河北高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷研究

康 博

(河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050000)

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河北高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷研究

康 博

(河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050000)

隨著國(guó)際對(duì)高速公路橋梁疲勞載荷問(wèn)題的重視程度越來(lái)越高，以河北高速公路某橋梁結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，采用了道路動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)來(lái)對(duì)選取路段的車(chē)輛進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和統(tǒng)計(jì)，之后，借助于動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)對(duì)高速公路橋梁疲勞載荷進(jìn)行了模擬分析，進(jìn)而推導(dǎo)出了三軸車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷模型以此作為6軸車(chē)輛的簡(jiǎn)化模型，最后通過(guò)與國(guó)外成熟模型的對(duì)比得出三軸車(chē)輛標(biāo)注疲勞載荷模型適應(yīng)于該地區(qū)，從而體現(xiàn)了該模型的使用價(jià)值。

公路橋梁；疲勞載荷；研究

1 高速公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)

通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)對(duì)過(guò)往車(chē)輛信息的采集，在存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)中選取了5月份一周的數(shù)據(jù)作為分析和研究的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。通過(guò)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)可以看出，一個(gè)周的時(shí)間內(nèi)，該路段過(guò)往的車(chē)輛共計(jì)57 956輛，以車(chē)輛的周數(shù)為單位，對(duì)過(guò)往的車(chē)輛進(jìn)行了分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，如表1所示。

表1 不同周數(shù)車(chē)輛的統(tǒng)計(jì)表

由表1中數(shù)據(jù)可以得知，河北保阜高速T型剛構(gòu)橋通過(guò)的車(chē)輛以?xún)奢S車(chē)為主，占據(jù)總車(chē)輛的75.8%，另外，六軸車(chē)和四軸車(chē)次之，分別占據(jù)總車(chē)輛數(shù)目的10.08%和9.2%。在統(tǒng)計(jì)車(chē)輛數(shù)目的基礎(chǔ)上，動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)還對(duì)過(guò)往車(chē)輛的重量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)和分類(lèi)，以車(chē)輛的重量作為分類(lèi)的標(biāo)準(zhǔn)，統(tǒng)計(jì)了車(chē)輛在每一個(gè)重量區(qū)間內(nèi)的數(shù)量和比重。

通過(guò)表中數(shù)據(jù)可以看出，在200kN以下重量的車(chē)輛最多，占據(jù)總車(chē)輛數(shù)量的70.6%，之后各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)區(qū)間內(nèi)的車(chē)輛數(shù)目保持均衡，然而橋梁通過(guò)的車(chē)輛中超重車(chē)輛，即重量在500kN以上的車(chē)輛所占的比例達(dá)到了5.6%，這對(duì)道路橋梁的損壞時(shí)比較大的，因此，在研究道路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷計(jì)算中，超重車(chē)輛的應(yīng)該作為重要因素考慮在內(nèi)。之后，對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)采集到的車(chē)輛軸距和軸重等數(shù)據(jù)進(jìn)行了分類(lèi)和統(tǒng)計(jì)，如表2所示。

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)可以看出，6軸車(chē)輛的總重要比其他車(chē)輛重，但是按照每一個(gè)軸的載荷量計(jì)算可以得知，每一個(gè)軸的載荷量要比其他車(chē)輛的軸載荷量要少，因此，以動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)為依托，對(duì)該高速公路的橋梁通過(guò)車(chē)輛進(jìn)行了全面、科學(xué)的數(shù)據(jù)采集，并在其基礎(chǔ)上為橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷的研究帶來(lái)重要依據(jù)。為后文高速道路橋梁疲勞載荷模型的建立和分析提供了關(guān)鍵性的保障。

表2 車(chē)輛的車(chē)軸重量分類(lèi)統(tǒng)計(jì) kN

2 高速公路橋梁疲勞載荷的模擬分析

在對(duì)高速公路橋梁疲勞計(jì)算中，考慮到疲勞損傷與道路的常幅應(yīng)力有關(guān)，然而該應(yīng)力的大小可以由道路的變幅應(yīng)力演化而得出，由于道路的疲勞損傷累計(jì)量是線(xiàn)性函數(shù)變化的，因此，可以將復(fù)雜的道路疲勞損傷模型簡(jiǎn)化為應(yīng)力循環(huán)模型，從而可以得出高速公路橋梁疲勞載荷的計(jì)算公式

(1)

式中：N和n分別表示每一個(gè)變應(yīng)力幅對(duì)應(yīng)的疲勞損壞的使用年限和實(shí)際過(guò)程中應(yīng)變循環(huán)的次數(shù)。

因此，根據(jù)上述公式，將道路橋梁簡(jiǎn)化為一個(gè)簡(jiǎn)支梁，設(shè)定該簡(jiǎn)支梁的長(zhǎng)度為40 m，將動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)采集到的實(shí)際數(shù)據(jù)帶入到該簡(jiǎn)化模型中，由于模型的簡(jiǎn)化，可以只將車(chē)輛重量超過(guò)30 kN的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和計(jì)算。在該模型中，計(jì)算通過(guò)車(chē)輛的載荷對(duì)簡(jiǎn)支梁中間的彎矩，由于通過(guò)車(chē)輛的數(shù)量和大小是不定值，可以采用雨流法進(jìn)行計(jì)算每一個(gè)通過(guò)車(chē)輛的中間彎矩，從而可以得到在不同彎矩的大小和各彎矩出現(xiàn)的次數(shù)，進(jìn)而可以統(tǒng)計(jì)出最大彎矩等。除此之外，在對(duì)該道路橋梁模型進(jìn)行計(jì)算分析中，還需要計(jì)算橋梁模型的等效彎矩。計(jì)算公式如下

(2)

式中：fi表示每一個(gè)車(chē)輛對(duì)橋梁彎矩Mt的頻率。

另外，在深入研究車(chē)輛對(duì)道路橋梁疲勞載荷損傷的基礎(chǔ)上，需要計(jì)算每一個(gè)車(chē)軸下道路疲勞傷害的大小。從而可以針對(duì)不同軸數(shù)汽車(chē)對(duì)道路損傷度的計(jì)算和研究，計(jì)算各軸汽車(chē)對(duì)道路疲勞傷害度的公式為

(3)

式中：Zi表示通過(guò)車(chē)輛中各不同軸數(shù)車(chē)輛下的應(yīng)力振幅大小值，其中m為標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，經(jīng)對(duì)疲勞細(xì)節(jié)規(guī)定的查閱，定該參數(shù)值為3。

通過(guò)上述模型的分析和公式的計(jì)算，將采集并統(tǒng)計(jì)好的車(chē)輛載荷數(shù)據(jù)代入公式，另外，根據(jù)動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)采集的不同軸數(shù)車(chē)輛的軸距數(shù)據(jù)計(jì)算不同車(chē)軸的車(chē)輛對(duì)簡(jiǎn)化模型中間彎矩大小，得到不同軸數(shù)的車(chē)輛對(duì)道路橋梁模型疲勞損傷的大小值，的計(jì)算如表3所示。

表3 不同軸數(shù)車(chē)輛對(duì)道路橋梁模型的損傷值

由表3中數(shù)據(jù)可以看出，雖然2軸車(chē)輛占到道路車(chē)輛總數(shù)的75.8，但是其對(duì)高速公路橋梁載荷疲勞度的損傷值僅僅是5.8%，由此可見(jiàn)，2軸車(chē)輛對(duì)于道路橋梁損害的程度是很小的；從表中得到，對(duì)于道路橋梁損傷最大的是6軸車(chē)輛，它對(duì)高速公路橋梁疲勞的損傷度達(dá)到了53.2%，在全部車(chē)輛中，雖然6軸車(chē)輛僅僅占了10.08的比重，但是依舊對(duì)橋梁疲勞載荷的影響起到了破壞性的作用；從彎矩的累計(jì)概率數(shù)據(jù)中，發(fā)現(xiàn)3軸車(chē)輛、4軸車(chē)輛、5軸車(chē)輛以及6軸車(chē)輛的累計(jì)概率接近了100%，這表示了在兩倍的等效彎矩值下，概率分布函數(shù)所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值基本上已經(jīng)全部包含了該車(chē)軸數(shù)車(chē)輛對(duì)道路橋梁的彎矩值。

3 高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷車(chē)輛的推導(dǎo)

根據(jù)表3數(shù)據(jù)的分析得出了6軸車(chē)輛對(duì)于高速公路道路橋梁疲勞損壞的程度是最大的，因此，針對(duì)河北保阜高速T型剛構(gòu)橋的標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷車(chē)輛的推導(dǎo)中，可以在6軸車(chē)輛的基礎(chǔ)上進(jìn)行演化，根據(jù)表2、表3中數(shù)據(jù)以及動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)檢測(cè)到的6軸車(chē)輛的軸距大小為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，在6軸車(chē)輛軸距以及各軸所占的重量數(shù)據(jù)下，可以將6軸車(chē)輛簡(jiǎn)化成一個(gè)類(lèi)似3軸車(chē)輛的模型，如圖1所示，該3軸車(chē)輛的軸距以及軸載荷都參照了6軸的數(shù)據(jù)。

圖1 三軸車(chē)輛疲勞標(biāo)準(zhǔn)模型

在該模型中，三軸車(chē)輛對(duì)于道路橋梁造成的疲勞損壞應(yīng)該與實(shí)際通過(guò)的車(chē)輛造成的橋梁損傷是一樣的，而實(shí)際車(chē)輛通過(guò)道路橋梁以后的數(shù)據(jù)可以通過(guò)動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)獲取，根據(jù)上述公式中等效應(yīng)力的方法，計(jì)算出三軸車(chē)輛模型的重量，即

(4)

式中：fi為車(chē)輛重量Wi下的變化頻率。

通過(guò)對(duì)河北保阜高速T型剛構(gòu)橋動(dòng)態(tài)測(cè)試系統(tǒng)數(shù)據(jù)的分析，并將測(cè)試的數(shù)據(jù)代入公式4中，從而得出三軸車(chē)輛模型的等效重量為330.2 kN，將車(chē)總的質(zhì)量按照比例分配到每一個(gè)車(chē)軸上面，從而計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)模型車(chē)輛下的每一車(chē)軸載荷，自后進(jìn)行循環(huán)和參數(shù)的修正，最終核算出三軸車(chē)輛模型下的軸距數(shù)據(jù)，要求在該軸距下，模型車(chē)輛與實(shí)際檢測(cè)車(chē)輛對(duì)公路橋梁疲勞損傷程度相仿。經(jīng)過(guò)多次循環(huán)之后確立最終數(shù)據(jù)，即該模型中，第一軸的載荷量為33.02 kN，第二軸載荷量為115.57 kN，第三軸載荷量為181.61 kN，前兩軸的軸距為3.3 m，后兩軸的軸距為8.4 m。

4 結(jié) 論

(1)高速公路車(chē)輛動(dòng)態(tài)測(cè)重系統(tǒng)在高速公路車(chē)輛參數(shù)的采集中起到了重要的作用，由數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得知該高速公路橋梁疲勞損傷的主要原因是6軸車(chē)輛以及超重車(chē)輛的通過(guò)引發(fā)的。

(2)在載荷損傷的原始數(shù)據(jù)下，演化出了三軸車(chē)輛載荷疲勞模型以此作為6軸車(chē)輛的簡(jiǎn)化模型。經(jīng)過(guò)多次的循環(huán)和最后的推導(dǎo)，得出三軸車(chē)輛的標(biāo)準(zhǔn)疲勞模型。

(3)最后將推導(dǎo)出的三軸車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷模型與英國(guó)和美國(guó)的成熟模型進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)文中推導(dǎo)的模型與實(shí)際道路載荷損壞程度一致，其他發(fā)達(dá)地區(qū)的模型并不適應(yīng)于該地區(qū)，進(jìn)而驗(yàn)證了三軸車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞載荷的實(shí)用性。

[1] 周泳濤.公路鋼橋標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)輛荷載研究[C]．中國(guó)鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)橋梁結(jié)構(gòu)分會(huì)中國(guó)鐵道學(xué)會(huì)橋梁工程委員會(huì)2010年學(xué)術(shù)論文集,2010: 31-37.

[2] 李明華.公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)輛荷載研究[J].科技與企業(yè),2014,(20):80.

[3] 段海俠.對(duì)公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車(chē)輛荷載的研究[J].城市建設(shè)理論研究(電子版),2013,(8).

2016-04-11

康博(1987-)，男，河北石家莊人，助理工程師，從事河北省高速公路工程管理工作。

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1008-3383(2016)08-0081-02