多車道橋梁交通荷載特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

魏漢鋒

(廣東省佛開高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車道橋梁交通荷載特性及結(jié)構(gòu)響應(yīng)研究

魏漢鋒

(廣東省佛開高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車道公路橋梁各行駛車道的車流和荷載特性分布具有顯著的差異性,由這些差異性引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)特性應(yīng)是橋梁管養(yǎng)關(guān)注的重點(diǎn)。根據(jù)某單向4車道高速公路實(shí)測的WIM數(shù)據(jù),分析其運(yùn)營階段的交通荷載特性,及在實(shí)際車流荷載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的真實(shí)響應(yīng)。研究結(jié)果表明：不同行駛車道的車型分布具有顯著差異性,90%以上的貨車偏向于外側(cè)兩個(gè)車道行駛；車輛總重和軸重水平較規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)有明顯的提高；各行駛車道隨機(jī)車流產(chǎn)生的荷載效應(yīng)最大值基本大于規(guī)范值,外側(cè)車道上荷載效應(yīng)遠(yuǎn)大于內(nèi)側(cè)超車道,說明目前規(guī)范基于車道荷載獨(dú)立同分布的假定與實(shí)際情況不相符,車輛荷載模型已無法滿足實(shí)際的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)評(píng)估要求,建議修正。

多車道；車流分布；荷載特性；WIM；結(jié)構(gòu)響應(yīng)；運(yùn)營情況

0 引言

多車道高速公路具有良好的車輛通行能力,能夠高效地集散車流,同時(shí)給予車輛更多的車道選擇,在我國交通事業(yè)日益發(fā)展的今天,多車道高速公路越來越受到青睞。這種多車道斷面形式使得車流橫向分布特征明顯,相應(yīng)的荷載特性隨時(shí)間和空間變化顯著,以往規(guī)范中對(duì)各車道車流獨(dú)立同分布的假設(shè)已不再成立。同時(shí),近年來,我國高速公路上的超載現(xiàn)象嚴(yán)重,車輛荷載變異愈加顯著,這使得高速公路上橋梁的評(píng)估已不適合繼續(xù)沿用傳統(tǒng)規(guī)范中的車輛荷載,利用橋梁實(shí)際運(yùn)營荷載來研究既有橋梁的運(yùn)營情況是形勢所趨。

基于此,選取國內(nèi)某高速公路的兩個(gè)典型斷面,利用WIM設(shè)備測得的車流數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。該高速公路斷面形式為雙向8車道,車道分布及WIM設(shè)備布置情況如圖1所示。研究將分析同向行駛的4車道車流空間分布規(guī)律及其荷載特性,在此基礎(chǔ)上,討論特定地點(diǎn)橋梁評(píng)估應(yīng)用實(shí)際車流荷載的必要性,同時(shí)為單向4車道高速公路的整體規(guī)劃、設(shè)計(jì)及管理提供借鑒。

1 車流荷載特性及其空間分布

為討論公路橋梁運(yùn)營階段的車流特征,以便準(zhǔn)確建立能夠反映實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)的荷載模型,首先需實(shí)測得到背景公路斷面的車輛數(shù)據(jù),分析當(dāng)

圖1 車道傳感器布置圖

1.1 車型組成分析

目前,我國道路上實(shí)際運(yùn)行車輛種類繁多,各種車型的載重能力差異較大,導(dǎo)致汽車荷載差別不可忽略。對(duì)于單個(gè)車輛而言,車重與其軸數(shù)相關(guān),以軸組類型作為劃分車型的依據(jù),將測得的車輛劃為5類,各軸型車輛比例見表1所列。由表1可知,輕型客車(七座以下)數(shù)量較多,2軸車占的比例相當(dāng)大,其次是6軸和5軸車,其中6軸的重車數(shù)量比較多,而這類車型對(duì)橋梁的影響也最為顯著。進(jìn)一步,可得到各軸型車輛對(duì)行駛車道選擇的傾向性,表2為各軸型車輛在4車道上的分布比例。由表2可知,各軸型車輛有自己慣用的車道,2軸車由于質(zhì)量較輕,偏向道路內(nèi)側(cè)超車道行駛,3軸及以上軸型的車輛屬于貨車,更傾向道路外側(cè)的慢車道。各軸型車輛對(duì)車道選擇的傾向性導(dǎo)致了多車道荷載分布的差異。

1.2 車輛荷載特性

車重和軸重是描述單個(gè)車輛荷載特性的參

表1 車輛軸型分類及組成一覽表

表2 車輛的車道選擇特性一覽表(單位:%)

數(shù),該類參數(shù)與車型有關(guān)。已知車型載重、軸重和軸距的分布,可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的最不利加載位置計(jì)算荷載效應(yīng),對(duì)于直接承受荷載的橋面板等局部受力構(gòu)件,軸重與軸距的影響則更為顯著。

圖2為實(shí)測路段車重與軸重的累計(jì)概率分布圖,并與我國《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)建立車輛荷載模型的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,以表明實(shí)際的運(yùn)營荷載環(huán)境。由圖2可知,在總重累計(jì)概率低于0.7以及軸重累計(jì)概率低于0.6時(shí),同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下實(shí)測的運(yùn)營階段車重與軸重均較規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏小,這是由于小型客車比重較大引起的；但當(dāng)總重累計(jì)概率超過0.9時(shí),所有斷面車重值均大于規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在相應(yīng)累計(jì)概率水準(zhǔn)下的數(shù)值,車重遠(yuǎn)大于“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù),說明該路段實(shí)際通行車輛荷載無論是重車比例還是車重水平都較上世紀(jì)90年代初(“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)獲取時(shí)間)明顯提高。

對(duì)單車車重和軸重特性的分析可知,當(dāng)前路段的汽車荷載水平遠(yuǎn)大于“04設(shè)計(jì)規(guī)范”界定的范圍,且對(duì)于中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)而言,單輛重車對(duì)結(jié)構(gòu)的效應(yīng)起控制作用,在經(jīng)常性重載交通作用下,局部構(gòu)件難免發(fā)生“疲勞性”損傷,從而影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用安全,并增加養(yǎng)護(hù)維修成本。

1.3 車輛到達(dá)特性

車輛的到達(dá)特性是反映車流疏密程度的重要指標(biāo),通常以車頭時(shí)距和車頭間距來衡量,車頭時(shí)距是車流模型研究的基礎(chǔ),而車頭間距更能直觀反映車流的疏密狀況。圖3為車頭時(shí)距和車頭間距的累積分布曲線。

這里同樣沿引“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù)作為比較,以說明該路段的車流密集程度。由圖3可知,在車頭時(shí)距累計(jì)概率低于0.98時(shí),同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下實(shí)測路段的車頭時(shí)距小于“04規(guī)范”基礎(chǔ)數(shù)據(jù),而當(dāng)超過以上概率水平時(shí),比規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)偏大。同時(shí),觀察車頭間距分布規(guī)律可知,車頭間距均較

圖2 總重與軸重累計(jì)概率分布圖

圖3 車輛到達(dá)特性累計(jì)分布曲線圖

同一累計(jì)概率水準(zhǔn)下規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的車頭時(shí)距要大,這與高速公路行車速度較快有關(guān)。

1.4 車輛超載分析

近年來,車輛超載引起的橋梁垮塌事故時(shí)有發(fā)生,由此引發(fā)的交通中斷會(huì)給社會(huì)發(fā)展帶來較為深遠(yuǎn)的負(fù)面影響。表3為實(shí)測運(yùn)營的各軸型車輛的超載統(tǒng)計(jì)。

表3 各軸型超載車統(tǒng)計(jì)表

從表3的數(shù)據(jù)可以看出：各軸型車輛中4軸車的超重比例最大,為45.6%,其次是5軸車和6軸車,各為41.2%和38.4%。從各車型的平均超載率方面,最大超載率為6軸車,可見當(dāng)前路段重型貨車的超載問題尤為突出。

對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)造成損傷或破壞的車輛都是嚴(yán)重超載的車輛,因此,需要重點(diǎn)關(guān)注嚴(yán)重超載的車輛。在對(duì)運(yùn)營階段汽車荷載的極端水平進(jìn)行分析,可為危害公路橋梁安全的車輛載重管控和有關(guān)規(guī)范的修訂提供決策支持。表4為監(jiān)測路段車重值最大的5輛車車重及超重率。由表4可知,車重值較大的車全為6軸車,最大車重值為179.9 t,已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過規(guī)范規(guī)定的通行車重限值,超重率達(dá)到了227.09%。在加強(qiáng)交通監(jiān)管的同時(shí),應(yīng)建立符合實(shí)際交通情況的車輛荷載模型,便于高速公路橋梁評(píng)估。

表4 最大車重及超重率一覽表

2 基于連續(xù)自然車隊(duì)的汽車荷載效應(yīng)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證利用實(shí)際運(yùn)營荷載來研究既有橋梁運(yùn)營情況的必要性,應(yīng)選取不同跨徑的橋梁結(jié)構(gòu),采用連續(xù)自然車流進(jìn)行加載,將計(jì)算得到的效應(yīng)值與“04規(guī)范”公路汽車I級(jí)荷載的效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比。該項(xiàng)研究選取跨徑分別為20 m、40 m和60 m的簡支梁橋進(jìn)行分析,通過實(shí)測得到的WIM數(shù)據(jù)對(duì)跨中彎矩效應(yīng)影響線進(jìn)行加載計(jì)算,計(jì)算方法如圖5所示。

圖5 橋梁荷載效應(yīng)計(jì)算圖示

表5為簡支梁結(jié)構(gòu)跨中彎矩效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù),限于篇幅,僅選擇超車道和行車道3為例進(jìn)行分析。從橋梁結(jié)構(gòu)在各個(gè)車道汽車作用下的效應(yīng)分析結(jié)果上來看,各個(gè)車道上出現(xiàn)的最大荷載效應(yīng)均超過了“04規(guī)范”規(guī)定的車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值。其中,行車道3在車隊(duì)荷載作用下的最大效應(yīng)約為規(guī)范效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值的3倍；而超車道的汽車荷載效應(yīng)也為規(guī)范效應(yīng)值的2倍左右?？傮w車流荷載響應(yīng)大于現(xiàn)行規(guī)范對(duì)應(yīng)值,說明目前規(guī)范的車輛荷載模型偏于不安全。此外,總體車流與各車道車流的效應(yīng)比值隨加載長度的增加而減小,說明就車輛荷載效應(yīng)而言,短加載長度橋梁更值得關(guān)注。同時(shí),相對(duì)于規(guī)范的承載能力極限狀態(tài),根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)計(jì)算的車輛荷載效應(yīng)在考慮1.4的分項(xiàng)系數(shù)后,加載長度為20 m及60 m的橋梁實(shí)測總體車流荷載效應(yīng)仍超過規(guī)范值,兩者效應(yīng)比值分別為2.15和1.83。

表5 簡支梁跨中彎矩統(tǒng)計(jì)參數(shù)表(單位:kN·m)

由單車道的效應(yīng)分析同時(shí)可得,對(duì)于多車道高速公路橋梁,由于不同車型車輛具有明顯的車道選擇特性,采用實(shí)際荷載對(duì)各車道加載得到的結(jié)果也存在較大的差異。從表5可以看出,對(duì)于不同計(jì)算跨徑橋梁,內(nèi)側(cè)超車道荷載水平普遍較設(shè)計(jì)規(guī)范偏低,而行車道3的彎矩效應(yīng)均值約為超車道的6倍左右,各車道汽車荷載水平的分布存在明顯的差異性。因此,建議我國規(guī)范在對(duì)多車道效應(yīng)折減的問題時(shí),考慮各車道荷載分布的差異性,可參考?xì)W洲EUROCODE規(guī)范采用不同車道布置不同荷載的方式。

3 結(jié)論

以某背景高速公路實(shí)測車輛荷載為基礎(chǔ),通過統(tǒng)計(jì)分析,對(duì)多車道交通量與車輛荷載特性、車輛到達(dá)特性,以及車輛超載狀況進(jìn)行研究；并利用實(shí)測車流荷載數(shù)據(jù)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行加載,將所得效應(yīng)值與規(guī)范荷載效應(yīng)值進(jìn)行比較。得到如下結(jié)論：實(shí)測車流數(shù)據(jù)的運(yùn)行密集程度及荷載狀況與規(guī)范基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存在較大出入,其中,交通流量有了較大的增長；采用影響線加載的方式獲得真實(shí)車流在計(jì)算橋梁上的各項(xiàng)荷載效應(yīng)值,該效應(yīng)值與規(guī)范荷載效應(yīng)值存在較大差異,實(shí)際橋梁運(yùn)營狀態(tài)評(píng)估不再適合繼續(xù)使用規(guī)范荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行,同時(shí),鑒于多次道汽車荷載效應(yīng)分布的差異性,建議綜合考慮各車道車流及荷載橫向分布特性,對(duì)各車道荷載取值大小進(jìn)行界定。

U441+.2

A

1009-7716(2015)09-0186-03

2015-06-11

魏漢鋒(1985-)，男,廣東人,工程師,研究方向：路橋工程。前實(shí)際車流的組成特性。主要分析內(nèi)容包括：交通量與車輛荷載特性、車輛到達(dá)特性,以及車輛超載等。