊限行， 該橋位于福州閩江北港的江面上， 主橋與接線工程南起南二環(huán)路與則徐大道交叉口， 并往東北方向延伸， 分別與林浦路、 南江濱路立體交叉， 而后通過鼓山大橋跨越閩江和江濱大道， 再繼續(xù)跨光明港， 終點止于鰲港路， 接機場高速公路二期國貨互通立交， 鼓山大橋距上游鰲峰大橋約2 500 m， 距下游魁浦大橋約3 000 m. 綜合各方面因素， 選擇鼓山大橋作為疲勞荷載調(diào)查地點.

1.2疲勞荷載調(diào)查方法

采用錄像觀測法進行疲勞荷載的調(diào)查， 即利用錄像機作為便攜式記錄設(shè)備， 通過一定時間段內(nèi)的連續(xù)錄像， 記錄車流量的詳細資料， 并由專業(yè)人員通過錄像對車輛進行分類統(tǒng)計. 調(diào)查內(nèi)容除了統(tǒng)計車輛的類型外， 還需要獲得車輛的軸數(shù)、 軸重和軸距等車輛荷載參數(shù). 根據(jù)現(xiàn)場觀察的車輛類型， 將車輛細分為輕型客車、 中型客車、 大型客車等32小類(用代號V1～V32表示)作為分類統(tǒng)計的依據(jù)， 再根據(jù)《中國汽車車型手冊》[5]獲取各類車的軸型、 軸重和軸距等數(shù)據(jù)， 具體如表1～2所示.

表1　疲勞荷載調(diào)查車輛軸重Tab.1　Axle load of vehicles for investigation of fatigue load　(kN)

注： 表中()里的軸重是空載情況下的車輛軸重

表2　疲勞荷載調(diào)查車輛軸距Tab.2　Wheel base of vehicles for investigation of fatigue load

實際車輛的裝載情況只有兩種情況[6]: 一是空載， 對絕大數(shù)非封閉的車箱， 調(diào)查時可觀察到并加以記錄， 各生產(chǎn)廠家都有統(tǒng)一的基本標準， 每一類別的車輛雖然有不同的車型， 但是它們的車輛軸重和軸距基本上不會有太大的差別. 二是非空載， 包括欠載、 滿載和超載三種情況. 雖然超載屬于交通違章， 但實際上是較普遍存在的， 可以認為各個類別的非空載車輛荷重在滿載的額定值上下波動， 因此作為簡化處理， 對調(diào)查時觀測到的各類非空載車輛按名義上的額定荷重取值， 基本上代表了各類車輛荷重總體上的平均情況. 通過以上的方法所得到的車輛參數(shù)雖然與實際情況有所出入， 但還是適用的.

2　疲勞荷載調(diào)查結(jié)果與分析

對鼓山大橋進行三次連續(xù)觀測和一次復(fù)核觀測. 第一次觀測于2012年8月23日18時至24日12時， 天氣陰天轉(zhuǎn)小雨. 第二次觀測于2012年8月26日16時至27日8時， 天氣晴. 第三次觀測于2012年9月1日9時至19時， 天氣晴. 最后一次復(fù)核觀測于2013年1月26日8時至18時， 天氣晴.

鼓山大橋雙向八車道， 車道編號如圖1所示. 由倉山進入鼓山方向行車道依行車方向由左到右依次為1、 2、 3、 4車道； 由鼓山進入倉山方向行車道依行車方向由左到右依次為5、 6、 7、 8車道. (為了表達簡潔， 下文將倉山進入鼓山方向行車道簡述為進鼓山車道， 鼓山進入倉山方向行車道簡述為出鼓山車道).

2.1空載率調(diào)查

第一次交通調(diào)查過程中， 現(xiàn)場對非封閉車廂比例較大的車型V6、 V7、 V12、 V23進行了空載調(diào)查， 調(diào)查結(jié)果如表3所示. 空載率在33%～49%之間， 平均值為40.89%. 這和日本橋梁交通調(diào)查得到的各類車輛的空車率基本一致[6]. 本文使用40%作為非客車車輛的空載比例.

表3車輛空載率

Tab.3No-load ratio of vehicles

注： 對于V6-V32這 27種車型采用40%的空車比率; V2-V5客運車輛考慮到客車的營運目的全部采用滿載情況

2.2日交通量分析

在第一次共19 h的觀測中， 雙向車輛總數(shù)為43 005輛， V1輕型車輛數(shù)為34 130輛， 占雙向總車輛數(shù)比率的79.36%. 其余31類對鋼橋疲勞損傷有較大影響的車輛總數(shù)為8 875輛， 占雙向總車輛數(shù)比率的20.64%. 其中方向不均系數(shù)為22 190/43 005=0.52. 其余三次觀測的具體結(jié)果如表4所示.

由表4中可以看出方向不均勻系數(shù)基本不變， 這說明進出鼓山的交通量分布較為穩(wěn)定. 在三次觀測中， V1類車輛占總數(shù)的平均值為80.26%， 比其他車輛的總數(shù)還多. 其他類型車輛中貨車和客車居多， 而貨車的車流量是客車的兩倍多， 貨車流量中最主要的還是輕型貨車， 其次是重型貨車， 客車中中型客車占的比例最大. 同時通過調(diào)查表明8:00-10:00和18:00-19:00這兩個時間段是高峰期.

表4觀測結(jié)果數(shù)據(jù)

Tab.4Observed data

以第一次交通調(diào)查為準， 其調(diào)查時段包括了早高峰和晚高峰時段， 而平峰時段的交通量變化不大， 同時結(jié)合三次的調(diào)查數(shù)據(jù)， 根據(jù)各類車輛雙向交通量的比例關(guān)系和《城市道路工程設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于道路通行能力和服務(wù)水平的相關(guān)規(guī)定， 將各類車輛的雙向交通量換算成24 h的雙向交通量， 進而得到各類車輛雙向交通量的構(gòu)成比率， 見表5.

表5車輛荷重和構(gòu)成比例

Tab.5Vehicle load and component ratio

注：n24 h表示24小時雙向車輛總數(shù)；F總表示車輛總荷載

3　標準疲勞車輛荷載模型

3.1簡化的疲勞車輛荷載譜

由于表5所示的車輛荷載譜中車輛種類較多， 不適用于鋼橋的疲勞驗算， 所以需要將其進行簡化并提煉出一組比較實用的車輛荷載頻值譜. 具體方法如下：

1) 對表5中的V2-V32共31種類型車輛重新分類， 將相同軸數(shù)的車輛合并在同一類， 分別對重新確定的每一類建立一種車輛模型. V1類的輕小型客貨車及摩托車， 因總重小于30 kN， 對鋼橋疲勞損傷的影響很小， 可忽略不計， 英國橋規(guī)BS5400[7]也采用了這一處理方法.

2) 按照等效的疲勞損傷原理， 求出每種車輛模型中各個軸的等效軸重， 各個等效軸重之和即為模型車輛的等效軸重， 等效軸重公式為：

(1)

式中： fi為歸在同一類車輛中的第i輛車的相對頻率， 即第i輛車在所有統(tǒng)計車輛中所占的頻值數(shù)(以下類同)； Wij為第i車輛的第j個軸的軸重； Wej為該類車輛模型第j軸的等效軸重.

3) 以歸于同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對頻率為權(quán)數(shù)， 按軸距的加權(quán)平均值求出該類車輛模型的各個軸距， 采用的公式為：

(2)

式中： Aij歸為同一類車輛中的第i輛車的第j個軸距； Aj為該類車輛模型的第j軸距.

按照上述的方法， 將表5中軸數(shù)相同的各類車輛合并， 重新分為六個類別， 并計算出各類車輛模型的參數(shù)， 最終得到對橋梁疲勞損傷有重要作用的六類疲勞荷載模型, 如表6所示. 表6中的車輛荷載按前述分析已考慮了車輛的裝載情況. 其中C2和C3兩種模型雖然都是3軸， 但是C2的前軸和中軸的距離較遠， 而C3的前軸和中軸的距離較近， 在進行鋼橋疲勞驗算時這兩者所產(chǎn)生的應(yīng)力幅值以及應(yīng)計算的循環(huán)數(shù)有較大的區(qū)別， 所以加以區(qū)別分類.

表6　車輛模型荷載頻值譜Tab.6　Frequency value spectrum of model vehicle load

注： 為使得模型車輛的荷載參數(shù)較為簡潔和應(yīng)用上的方便， 車輛的等效軸重均取5 kN的倍數(shù)， 軸距均取100 mm的倍數(shù)；F總表示車輛總荷載；F軸表示軸的荷載;n日交通表示各模型車輛的日交通量

3.2標準疲勞車輛荷載模型

對于橋梁橋面系構(gòu)件， 宜采用單車形式的車輛模型對其進行疲勞驗算， 故可進一步分析表6中的車輛荷載， 最終得到一輛標準疲勞車輛模型. 根據(jù)疲勞累計損傷準則， 由公式(3)按照等效總重計算得到各車型造成疲勞損傷占總損傷的比例， 如表7所示.

(3)

式中: fi為第i種車型的比例； Wei為第i種車型的等效車重； m為表示S-N曲線斜率的參數(shù)， 在此取3.

表7　各車型的疲勞損傷比例Tab.7　Fatigue damage ratio of different vehicle models

注：F等效表示等效車重

從疲勞損傷角度來看， C1、 C4、 C6車型造成的損傷的比例較大， 其中C6最大. 從所占流量比例來看C1最大， 比其他5類車輛的總數(shù)還多. 雖然車型C6造成的疲勞損傷最大但其數(shù)量較少， 還不到總量的1%， 而C1的損傷比例雖比C6小， 但其所占流量比例是C16的20多倍、 C4的30多倍. 綜上所述選擇C1作為標準疲勞車輛荷載參考模型比較合適.

進一步對表6數(shù)據(jù)根據(jù)公式(1)計算得到等效車重為165 kN， 按照C1軸型將該等效車重按比例分配到各軸， 得到標準疲勞車輛荷載模型的各軸軸重. 從而推導(dǎo)出福州市鋼橋的標準疲勞車輛荷載模型如表8所示， 表中與國內(nèi)外的研究成果進行比較分析.

表8　標準疲勞車與國內(nèi)外研究成果對比Tab.8　Comparison of standard fatigue vehicle and research results in domestic and foreign

從表8中可以看出, 對于公路橋梁而言， 由于其交通服務(wù)的性質(zhì)和能力， 所承受的車輛荷載都比較大， BS5400和AASHTO疲勞車總重都在300 kN以上. 而對于城市橋梁來說， 由于城市的特殊性， 通過城市橋梁的車輛荷載要比公路橋梁的小的多， 廣州市高架橋的疲勞累計損傷主要車輛的總重為110 kN， 本文所得到的疲勞車輛模型的總重為165 kN. 從軸距看， 本文兩軸軸距為3.7 m， 而廣州市高架橋軸距為4.4 m， 相比略小些.

4　結(jié)語

1) 對福州市城市橋梁進行交通荷載調(diào)查， 得到了日常運營車輛的疲勞荷載頻值譜. 依據(jù)等效疲勞損傷原理將日常運營車輛簡化為一組由六類疲勞車組成的疲勞荷載譜， 其中C1占日交通量總數(shù)的18.11%， 總重為90 kN， 是考慮疲勞影響車輛中所占比例最高的一類疲勞荷載車.

2) 小于3 t的輕小型客貨車及摩托車占車輛總數(shù)的80.26%， 非封閉車廂貨車空載率在33%～49%之間， 平均值為40.89%.

3) 依據(jù)疲勞損傷累計準則， 確定前軸軸重為55 t， 后軸軸重為110 t， 軸距為3.7 m的疲勞車輛荷載模型為福州城市鋼橋的標準疲勞車輛荷載模型.

[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, 1997, 30(5)： 20- 27.

[2] 陳惟珍, 王春生, 徐磊.上海市外白渡橋剩余壽命與使用安全[J] . 橋梁建設(shè), 2002(2)： 6-10.

[3] 王春生, 陳艾榮, 陳惟珍.鉚接鋼橋剩余壽命與使用安全評估實例[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2006, 34(4): 461-466.

[4] 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]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科版)， 2004, 32(5): 94-96.

[5] 中國汽車工業(yè)總公司, 中國汽車技術(shù)研究中心. 中國汽車車型手冊[M]. 濟南: 山東科學(xué)技術(shù)出版社, 2010.

[6] 日本道路協(xié)會. 鋼道路橋的疲勞設(shè)計指針[M]. 錢冬生， 譯. 東京: 三美印刷株式會社, 1989： 1.

[7] 英國標準協(xié)會. 鋼橋混凝土橋及結(jié)合橋： BS5400[S]. 佚名， 譯. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 1987.

[8] AASHTO．AASHTO LRFD bridge design specifications[S]．Washington： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2007．

(責任編輯： 林曉)

Research on the fatigue load spectrum for steel bridge in Fuzhou

ZHAO Qiu， CHEN Changjun， WANG Wenkun

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

Through investigating the traffic loads of city bridge and loading conditions of vehicle operators in Fuzhou, obtained a load frequency value spectrum which including 32 types of daily vehicle operators and the empty-loading ratio. According to the theory of equivalent fatigue damage, we can simplified the frequency value spectrum to the practical one by 6 consists of the fatigue load models. After further analysis of vehicle load, we can set up a standard fatigue-loaded vehicle model which is suitable for checking component of deck system. This can be used as

for bridge fatigue damage calculation or fatigue design of other steel bridges in Fuzhou.

City steel bridge; bridge fatigue; vehicle model of load; load spectrum; Fuzhou City

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0097

1000-2243(2016)01-0097-07

2014-06-07

趙秋(1976-), 副教授, 工學(xué)博士, 主要從事橋梁工程研究, zhaoqiu@fzu.edu.cn

國家自然科學(xué)基金資助項目(51478120; 51108087)

U448.36

A