張倪健

(上海工程勘察設(shè)計有限公司，上海 200040)

橋梁工程

基于汽車荷載適宜性的公路橋梁設(shè)計方法

張倪健

(上海工程勘察設(shè)計有限公司，上海 200040)

總結(jié)了我國公路橋梁設(shè)計的汽車荷載標準發(fā)展歷程及其研究背景，在我國目前汽車超載和重載問題非常普遍的現(xiàn)實條件下，提出結(jié)合實測汽車荷載信息開展橋梁設(shè)計的思路，探討了不同跨徑橋梁的汽車荷載效應(yīng)分析方法，討論了車輛限載的影響，從而歸納了公路橋梁設(shè)計的汽車荷載適宜標準，為更加準確的橋梁設(shè)計與評估提供參考。

橋梁設(shè)計；汽車荷載；活載標準；安全性

1 我國公路橋梁設(shè)計的汽車荷載標準

汽車荷載反應(yīng)了目前社會上運營車輛的荷載水平和等級，當車輛類型不過，車輛載重完全按照設(shè)計標準時，汽車荷載的標準就是根據(jù)這些運營車輛提取的單個車輛或者一個車隊，我國1989年《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 021-89)中的荷載模型就是通過市場調(diào)研及相關(guān)實測數(shù)據(jù)獲得，其55 t車輛荷載模型就是通過基于市面上運輸?shù)淖畲筝d重車輛確定，其車隊荷載模型中各種噸位的車輛(10 t、15 t、20 t 、30 t、55 t)也都是通過對市場運營車輛載重大量調(diào)查獲取的，代表了當時車輛的載重狀況。

然而，當車輛運輸存在顯著的隨機性時，特別是在市場經(jīng)濟的刺激下，車輛運輸荷載具有很大不確定性，很多原本只能裝載20 t的車輛經(jīng)過各種改裝能夠裝載100 t以上，這使得市面上運輸?shù)能囕v荷載不確定，因此汽車荷載模型不再是根據(jù)荷載本身進行定義，而是根據(jù)汽車荷載對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)進行反演計算，我國2004規(guī)范的汽車荷載模型就是基于這一思路確定。《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60-2004)車輛荷載模型建立采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是北方207、328、305、101四條國道連續(xù)5個白天測量結(jié)果，分一般運營狀態(tài)和密集運營狀態(tài)將實測車輛組成車隊對橋梁結(jié)構(gòu)影響線(簡支梁、連續(xù)梁等)加載計算，通過樣本的K-S檢驗說明了效應(yīng)的截尾分布模型，并以此確定一定保證率水平下(設(shè)計基準期95%最大值保證率)的荷載響應(yīng)作為設(shè)計標準。

隨著我國超載重載問題越來越嚴重，多起因為車輛超載導(dǎo)致的橋梁垮塌事故也驗證了這一點，2007年10月23日包頭市民族東路高架橋引橋垮塌事故由3輛151.05 t, 153.715 t, 151.48 t超載汽車并排序行駛所致，2012年8月24日哈爾濱陽明灘大橋引橋垮塌由4輛149.7 t, 163.6 t, 153.3 t, 18.2 t重車排隊行駛造成，這些事故說明橋梁實際運營的荷載水平已經(jīng)遠遠超過規(guī)范值，因此研究設(shè)計人員已經(jīng)意識到目前橋梁汽車荷載設(shè)計標準對中小橋梁的不適宜性，新版《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG-D60 2015)將原來的車道荷載集中力由5 m 180 kN提高到5 m 270 kN，此外許多地區(qū)橋梁設(shè)計規(guī)范采用更大的荷載標準，以考慮地域貨運的差別。

2 基于實測汽車荷載信息的橋梁設(shè)計

隨著傳感與計算技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展了諸多技術(shù)手段可以獲得橋梁或公路特定地點的荷載信息，其中動態(tài)稱重(Weigh in Motion, WIM)技術(shù)大力發(fā)展。WIM技術(shù)是通過在道路表面埋設(shè)線圈和壓力傳感器，測試經(jīng)過的車輛序列，包含其車重、軸重、車長、軸距、車速等車輛信息和車輛時距、交通流量、車輛跟馳等車流信息。經(jīng)過壓力傳感技術(shù)的發(fā)展，目前的WIM設(shè)備在不同道路狀況和行駛條件下，測試的參數(shù)誤差可達±3%，滿足不同條件下的車輛信息研究，也為適宜的汽車荷載標準提供了研究基礎(chǔ)。

通過WIM系統(tǒng)測試的汽車荷載數(shù)據(jù)，就可以提供該區(qū)域內(nèi)的車輛運輸?shù)幕粳F(xiàn)狀，將車重、軸重、軸距、車速、車輛到達等信息建立數(shù)學(xué)模型，并通過隨機車流模擬仿真任意給定時間內(nèi)的橋梁隨機加載車流，通過車流與橋梁影響線的計算分析，確定任意結(jié)構(gòu)效應(yīng)的荷載響應(yīng)，為汽車荷載標準建立基礎(chǔ)。

2.1 汽車荷載效應(yīng)

汽車荷載針對中小橋梁和大橋顯著不同，由于超載車輛的作用，再加上中小橋梁上能夠排布的車輛數(shù)量不多，因此重車往往控制中小橋梁的設(shè)計，在目前的超載重載情勢下，需要根據(jù)實測車重信息確定合理的汽車荷載車重荷載等級，圖1是某一WIM系統(tǒng)測試的車重數(shù)據(jù)，可以看到車重分布為顯著的多峰特性，且超過100 t以上車重的數(shù)量很多，說明超載非常嚴重。因此對于中小橋梁的設(shè)計，就需要以這些采集的車重數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進行建模，分析橋梁荷載響應(yīng)，并截取荷載效應(yīng)尾部作為橋梁設(shè)計基礎(chǔ)。

圖1 六軸車車重測試分布圖

大跨徑橋梁不利的車輛荷載作用是交通擁堵，因此需要模擬交通擁堵情況下的車輛荷載響應(yīng)，主要方法也是通過WIM測試獲得的車輛數(shù)據(jù)，通過交通仿真分析，引入微觀交通模擬方法，準確地模擬車輛的跟馳、換道等行為，使得復(fù)雜交通環(huán)境下能夠模擬出重車排隊行駛等問題，更加準確地計算分析橋梁荷載響應(yīng)。

2.2 車輛限載問題

由于市場經(jīng)濟的刺激效應(yīng)，車輛超載問題非常嚴重，因而不可能完全按照超載汽車荷載進行橋梁設(shè)計，這將使得超載變得合法合理，會進一步刺激超載問題，是一個惡性社會循環(huán)問題。因此，需要進行車輛限載分析。

車輛限載也是涉及多方面的復(fù)雜問題，如果限載水平較低，則使得車輛通行受到的限制很大，不能發(fā)揮公路的建設(shè)要求；如果限載水平很高，則可能達不到保護橋梁使用壽命的要求。具體的限載噸位，一方面需要根據(jù)橋梁的使用功能確定其日交通量運營水平，另一方面結(jié)合區(qū)域交通特定確定現(xiàn)在噸位，最后根據(jù)橋梁可靠度分析方法，在獲得一致目標可靠度的情況下明確車重限載的合理性。在車輛限載的基礎(chǔ)上，通過前述車流模擬方法，重新計算分析橋梁荷載響應(yīng)。

2.3 基于汽車荷載的橋梁設(shè)計

由于汽車荷載顯著的地域性，需要根據(jù)特定地點獲取的車輛荷載信息，確定合理適宜的汽車荷載設(shè)計標準和等級，為橋梁設(shè)計與評估提供直接的參考。可以預(yù)見，不同的服役交通量、重車水平、限載標準下，橋梁的汽車荷載響應(yīng)也有顯著差別，因此科學(xué)合理的汽車荷載設(shè)計標準，應(yīng)該在考慮諸多影響因素下的結(jié)果，未來的汽車荷載標準應(yīng)該是如下公式

Qk=η1η2…ηmqk

式中：qk是基本的汽車荷載標準，其型式就是目前D60規(guī)范的車輛荷載取值；η1η2…ηm是考慮特定地點特性的各種修正系數(shù)，例如考慮日均服役交通量不同、重車比率差異、限載標準不同等，而Qk則是設(shè)計和評估采用的汽車荷載標準。

3 結(jié) 論

隨著研究與設(shè)計人員對橋梁車輛荷載作用認識的深入，在目前我國車輛超載和重載問題非常普遍的情況下，可以通過深入的橋梁車輛荷載作用分析，改善汽車荷載的設(shè)計標準，為橋梁車輛荷載的設(shè)計與評估提供科學(xué)評估。

[1] 張作勝. 公路橋梁設(shè)計的荷載標準值適用性分析[J]. 湖南交通科技, 2015，(3): 110-114,157.

[2] 劉偉. 從汽車荷載適用性角度研討公路橋梁設(shè)計的方法[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計, 2016，(7): 144-146.

[3] 阮欣, 周軍勇, 石雪飛. 中法高速公路車流及荷載特性對比[J]. 同濟大學(xué)學(xué)報: 自然科學(xué)版, 2013, 41(9): 1392-1397.

Adissertationondesignmethodofhighwaybridgebasedonsuitabletrafficloadstandard

ZHANG Ni-jian

(Shanghai Engineering Survey and Design Co., Ltd., Shanghai 200040，China)

The development of traffic load standard and their research background for bridge design is summarized. Based on the situation of vehicle overloaded and heavy-loaded, a new concept of bridge design based site-specific traffic load information is proposed. The traffic load effects of different bridge span lengths are analyzed and the impact of truck weight limit on load effects is also studied. Finally, the suitable traffic load standard for bridge design are concluded and discussed, which provides much accurate basis for bridge design and assessment.

bridge design;traffic load; live load standard; safety

2017-04-09

張倪健(1990-)，男，江蘇啟東人，助理工程師，從事橋梁設(shè)計與橋梁結(jié)構(gòu)抗震工作。

U442

A

1008-3383(2017)10-0093-02