車輛荷載模型研究綜述

趙高鵬 周燦

摘要：本文基于WIM數(shù)據(jù)的車輛荷載模型是掌握車輛荷載統(tǒng)計(jì)特征、變異現(xiàn)狀、發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)。對(duì)目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于車輛荷載模型的研究進(jìn)行綜述，指出當(dāng)前研究的不足，同時(shí)給出構(gòu)建車輛荷載模型的建議。

關(guān)鍵詞：公路橋梁；車輛荷載；車輛荷載模型；動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)

中圖分類號(hào)： X734文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

前言

為了準(zhǔn)確確定車輛荷載的大小，需要大量的統(tǒng)計(jì)資料和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在承載能力不能適應(yīng)運(yùn)營(yíng)車輛荷載需求的既有橋梁數(shù)量巨大、短期內(nèi)難以全面改造、僅僅通過管理措施并不能遏制超載運(yùn)輸?shù)那闆r下，采取客觀先進(jìn)的手段方法，掌握運(yùn)營(yíng)車輛荷載變異現(xiàn)狀、把握運(yùn)營(yíng)車輛荷載發(fā)展規(guī)律、科學(xué)描述刻畫運(yùn)營(yíng)車輛荷載的統(tǒng)計(jì)特征，既是進(jìn)行運(yùn)營(yíng)車輛荷載管制、治理超限運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)性工作之一，也是既有橋梁的安全運(yùn)營(yíng)、檢測(cè)評(píng)估、加固改造的前提，因此具有重大的理論價(jià)值與突出的工程背景。

車輛荷載模型研究現(xiàn)狀

（1）國(guó)外研究現(xiàn)狀

美國(guó)Michigan大學(xué)的A.S.Nowak利用安大略交通部門6萬多輛貨車調(diào)查數(shù)據(jù)，根據(jù)車重及軸重經(jīng)驗(yàn)分布外推求得既有橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)的車重及軸重最大值法國(guó)Christian Cremona、Gindy利用WIM設(shè)備收集了三周的車流信息，并利用Rice公式構(gòu)建了穿越門檻值次數(shù)的直方圖，得出運(yùn)營(yíng)車輛荷載尾部數(shù)據(jù)的擬合曲線，利用該擬合曲線預(yù)測(cè)運(yùn)營(yíng)車輛荷載及其效應(yīng)發(fā)展變化規(guī)律；瑞典Abraham Getachew利用WIM系統(tǒng)測(cè)得的實(shí)際車流數(shù)據(jù)，對(duì)不同跨徑（10m~35m）簡(jiǎn)支梁在汽車荷載效應(yīng)進(jìn)行了分析研究，提出了中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋評(píng)估車輛荷載模型，并與瑞典公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范Br094中的汽車荷載效應(yīng)設(shè)計(jì)計(jì)算值進(jìn)行了對(duì)比；Fu依據(jù)美國(guó)部分超載現(xiàn)象嚴(yán)重的交通要道的車輛統(tǒng)計(jì)資料，建立了包括超載車輛的車輛荷載模型，指出了基準(zhǔn)期對(duì)既有橋梁按照實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛荷載進(jìn)行荷載效應(yīng)分析的必要性；Fredrik C研究了利用WIM實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)研究了車輛荷載模型及其橫向分布規(guī)律。

總體說來，上述研究者特別是A.S.Nowak教授揭開了運(yùn)營(yíng)車輛荷載特性實(shí)測(cè)研究的大幕，建立了運(yùn)營(yíng)車輛荷載特征研究的基本方法與基本手段，為后續(xù)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。

（2）國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

在我國(guó)，一些研究者或建設(shè)管養(yǎng)業(yè)主針對(duì)具體的道路或橋梁，進(jìn)行了專門的運(yùn)營(yíng)車輛荷載特征分析預(yù)測(cè)，如清華大學(xué)梅剛、秦權(quán)等人針對(duì)110國(guó)道，研究了重載運(yùn)煤線路運(yùn)營(yíng)車輛荷載的統(tǒng)計(jì)特征，提出了運(yùn)營(yíng)車輛荷載的雙峰分布模型；北京交通大學(xué)盧文良、馮德飛研究了北京市交通擁堵狀況下運(yùn)營(yíng)荷載分布特征，指出了混合擁堵情況下實(shí)際自然車隊(duì)荷載效應(yīng)為設(shè)計(jì)汽車荷載效應(yīng)的1.2~1.7倍；大連理工大學(xué)貢金鑫等人則針對(duì)非治超地區(qū)、計(jì)重收費(fèi)地區(qū)和強(qiáng)制治超地區(qū)的車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，建立了不同交通管制政策下的運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型，預(yù)測(cè)了運(yùn)營(yíng)車輛荷載的發(fā)展變化態(tài)勢(shì)；長(zhǎng)安大學(xué)賀栓海、黃平明、王濤等人針對(duì)陜西省西寶高速、廣東省廣深高速進(jìn)行了運(yùn)營(yíng)車輛荷載特征調(diào)查分析，構(gòu)建了運(yùn)營(yíng)車輛荷載的分析預(yù)測(cè)模型；同濟(jì)大學(xué)石雪飛、應(yīng)天益利用廣東佛開高速公路運(yùn)營(yíng)車輛荷載的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行了車輛荷載特征的分析與預(yù)測(cè)，指出了實(shí)際車重和軸重與2004規(guī)范相比，超出幅度高達(dá)126％和64％，抽樣調(diào)查獲取最大車重高達(dá)172.6t，說明了超重車輛（車重大于100t）出現(xiàn)有一定的必然性；東南大學(xué)郭彤、李愛群等人根據(jù)京滬高速江蘇段的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了運(yùn)營(yíng)車輛荷載的多峰概率分布模型，預(yù)測(cè)了橋梁剩余服役期運(yùn)營(yíng)車輛荷載的發(fā)展規(guī)律；廣東交通集團(tuán)針對(duì)虎門大橋鋼箱梁橋面板疲勞裂縫的發(fā)展，專門進(jìn)行了虎門大橋通行車輛荷載特征調(diào)查分析，指出實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛軸重與額定軸重的比值一般在1.4~1.9之間，最大達(dá)到4.0左右，車輛軸重發(fā)展變異、重載車輛數(shù)量龐大是導(dǎo)致該橋鋼箱梁橋面板產(chǎn)生嚴(yán)重疲勞裂縫的主因；華南理工大學(xué)韓大建、杜江根據(jù)廣州北環(huán)高速兩周的交通荷載調(diào)查結(jié)果，運(yùn)用極值分析方法預(yù)測(cè)了運(yùn)營(yíng)車輛荷載的發(fā)展規(guī)律，指出了現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型構(gòu)建所采用的假設(shè)檢驗(yàn)方法的缺陷與不足。

總體說來，這些研究工作揭示了一些路段或具體橋梁的運(yùn)營(yíng)車輛荷載特征，構(gòu)建了形式各異的運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型，指出了運(yùn)營(yíng)荷載變異的嚴(yán)重性與開展進(jìn)一步研究的緊迫性。

現(xiàn)有研究的不足

（1）動(dòng)態(tài)稱重?cái)?shù)據(jù)獲取的隨意性

目前，WIM數(shù)據(jù)所構(gòu)建的運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型也就難以科學(xué)客觀地反映運(yùn)營(yíng)車輛荷載現(xiàn)狀，導(dǎo)致等運(yùn)營(yíng)車輛荷載發(fā)展規(guī)律預(yù)測(cè)等后續(xù)研究工作產(chǎn)生了明顯的失真等問題，以觀測(cè)持續(xù)時(shí)間為例，持時(shí)短者僅為數(shù)小時(shí)，持時(shí)長(zhǎng)者則長(zhǎng)達(dá)數(shù)年，差異非常大。

（2）運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型構(gòu)建的主觀性

目前，大多數(shù)研究者在構(gòu)建運(yùn)營(yíng)車輛模型時(shí)，均采用假設(shè)檢驗(yàn)、參數(shù)分析的技術(shù)路線，即假設(shè)車輛總重、車輛軸重服從某一分布模型，然后進(jìn)行參數(shù)估計(jì)，采用K-S檢驗(yàn)或x2、U2檢驗(yàn)來驗(yàn)證截口分布模型的正確性與合理性，得到一個(gè)不被拒絕的分布模型如正態(tài)、對(duì)數(shù)正態(tài)、伽馬、威布爾分布等，并由此來預(yù)測(cè)既有橋梁服役期間最大車輛荷載量值與出現(xiàn)幾率。

圖1.2 運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型與極值分布示意圖

（3）難以恰當(dāng)估計(jì)運(yùn)營(yíng)車輛荷載最大值

一方面，由于運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型構(gòu)建時(shí)多采取假設(shè)檢驗(yàn)的試錯(cuò)方法，具有比較突出的主觀性，雖能較好的模擬分布的中部，但對(duì)分布尾部的描述就顯得無能為力了，導(dǎo)致極值估計(jì)偏差非常大，采用假設(shè)檢驗(yàn)方法構(gòu)建的模型難以反映運(yùn)營(yíng)車輛荷載現(xiàn)狀的最大值分布情況。另一方面，既有橋梁多采用時(shí)間外推的統(tǒng)計(jì)方法來確定運(yùn)營(yíng)荷載的增長(zhǎng)，大多數(shù)研究者均利用其所構(gòu)建的運(yùn)營(yíng)車輛荷載模型，取某一可接受分位點(diǎn)（一般為0.95，相當(dāng)于重現(xiàn)期為1950年）直接外推的方法，來預(yù)測(cè)既有橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期運(yùn)營(yíng)車輛荷載的發(fā)展規(guī)律，由于模型構(gòu)建本身就存在諸多先天不足如底分布主觀性大、分布參數(shù)不準(zhǔn)確、難以恰當(dāng)描述分布的尾部等，加上直接外推方法比較粗糙簡(jiǎn)單，導(dǎo)致設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期或服役基準(zhǔn)期內(nèi)運(yùn)營(yíng)荷載增長(zhǎng)規(guī)律預(yù)測(cè)結(jié)果差異非常大。

展望

改進(jìn)WIM數(shù)據(jù)的獲取準(zhǔn)則。

采用二階抽樣方法，將公路劃分為高速公路、一級(jí)公路、市政道路、其他公路等，分門別類地利用WIM技術(shù)進(jìn)行車輛荷載數(shù)據(jù)的采集和收集。

構(gòu)建WIM數(shù)據(jù)獲取的觀測(cè)時(shí)間區(qū)段選取、連續(xù)觀測(cè)持續(xù)時(shí)間確定的基本準(zhǔn)則，擴(kuò)大WIM數(shù)據(jù)對(duì)夜間、節(jié)假日、特殊時(shí)間區(qū)段（如春運(yùn)）的覆蓋程度，確保WIM數(shù)據(jù)的均衡性、全面性以及對(duì)極端情況的客觀反映。

根據(jù)平均值、標(biāo)準(zhǔn)差等統(tǒng)計(jì)量值相對(duì)于觀測(cè)時(shí)間的分布變化，對(duì)WIM實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢驗(yàn)；根據(jù)抽樣風(fēng)險(xiǎn)分析理論，建立WIM數(shù)據(jù)不確定性的衡量方法。

增加WIM數(shù)據(jù)收集的時(shí)間，建議3-5年為宜。

采用極值分析理論構(gòu)建車輛荷載模型。

極值分析理論的研究始于上個(gè)世紀(jì)30年代，成熟于上世紀(jì)80年代，在金融領(lǐng)域、氣象領(lǐng)域、水文領(lǐng)域獲得了極大的成功。由于極值理論專門針對(duì)尾部樣本擬合分布，即便在隨機(jī)變量位于分布尾部的樣本數(shù)量很少的情況下，也能夠準(zhǔn)確地、科學(xué)地識(shí)別分布尾部的形狀與統(tǒng)計(jì)特征。

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