基于WIM的典型城市橋梁車輛荷載狀況分析

梁 旭， 陳 斌,， 王健偉， 謝 旭， 盧彭真

(1. 杭州市市政設(shè)施監(jiān)管中心， 浙江 杭州 310003； 2. 浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310058；3. 浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 浙江 杭州 310003)

車輛荷載是橋梁承受的主要可變荷載。我國(guó)現(xiàn)行的公路橋梁車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)是在1990年四條國(guó)道干線上五個(gè)白天12 h的交通流車輛數(shù)據(jù)分析的基礎(chǔ)上提出的[1, 2]。但隨著經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，尤其近二十年來汽車工業(yè)和交通運(yùn)輸?shù)难杆侔l(fā)展，道路交通流量不斷大幅增長(zhǎng)，重型車輛大量涌現(xiàn)，使得車輛荷載較以往發(fā)生了很大變化[3, 4]。相關(guān)研究也表明：各地車輛荷載形式眾多，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的地域性[3, 5]。同時(shí)，我國(guó)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[6]也提出了在橋梁評(píng)估時(shí)考慮實(shí)際橋梁交通狀況對(duì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載進(jìn)行修正的要求。而近年來由超重車輛引起的橋梁坍塌事故，更進(jìn)一步提出了調(diào)查實(shí)際車輛荷載狀況的必要性和緊迫性。通過調(diào)查，了解區(qū)域橋梁車輛荷載的實(shí)際狀況，不僅有助于既有橋梁安全性的合理評(píng)估，還有助于制定切實(shí)的超重車輛治理和橋梁安全管理措施。

動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的出現(xiàn)為科研人員和工程師獲取交通車輛數(shù)據(jù)提供了新的途徑。由其獲得的車輛荷載數(shù)據(jù)能全面體現(xiàn)交通流的信息，排除了人為因素的影響，是研究區(qū)域交通狀況，獲取特征車輛荷載的重要依據(jù)。許多學(xué)者就此開展了一系列研究[7～10]，分析車輛構(gòu)成特征、預(yù)測(cè)荷載極值、建立車輛荷載模型、評(píng)估橋梁安全等。本文基于杭州石祥路留石高架的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)采集的交通流和車輛荷載數(shù)據(jù)，通過對(duì)交通流量、車輛構(gòu)成、軸載、車輛總重等進(jìn)行分析，獲取了其概率統(tǒng)計(jì)特性及分布規(guī)律，建立了軸載譜和車輛總重譜，并與相關(guān)規(guī)范進(jìn)行了比較。這些特征車輛荷載的獲取有助于進(jìn)一步開展當(dāng)?shù)貥蛄旱慕Y(jié)構(gòu)可靠性評(píng)估，建立起更加接近實(shí)際情況的交通荷載模型,以提高分析的準(zhǔn)確性。

1 數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)

動(dòng)態(tài)稱重是測(cè)量行駛車輛的動(dòng)態(tài)輪胎受力并計(jì)算相應(yīng)的靜態(tài)車輛重量的過程。車輛動(dòng)態(tài)稱重(Weigh-in-Motion，簡(jiǎn)稱WIM)系統(tǒng)是由一組傳感器和支持儀器組成，用來測(cè)量行駛車輛的出現(xiàn)時(shí)間及其動(dòng)態(tài)輪胎受力，計(jì)算車輛的重量、車速、軸距、車型以及有關(guān)車輛的其他參數(shù)并且處理、顯示和存儲(chǔ)的系統(tǒng)。稱重傳感器是動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)的核心器件，是測(cè)量系統(tǒng)的輸入端。目前在國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用中，主要有彎板式傳感器、壓電石英式傳感器、電容式傳感器、橋式稱重平臺(tái)和光纖式傳感器[11]。

考慮到彎板是一種得到廣泛贊譽(yù)的動(dòng)態(tài)稱重傳感器，在歐盟交通委員會(huì)、美國(guó)聯(lián)邦交通委員會(huì)等組織進(jìn)行的歷次動(dòng)態(tài)稱重產(chǎn)品測(cè)試中均得到良好結(jié)果。因此，本研究的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)采用彎板式傳感器，并由感應(yīng)線圈、高清攝像頭、補(bǔ)光燈及工業(yè)計(jì)算機(jī)等儀器構(gòu)成。系統(tǒng)安裝地點(diǎn)位于杭州石祥路留石高架橋上橋口的兩個(gè)車道上(圖1)，該位置周邊分布有鋼材、食品等諸多物流市場(chǎng)，重車通行頻繁，是大型貨車進(jìn)出城的必經(jīng)之地。通過在橋梁上設(shè)置彎板稱重傳感器，用于動(dòng)態(tài)檢測(cè)車輛的重量信息，在彎板的兩側(cè)設(shè)置線圈車輛檢測(cè)器，用于分離車輛，并配合彎板傳感器檢測(cè)車輛的車道和跨道，以及車速信息等，在路側(cè)設(shè)置數(shù)據(jù)采集控制器，用于接收彎板及線圈信息，并進(jìn)行信息處理，形成被檢測(cè)車輛信息，上傳至控制中心。WIM系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)包含車輛通過時(shí)間、總重、軸重、軸數(shù)、軸組數(shù)、軸距、車型、車道位置、速度、加速度、車牌號(hào)、車牌類型，以及車頭照片，原始數(shù)據(jù)的樣式如圖2所示。需要指出的是受前后線圈距離的影響，系統(tǒng)無法分離車間距小于6 m的兩輛車，而會(huì)錯(cuò)誤的將其計(jì)成一輛車。

圖1 安裝在杭州石祥路留石高架的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)

圖2 動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)采集的原始數(shù)據(jù)

為確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在系統(tǒng)安裝好后需要進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定采用兩輛整車重量分別為19.75 t(二軸車)、30.26 t(三軸車)的卡車,分別以20 km/h、30 km/h、40 km/h、50 km/h、60 km/h、70 km/h、80 km/h的速度在車道上行使通過彎板進(jìn)行測(cè)試。為提高測(cè)試的精度，兩車盡量保存勻速通過，以減少加速或剎車帶來的誤差。從校準(zhǔn)后的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出，系統(tǒng)精度滿足產(chǎn)品質(zhì)量不大于7%的要求，但數(shù)據(jù)誤差并不隨車速的變化而發(fā)生規(guī)律性的變化，呈現(xiàn)出一種無序性。這可能是車輛行駛和傳感器系統(tǒng)的諸多不確定因素導(dǎo)致，需要進(jìn)一步開展研究。

1.2 數(shù)據(jù)處理

從動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)的記錄數(shù)據(jù)可以提取不同車流參數(shù)的統(tǒng)計(jì)。本研究的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)于2012年5月下旬完成安裝并投入使用，截至目前已獲得完整一年的車輛數(shù)據(jù)。為減少數(shù)據(jù)處理工作量，本次選取2012年6月最后兩個(gè)星期(即2012年6月16日至29日)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比。這些數(shù)據(jù)可以反映監(jiān)測(cè)位置的交通狀況和車輛信息。本文的分析將大于等于3 t的車輛視為貨車，并根據(jù)交通部的規(guī)定將總重超過40 t，單軸重超過10 t的視為超載。WIM數(shù)據(jù)的預(yù)處理是數(shù)據(jù)分析之前的重要工作，預(yù)處理將剔除明顯錯(cuò)誤和無意義的數(shù)據(jù)。根據(jù)原始數(shù)據(jù)的分析，本研究主要剔除的數(shù)據(jù)類型有以下幾種：(1)車輛總重GVW值為0的；(2)車輛軸數(shù)少于等于1的；(3)車輛編號(hào)和數(shù)據(jù)完全重復(fù)的；(4)軸距長(zhǎng)度大于車輛長(zhǎng)度的；(5)軸距長(zhǎng)度大于11 m的；(6)車輛總重明顯小于同軸數(shù)車輛總重的。

2 交通狀況分析

車流量和車流構(gòu)成是兩個(gè)表征車輛交通狀況的重要指標(biāo)。我國(guó)《公路橋梁承載能力檢測(cè)評(píng)定規(guī)程》[11]引入考慮實(shí)際橋梁位置典型代表交通量、大車混入率和軸荷載分布狀況的修正系數(shù)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載進(jìn)行修正。因此，對(duì)車流量、車輛構(gòu)成、軸重和車輛總重進(jìn)行分析具有重要意義。

2.1 車流量

車流量可以分為日交通流量和小時(shí)交通流量，日交通流量表征的是一周中日交通流量的變化情況，小時(shí)交通流量表征的是一天中每一時(shí)段車流量的變化情況，兩者結(jié)合能更合理的分析監(jiān)測(cè)地點(diǎn)的交通流變化情況，而由前者則可獲得典型代表交通量指標(biāo)。2012年6月16日至29日兩周日交通流量和貨車(GVW>3 t)的日交通流量如圖3、圖4所示。從圖中可以看出兩周內(nèi)日交通流量總體服從由周1到周7逐日下降的規(guī)律，且大于3 t的貨車也基本服從這個(gè)規(guī)律，但第2周的貨車則規(guī)律性不強(qiáng)。另外，第1周和第2周的日交通流量在一周中總體相差較大，第1周最大日交通流量接近3.2萬輛，而第2周的最大日交通流量才2.4萬輛。這種規(guī)律可能是與該位置位于物流區(qū)周邊的過境道路上的性質(zhì)有關(guān)，可以由人們的出行規(guī)律和貨運(yùn)物流進(jìn)行解釋。

圖3 2012年6月16日至29日兩周日交通流量變化

圖4 2012年6月16日至29日兩周貨車(GVW>3 t)日交通流量變化

圖5、圖6、圖7給出了1天中各時(shí)段的總車流量、大于3 t貨車流量和大于40 t貨車流量的變化情況。從圖中可以看出，1天中各時(shí)段的總車流量具有很強(qiáng)的規(guī)律性，基本在每日9點(diǎn)前后達(dá)到1天的最高峰，在18點(diǎn)左右達(dá)到1天中的次高峰，最大時(shí)段車流量接近2700輛。與總流量不同，大于3 t貨車的時(shí)段流量并不具有很強(qiáng)的規(guī)律性，只是在5點(diǎn)至9點(diǎn)有一個(gè)增長(zhǎng)的過程。但從圖7可以看出，超載貨車大多在后半夜到凌晨時(shí)段通行，5點(diǎn)至6點(diǎn)時(shí)段的通行量最大，最多的1小時(shí)通行達(dá)到40輛。而白天超載貨車通行基本維持在個(gè)位數(shù)的水平，有時(shí)1小時(shí)的通行量甚至為0。

圖5 一周中每日24個(gè)時(shí)段車流量變化情況

圖6 一周中每日24個(gè)時(shí)段﹥3 t貨車流量變化情況

圖7 一周中每日24個(gè)時(shí)段﹥40 t貨車流量變化情況

2.2 車流構(gòu)成

分析兩周不同總重車輛的通行狀況和不同軸數(shù)車輛的通行狀況，由前者即可獲得大車混入率指標(biāo)。圖8給出了兩周內(nèi)不同總重等級(jí)車輛的交通流量分布狀況，從圖中可以看出，小于等于3 t的車輛占據(jù)絕大多數(shù)，達(dá)總車流數(shù)的90.7%。結(jié)合時(shí)段流量分析可知，兩周內(nèi)通過監(jiān)控位置的車輛總數(shù)為335462輛。其中20 t以上的貨車有2406輛，超過40 t的有819輛，占20 t以上貨車總數(shù)的34%，最重記錄達(dá)115 t。從819輛40 t以上超限車輛隨時(shí)間分布可以看出，超限車輛夜間(87%)多于白天(13%)，后半夜(68%)多于前半夜(19%)，后半夜惡性超載的現(xiàn)象明顯比其他時(shí)間嚴(yán)重。

圖8 兩周內(nèi)不同總重車輛的交通流量分布

表1給出了不同軸數(shù)車輛的交通量分布狀況，從表中可以看出兩軸車占據(jù)絕大多數(shù)，達(dá)97.7%。隨著軸數(shù)的增加，車輛數(shù)相應(yīng)較少。

表1 兩周內(nèi)不同軸數(shù)車輛的交通量分布

3 車輛荷載狀況

3.1 車輛軸載

車輛軸重是道路和橋梁設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，是確定荷載修正系數(shù)的軸荷載分布狀況的重要指標(biāo)。在不考慮車道分布情況下，對(duì)兩周的車輛軸重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分析。經(jīng)過計(jì)算間隔為1 t的車軸數(shù)量，結(jié)果顯示車軸數(shù)量隨著軸重的增加而減少(圖9)，絕大多數(shù)的軸重是小于1 t的，占總軸數(shù)的90.8%。其次多數(shù)的是1～2 t重的軸數(shù)，占總數(shù)的28.9%。值得注意的是，有7249個(gè)車輛軸重超過了10 t的超載標(biāo)準(zhǔn)，占總數(shù)的2.86%；2575個(gè)車輛軸重超過15 t，占總數(shù)的1.23%，最大的單軸重量達(dá)到39.5噸，是超載標(biāo)準(zhǔn)的4倍。

圖9 不同軸重下的軸數(shù)分布狀況

根據(jù)文獻(xiàn)[8]，青馬大橋慢車道上車輛軸重超過10 t的軸數(shù)占到總軸數(shù)的3.821%，最大軸重12.5 t，這與英國(guó)規(guī)范BS5400較接近，而相對(duì)該橋設(shè)計(jì)荷載譜小。與之對(duì)比，本文監(jiān)測(cè)位置的車輛荷載等級(jí)總體較低(圖10)，但惡性超載嚴(yán)重。

圖10 基于WIM數(shù)據(jù)的車輛軸載譜

3.2 車輛總重

車輛總重也是道路和橋梁設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，是確定大車混入率的重要指標(biāo)，更是超限車輛管理的重要依據(jù)。英國(guó)規(guī)范BS5400：第10部分給出了一個(gè)典型貨車總重柱狀圖，用以在無法獲得WIM數(shù)據(jù)的情況下車流模擬的參考。圖11給出了兩周車流的總重譜，經(jīng)與文獻(xiàn)[8]給出的青馬大橋慢車道上車輛總重譜和英國(guó)規(guī)范BS5400車輛總重譜數(shù)據(jù)的比較，可以看出本文監(jiān)測(cè)位置車輛總重荷載狀況總體不大，貨車通行量較小，但重車規(guī)模比前兩者都大，青馬大橋通行車輛的的最大總重為55 t，英國(guó)規(guī)范的最大總重為42 t，而本監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大總重為115 t。

圖11 基于WIM數(shù)據(jù)的車輛總重譜

圖12 基于WIM數(shù)據(jù)的車輛總重概率密度

圖13 不同軸數(shù)車輛總重概率密度和累積概率分布

圖12給出了車輛總重的概率密度分布圖，從圖中可以看出車輛總重服從雙峰分布，但是由于監(jiān)測(cè)位置重車通行總量較小，與相關(guān)文獻(xiàn)[7]相比，第2個(gè)峰顯得很小。

不同軸數(shù)車輛的總重概率分布是隨機(jī)車流模擬和結(jié)構(gòu)可靠度分析的基礎(chǔ)。在不考慮車道分布情況下，對(duì)兩周的不同軸數(shù)車輛的總重概率分布進(jìn)行分析(圖13)。從圖可以看出，2軸車車輛總重表現(xiàn)為單峰分布，而3軸以上車輛總重均表現(xiàn)為多峰分布，且5軸車和6軸車表現(xiàn)為明顯的3峰分布。對(duì)于各軸數(shù)車輛總重滿足的概率密度函數(shù)和累積概率分布函數(shù)類型需要進(jìn)一步研究確定。另外，從不同軸數(shù)車輛的總重分布還可以看出，軸重大(如最大軸重39.5 t)的車輛主要是2軸、3軸車輛，可以確定這部分車輛對(duì)橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的破壞較為嚴(yán)重。

4 結(jié) 論

基于安裝在杭州石祥路留石高架上的動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)采集的交通流和車輛荷載數(shù)據(jù)，通過對(duì)交通流量、車輛構(gòu)成、軸載、車輛總重、軸載譜、車輛總重譜等進(jìn)行分析，討論了其概率統(tǒng)計(jì)特性及分布規(guī)律，獲得了以下結(jié)論：

(1)一周中日交通流量總體服從由周1到周7逐日減少的規(guī)律。一天中各時(shí)段的總交通流量具有很強(qiáng)的潮汐規(guī)律性，基本在每日9點(diǎn)前后達(dá)到一天的最高峰，在18點(diǎn)左右達(dá)到一天中的次高峰。

(2)兩周內(nèi)的車輛通行總數(shù)為335462輛，其中小于等于3 t的車輛占據(jù)絕大多數(shù)，達(dá)總車流數(shù)的90.7%；大于等于20 t的貨車有2406輛，大于等于40 t的貨車有819輛，占20 t以上貨車總數(shù)的34%，最重記錄達(dá)115 t。從819輛40 t以上超限車輛隨時(shí)間分布可以看出，超限車輛夜間(87%)多于白天(13%)，后半夜(68%)多于前半夜(19%)，后半夜車輛惡性超載的現(xiàn)象明顯比其他時(shí)間的嚴(yán)重。

(3)2.86%的車輛軸重超過了10 t的超載標(biāo)準(zhǔn)，1.23%的車輛軸重超過15 t，最大的單軸重量達(dá)到39.5 t，是超載標(biāo)準(zhǔn)的4倍；與文獻(xiàn)[8] 和英國(guó)規(guī)范BS5400對(duì)比，本文監(jiān)測(cè)位置的車輛荷載等級(jí)總體較低，但惡性超載嚴(yán)重。

(4)2軸車車輛總重表現(xiàn)為單峰分布，3軸以上車輛的總重均表現(xiàn)為多峰分布，5軸車和6軸車的總重表現(xiàn)為明顯的3峰分布。軸重大(如最大軸重39.5 t)的車輛主要是2軸、3軸車輛，這部分車輛對(duì)橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施的危害較大。

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