高速公路橋梁在交通荷載作用下的動力響應(yīng)統(tǒng)計與分析

王 濤，韓萬水，黃平明

(長安大學(xué) 橋梁與隧道陜西省重點(diǎn)實(shí)驗室，西安 710064)

交通荷載現(xiàn)場觀測調(diào)查是確定新橋設(shè)計荷載、橋梁時變可靠性分析、既有橋梁剩余壽命預(yù)測、極限承載能力計算以及隨機(jī)車流的仿真模擬等的重要研究基礎(chǔ)之一。為了確定我國的公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載，并為編制《公路橋涵荷載規(guī)范》及有關(guān)的設(shè)計規(guī)范，建國以來開展了兩次實(shí)際交通荷載觀測，第一次實(shí)際交通荷載觀測是在20世紀(jì)60年代開展的，主要針對中小跨徑橋涵結(jié)構(gòu)，成為制定85規(guī)范的主要依據(jù)，第二次交通荷載觀測是20世紀(jì)90年代在四條國道重點(diǎn)采集一個主要行車道上的交通流的車列數(shù)據(jù)，采集時間為白天12 h時間內(nèi)連續(xù)測試。這一次的觀測內(nèi)容較為全面細(xì)致，對車重、軸重、車輛到達(dá)時間間隔以及車輛間距等參數(shù)進(jìn)行了統(tǒng)計并確定了其分布類型，所采集到的數(shù)據(jù)基本反映了我國20世紀(jì)90年代車輛荷載的統(tǒng)計特點(diǎn)，也成為我國現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范的主要依據(jù)[1].

但是，隨著汽車工業(yè)和交通運(yùn)輸事業(yè)的迅猛發(fā)展，國、省道全面向高速公路的轉(zhuǎn)變，以及許多地區(qū)伴隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展出現(xiàn)了大量的車輛超載現(xiàn)象，這些因素使得車輛荷載的分布特征較以往發(fā)生了很大的變化。20世紀(jì)90年代車輛荷載特征已經(jīng)完全不能代表目前車輛荷載特征。

在高速公路交通荷載觀測方面，目前仍注重對車重參數(shù)的調(diào)查與統(tǒng)計分析[2－5]，而對高速公路交通荷載的車速、車時距、車間距、車輛行駛車道、橫向位置等參數(shù)調(diào)查方面基本都屬于空白。

因此，選擇一條高速公路開展實(shí)時、系統(tǒng)全面的交通荷載觀測，對于了解高速公路行車特征，確定高速公路的各關(guān)鍵參數(shù)都具有非常重要的意義。

本文采用超聲波測速儀、錄像機(jī)及橋梁動態(tài)測試儀同人工記錄相結(jié)合的方法對西寶高速公路交通荷載各要素進(jìn)行24 h連續(xù)、全面調(diào)查，記錄的數(shù)據(jù)包括車型、車速、行駛車道、車輛到達(dá)時間以及每輛過橋車輛引起的橋梁動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)。本文著重對本次調(diào)查的動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，了解正常交通荷載作用下的橋梁動位移響應(yīng)特征，并為隨后的車重識別研究打下堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1 高速公路交通荷載調(diào)查[6]

1.1 交通荷載調(diào)查方法的確定

本次交通荷載調(diào)查采用雷達(dá)測速儀(圖1)、錄像機(jī)及橋梁動態(tài)測試儀(圖2)同人工輔助記錄相結(jié)合的方式進(jìn)行全天24 h連續(xù)交通荷載觀測調(diào)查，超聲波測速儀對通過橋梁的車輛進(jìn)行車速的即時采集，錄像機(jī)可以記錄過橋車輛的到達(dá)時間、車型、車輛橫向所行駛車道及位置。8通道的橋梁動態(tài)測試儀可以獲得車輛通過時觀測橋梁關(guān)鍵部位的振動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)。交通荷載調(diào)查分析流程如圖3所示。

圖1 雷達(dá)測速儀Fig.1 Radar speed gun

圖2 動態(tài)測速儀Fig.2 Dynamic strain tester

圖3 隨機(jī)車流調(diào)查分析流程圖Fig.3 Analytical process chart of vehicle flow investigation

整個交通荷載調(diào)查方法所需儀器簡單便攜、所需人員少，且能夠較為精確、全面的得到過往車輛的車型、占有率、車道、車速及車輛到達(dá)時間等數(shù)據(jù)。

1.2 交通荷載調(diào)查橋梁的選取

為了使此次高速公路交通荷載觀測具有典型和代表性，選擇西寶高速為觀測對象。西寶高速是國家高速公路網(wǎng)規(guī)劃中橫向線連云港至霍爾果斯高速公路在陜西境內(nèi)的重要組成部分，也是西北地區(qū)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)最高、通行能力最大的現(xiàn)代化交通基礎(chǔ)工程。此次調(diào)查橋梁為雙幅4×16 m簡支梁，選擇西安至寶雞方向的一幅，調(diào)查時間為24 h不間斷交通流量觀測?，F(xiàn)場調(diào)查橋梁概況與測試斷面布置如圖4所示。

圖4 隨機(jī)車流調(diào)查實(shí)橋概況及測試斷面示意圖Fig.4 Investigation bridge situation and testing section

考慮到高速公路車流基本行駛于超車道和行車道之上，靠外側(cè)的緊急停車帶基本無車流，故而選取調(diào)查測試斷面中位于超車道和行車道的受力較為明顯的8片梁為動力響應(yīng)測試梁，在第一跨跨中位置各梁底架設(shè)機(jī)電百分表采集每個過往車輛對橋梁產(chǎn)生的動位移響應(yīng)信號數(shù)據(jù)，圖5為采集測點(diǎn)布置圖。

圖5 調(diào)查實(shí)橋測試斷面及測點(diǎn)布置示意圖Fig.5 Testing point layout diagram in bridge testing section

1.3 車型分類

在本次交通荷載調(diào)查中發(fā)現(xiàn)總共有17種不同車型，且同類型車輛的軸重及軸距也不全一致。本文查閱大量的車型手冊資料，得到各種車型的多種車輛軸重、軸距等參數(shù)，根據(jù)各車型出現(xiàn)的頻數(shù)進(jìn)行加權(quán)平均，然后選取與各參數(shù)的加權(quán)平均值最為接近的車型為該車輛類型的代表車型，同時結(jié)合高速公路管理部門車型劃分標(biāo)準(zhǔn)，對比調(diào)查中出現(xiàn)的車型，結(jié)合車輛軸數(shù)、輪數(shù)、軸距、軸重、車重等數(shù)據(jù)，將高速公路車輛荷載劃分為五大類，共12小類。具體各種車型種類、軸距、軸重等參數(shù)見表1。

2 橋梁動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

本次調(diào)查連續(xù)采集得到24 h共5 650輛車通過時8片梁的動位移時間歷程曲線，圖6是現(xiàn)場采集的一重一輕兩個典型車輛過橋時的動位移響應(yīng)時間歷程曲線。每個過橋車輛引起的橋梁動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)都能與其車型、車速等參數(shù)一一對應(yīng)。

圖6 典型車輛實(shí)測動響應(yīng)時間歷程曲線Fig.6 Typical vehicle dynamic response time history curve

由圖6可以看到每輛車都會產(chǎn)生與8片梁相對應(yīng)的動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)曲線，由于車輛橫向位置隨機(jī)，所以每條動位移響應(yīng)曲線峰值大小都不一樣。因此可將動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)按梁體分類進(jìn)行統(tǒng)計分析，也可將動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)與交通荷載調(diào)查中車輛車型一一對應(yīng)以后，按車型分類進(jìn)行更為詳盡的統(tǒng)計分析。以下部分將詳細(xì)介紹測試梁體在交通荷載作用下的動位移響應(yīng)統(tǒng)計特征。

2.1 總動位移響應(yīng)樣本統(tǒng)計分析

從采集的交通荷載樣本中遴選出所有單車過橋車輛產(chǎn)生的動位移響應(yīng)極值數(shù)據(jù)，按8片不同梁體進(jìn)行分類統(tǒng)計分析，圖7顯示的是各片梁在所有交通荷載作用下的動位移響應(yīng)極值數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖。

從圖7上可以看出動響應(yīng)數(shù)據(jù)大致聚集有三個波峰。以3#梁統(tǒng)計圖為例，一個波峰響應(yīng)值在0.06 mm附近，一個波峰在0.4 mm附近，一個波峰在1.0 mm附近。這說明總體上看梁體動響應(yīng)極值統(tǒng)計規(guī)律顯現(xiàn)出三峰分布特性，車重與橋梁響應(yīng)極值雖不是嚴(yán)格線性比例關(guān)系，但也是正相關(guān)的，由此說明車重參數(shù)也將呈現(xiàn)三峰分布特性，這與實(shí)際調(diào)查中車流大致由輕型車輛、一般貨運(yùn)車輛和重型貨運(yùn)車輛組成基本相符。

表1 調(diào)查車型分類及參數(shù)說明圖表Tab.1 Vehicle type classification in this survey

圖7 各梁所有車輛動響應(yīng)值統(tǒng)計頻方圖Fig.7 Statistics histogram of all vehicle response of each beam

將各梁的動位移響應(yīng)極值數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計，得出各自的均值和方差等，圖8給出各梁響應(yīng)極值樣本均值橫向分布示意圖?？梢钥闯鼍底畲髮?yīng)的梁號為6、7號梁，位于行車道。由此可以說明，在正常交通荷載作用下，梁式結(jié)構(gòu)橋梁的中間梁體受力較大，尤其是位于行車道而偏超車道的梁體受力最為不利。

圖8 8片梁所有響應(yīng)均值示意圖Fig.8 All response mean diagram of 8 pieces of beams

2.2 各型車的動位移響應(yīng)樣本統(tǒng)計分析

將調(diào)查采集的全部單車過橋的動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)按車型進(jìn)行分類，圖9給出各車型荷載作用下最不利梁體的動位移響應(yīng)極值數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖。

從圖9可以看出，由于轎客類車型空載與滿載車重的差別不大，故其動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律基本呈單峰分布;而貨車類車型尤其大型貨運(yùn)車型的空載車重與滿載車重的差別較大，除個別車型由于采集的樣本數(shù)量少，較難看出其動響應(yīng)的統(tǒng)計規(guī)律外，其余貨車車型動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律基本呈雙峰分布，隨著貨運(yùn)車輛的載重能力的增強(qiáng)，其雙峰分布特性就更明顯。如四型車(小型貨車車型)的空載與滿載的車重差距不是很大，其動響應(yīng)數(shù)據(jù)分布較為緊密，呈現(xiàn)的雙峰較為接近;而十型車(四軸大型貨車)和十二型車(五軸以上的拖掛貨運(yùn)車)的空載與滿載的車重差距較大，就很明顯的呈現(xiàn)雙峰分布特性。

同總樣本一樣，本文還分別統(tǒng)計出各片梁在各車型荷載作用下的動響應(yīng)數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)統(tǒng)計參數(shù)，利用各梁動響應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計均值畫出各車型荷載作用下動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)橫向分布圖，如圖10所示。

圖9 各車型荷載的動位移響應(yīng)極值統(tǒng)計頻方圖Fig.9 Statistics histogram of dynamic response extreme value under each vehicle type

由圖10中可以看出:一型、二型、三型、五型、七型車的動響應(yīng)極值都是出現(xiàn)在5#梁，且位于超車道的2#～5#梁體的動響應(yīng)值比位于行車道的6#～9#梁的動響應(yīng)值大。說明在正常交通荷載狀態(tài)下，這幾型車對位于超車道的梁體影響較大。這與這幾型車的車型與行駛狀態(tài)有關(guān)。這幾型車都是轎客車車型，現(xiàn)場交通荷載調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些車型大多是在超車道行駛的，與動響應(yīng)統(tǒng)計規(guī)律一致。而其他車型都是貨運(yùn)車型，它們動響應(yīng)數(shù)據(jù)的橫向分布規(guī)律較為相同，極值都是出現(xiàn)在位于行車道的6#～8#梁上。說明在正常交通荷載狀態(tài)下，這幾型車對位于行車道的梁體影響較大，這與交通 荷載調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的這幾型車的行駛規(guī)律一致。

圖10 各車型動響應(yīng)均值橫向分布示意圖Fig.10 Transverse distribution diagram of dynamic response under each vehicle type

3 結(jié)論

本文利用動態(tài)測試儀，在高速公路交通荷載調(diào)查中采集了車輛過橋時的梁體動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)，并對得到的總動位移響應(yīng)樣本及按車型分類的動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:

(1)對總動響應(yīng)數(shù)據(jù)按梁片分類統(tǒng)計分析可知:在隨機(jī)車流作用下，位于行車道的6#梁與7#梁承受的荷載作用效應(yīng)最為不利;本次調(diào)查的全部交通荷載的動響應(yīng)數(shù)據(jù)呈現(xiàn)三峰分布特性，由橋梁響應(yīng)極值與車重參數(shù)的正相關(guān)關(guān)系可推知車重參數(shù)也將呈現(xiàn)三峰分布特性。

(2)從各車型的動響應(yīng)數(shù)據(jù)按梁分類統(tǒng)計分析可知:在轎客類車型的隨機(jī)車流作用下，位于超車道的梁體(3#梁、4#梁、5#梁)承受的荷載作用效應(yīng)最為不利;在貨車類車型的隨機(jī)車流作用下，位于行車道的梁體(6#梁、7#梁、8#梁)承受的荷載作用效應(yīng)最為不利。

(3)從各車型最不利梁體的動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知:轎客類車型的動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律基本呈單峰分布;而貨車類車型尤其大型貨運(yùn)車型的動響應(yīng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計規(guī)律基本呈雙峰分布。

經(jīng)此調(diào)查分析了高速公路交通荷載作用下的橋梁動位移響應(yīng)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計規(guī)律以后，能為后期的車橋耦合振動研究及相關(guān)研究(如:車重識別)提供了完全可靠的理論依據(jù)和樣本支持。

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