劉力源，李 明，秦世英

（1.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護技術(shù)交通行業(yè)重點實驗室，山西 太原 030006；2.山西交通控股集團有限公司 臨汾北高速公路分公司，山西 臨汾 041000；3.山西交通控股集團有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 041000）

公路結(jié)構(gòu)的主要服務(wù)對象是車輛，反過來，這些車輛是造成路面結(jié)構(gòu)損傷的主要因素，也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮的重要因素。車輛的軸重及作用次數(shù)的多少都會影響路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，因為不同輪軸構(gòu)型的車輛每行駛一次都將造成路面結(jié)構(gòu)的變形和損傷。因此，對于路面設(shè)計者和管理者而言，不僅需要掌握交通量的資料，更需要不同大小的軸載在這個車輛組成中所占的比例，即軸載譜的資料[1]。

吉縣至河津高速公路是國道G59呼和浩特至北海的組成部分，同時也是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”的重要組成部分。該路段于2016年9月正式通車。為了深入掌握吉河高速公路的交通軸載狀況，以便于養(yǎng)護管理部門科學(xué)決策，筆者通過實地數(shù)據(jù)采集，對吉河高速的交通軸載譜進行分析研究。

1 數(shù)據(jù)概況及分析方法

本文通過吉河高速河津北收費站調(diào)研了軸載數(shù)據(jù)。調(diào)研數(shù)據(jù)包括：進口和出口收費站的名稱和時間、軸型組成、限重、總重、軸型及軸重信息等。

根據(jù)吉河高速公路建設(shè)管理處提供的交通量數(shù)據(jù)，主要對各車型超限比例、各軸型軸載譜、各斷面累計當量軸次和交通量增長率4個方面進行了分析，具體分析方法如下。

1.1 各車型超限比例

不同類型的車輛作用于路面上對路面結(jié)構(gòu)的損壞程度也各不相同。在交通荷載的統(tǒng)計分析時，需要將車型加以區(qū)分。這需要結(jié)合具體的數(shù)據(jù)庫進行分類，一般來說，1～4分別代表一型客～四型客，11～15分別代表一型貨～五型貨，21～22分別代表一型集裝箱～二型集裝箱[2]。分類完成后，計算車型比例、超限車比例、超限車平均超限率。具體計算方法如下[3]：

a）車型比例 由各車型的交通量除以所有車型的總交通量得出。

b）超限車比例 對各車型先分別統(tǒng)計出超限車數(shù)量（即總重超過限重的車輛），再用超限車數(shù)量除以該車型總交通量得出。

c）超限車平均超限率 對于超限車輛，超限率的計算公式為（車貨總重-限載質(zhì)量）/限載質(zhì)量，對所有超限車輛的超限率進行評價即得到超限車的平均超限率。

1.2 各軸型軸載譜

軸載譜是指對一定的軸載類型，軸重位于一定軸重區(qū)間的軸數(shù)量在總軸數(shù)量中所占的百分比[4]。它能從整體上準確地描述軸載的重量及所占的比例。

數(shù)據(jù)庫中包含每輛車的軸型組成及軸重數(shù)據(jù)。輪軸類型主要有9種，軸組類型代碼見表1，幾種典型軸型示意圖見圖1[5]。

表1 軸組類型代碼

圖1 車輛軸型

按照不同的輪軸類型分類，然后對所有軸進行重量的統(tǒng)計，按照軸型歸類得到各類軸的軸載譜。

1.3 各斷面累計當量軸次

a）根據(jù)數(shù)據(jù)庫中車輛的進出口站名，整理出屬于每個路段的交通量信息。數(shù)據(jù)庫中雙向交通均包括，本次數(shù)據(jù)處理首先將雙向交通統(tǒng)一處理，得到斷面交通量。

b）分路段處理軸組信息，得出軸型和軸重一一對應(yīng)的數(shù)據(jù)。并分軸型統(tǒng)計得出軸載譜數(shù)據(jù)和軸載譜圖。

c）累計當量軸次換算參考現(xiàn)行規(guī)范，按式（1）計算。

式中：N為標準軸載的當量軸次，次；ni為被換算車型的各級軸載作用次數(shù)，次；P為標準軸載，kN；Pi為被換算車型的各級軸載，kN；C1為被換算車型的軸數(shù)系數(shù)；C2為被換算車型的輪組系數(shù)；K為被換算車型的軸載級別。

當軸間距大于3 m時，應(yīng)按單獨的一個軸載計算；當軸間距小于3 m時，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)換公式（2）計算。

式中：m為軸數(shù)。

d）根據(jù)道路基本信息和方向系數(shù)，換算得出各路段單車道累計當量軸次。

1.4 標準軸次增長率

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是以BZZ-100為標準軸載進行軸載換算，求出標準軸載的當量軸次，以交通量增長率為參數(shù)，計算設(shè)計年限內(nèi)累計當量軸次，并進行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計。在此進行標準軸次交通量增長率的計算[6]。

根據(jù)交通量增長率的概念，第一年交通量為N1，第T年交通量NT為：

對式（3）兩邊取對數(shù)處理，結(jié)果如式（4）：

式（4）中，由于 γ 為定值，則 lg（1+γ）為常數(shù)，同時lgN1也為常數(shù)，故lgNT與（T-1）為線性關(guān)系，由此，令：

根據(jù)交通量資料及上式進行回歸分析，可求得回歸系數(shù)A、B；再由B值求得交通量增長率γ。根據(jù)3年的累計當量軸次即可計算出增長率。

2 調(diào)研結(jié)果

按照第1節(jié)介紹的方法對吉河高速的軸載狀況進行統(tǒng)計分析，下文分別從重貨車超限狀況、各軸型軸載譜、累計當量軸次3方面以此進行分析。

2.1 重貨車超限狀況

2.1.1 車型比例

表2是統(tǒng)計得到的吉河高速一周內(nèi)通車的各車型數(shù)量，客1是指7座以下的小轎車，客2是指8～9座的小客車，客3是指20～39座的中型客車，客4是指40座以上的大型客車。貨1是指車重在2 t以下的小貨車，貨2是指車重在2～5 t的貨車，貨3是指車重在5～10 t的貨車，貨4是指車重在10～15 t的貨車，貨5是指車重在15 t以上的大貨車。貨5即為重貨車，對重貨車在所有車型中所占的比例進行統(tǒng)計，如圖2所示。從圖2中可以看出，吉河高速的重貨車比例較高，在一周的統(tǒng)計周期內(nèi)，重貨車比例分布在40%～60%之間。

表2 各車型數(shù)量

圖2 重貨車比例

2.1.2 超限車比例

我國規(guī)定的各軸型的限載值如表3所示。

表3 我國規(guī)定的各軸型限載值 kN

對各車型先分別統(tǒng)計出超限車數(shù)量（即總重超過限重的車輛），再用超限車數(shù)量除以該車型總交通量得出超限車比例，如圖3所示。從圖中可以看出，在一周的統(tǒng)計周期內(nèi)，吉河高速的重車超載率很高，最低超載率為66.67%，最高超載率達到89.64%。

圖3 超限車比例

2.1.3 超限車平均超限率

超限車平均超限率的計算公式為（車貨總重-限載質(zhì)量）/限載質(zhì)量，對所有超限車輛的超限率進行平均即得到超限車的平均超限率。在一周的統(tǒng)計時間內(nèi)，吉河高速的平均超限率如圖4所示。從圖中看出，平均超限率在10%～15%之間。

圖4 超限車平均超限率

2.2 各軸型軸載譜

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，吉河高速所行駛的貨車的軸型有4種，分別是單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪，如圖5所示。

圖5 吉河高速的貨車軸型種類

對各軸型的軸載譜進行統(tǒng)計分析，如圖6～圖9所示。

圖6 單軸單輪軸載譜

圖7 單軸雙輪軸載譜

圖8 雙軸雙輪軸載譜

圖9 三聯(lián)軸雙輪軸載譜

從圖中可以看出，單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪這3種軸載譜可以用兩個正太分布加權(quán)和的雙峰型概率分布表征[7-8]。

擬合結(jié)果如表4～表6，圖10～圖12。

圖10 雙軸雙輪擬合結(jié)果圖

表4 雙軸雙輪擬合參數(shù)

圖11 三聯(lián)軸雙輪擬合結(jié)果圖

表5 三聯(lián)軸雙輪擬合參數(shù)

圖12 單軸雙輪擬合結(jié)果圖

表6 單軸雙輪擬合參數(shù)

從擬合結(jié)果來看，單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪的軸載譜均可以用雙峰正太分布模型表征，并且擬合優(yōu)度很高，這可以為吉河高速的交通軸載譜預(yù)測提供幫助。

2.3 計算累計當量軸次

根據(jù)2.2中得到的軸載譜，按照1.3中的計算方法計算初始年和設(shè)計年限內(nèi)的累計當量軸次，設(shè)計年限按照15年計算。計算結(jié)果如表7和表8所示。

表7 初始年的累計當量軸次

表8 設(shè)計年限內(nèi)的累計當量軸次

根據(jù)表8，分別按照設(shè)計年限15年和50年，計算交通增長率分布范圍為6.5%～20%內(nèi)的累計當量軸次，并繪制圖13。

圖13 累計當量軸次隨交通增長率變化的變化趨勢

從圖中可以看出，在設(shè)計年限15年內(nèi)，當交通增長率為6.5%時，吉河高速的累計當量軸次為3×108次，這一數(shù)值為偏低水平。從軸載譜的分布規(guī)律來看，重軸所占頻率都較小。可以判定吉河高速目前的交通量屬于輕交通級別。

3 結(jié)論

a）本文分析了吉河高速的重貨車超載狀況：吉河高速的重貨車比例較高，在一周的統(tǒng)計周期內(nèi)，重貨車比例分布在40%～60%之間；吉河高速的重車超載率很高，最低超載率為66.67%，最高超載率達到89.64%；吉河高速的平均超限率在10%～15%之間。

b）本文針對吉河高速的主要軸型，統(tǒng)計各軸型頻次，得出了各軸型軸載譜，從軸載譜的分布規(guī)律來看，重軸所占頻率都較小。

c）本文提出了可以表征單軸雙輪，雙軸雙輪，三聯(lián)軸雙輪軸載譜的雙峰正太分布模型，這可以為吉河高速的交通軸載譜預(yù)測提供幫助。

d）根據(jù)軸載譜，計算得到吉河高速初始年和設(shè)計年限內(nèi)的累計當量軸次，雖然重車比例以及超載率較高，但由于交通量目前較低，因此當前吉河高速的交通量屬于輕交通級別。