福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載模型研究

■劉少輝顏全哲，2楊佳毅趙曉杰黃俊宇劉淦彬

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載模型研究

■劉少輝1顏全哲1，2楊佳毅1趙曉杰1黃俊宇1劉淦彬1

(1.福州大學(xué)土木工程學(xué)院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

疲勞荷載模型是進(jìn)行公路橋梁疲勞設(shè)計(jì)和可靠性評(píng)估的重要基礎(chǔ)。利用布設(shè)在福建省內(nèi)2個(gè)典型重載交通公路路段上的動(dòng)態(tài)稱重(W IM)系統(tǒng)，實(shí)測(cè)典型的、具有代表性的日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載?；趯?shí)測(cè)的207590條有效車輛荷載數(shù)據(jù)，根據(jù)等效疲勞損傷原理，將實(shí)測(cè)的車輛荷載頻值譜簡(jiǎn)化為由疲勞荷車輛組成的荷載頻值譜。通過(guò)計(jì)算各車型造成的疲勞損傷比例，建立了適用于福建省重載交通公路橋梁的車輛疲勞荷載模型。該模型可供福建省公路橋梁疲勞壽命分析或疲勞設(shè)計(jì)時(shí)參考。

公路橋梁動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)重載交通疲勞設(shè)計(jì)疲勞荷載模型

0 引言

公路橋梁承受車輛荷載的重復(fù)作用，在反復(fù)應(yīng)力的作用下，很容易引起結(jié)構(gòu)的累積損傷，最終導(dǎo)致疲勞破壞?；趯?dǎo)致橋梁疲勞破壞原因，疲勞荷載不能采用最不利情況下的靜力強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)活荷載，而應(yīng)選取典型的、具有代表性的日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載[1]。

國(guó)外較早開展公路橋梁疲勞荷載的研究工作。英國(guó)早在20世紀(jì)70年代就制定出用于鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋疲勞設(shè)計(jì)的車輛荷載譜[2]，并結(jié)合實(shí)際情況對(duì)疲勞荷載計(jì)算模型不斷進(jìn)行修正；美國(guó)、日本等國(guó)也結(jié)合自己的國(guó)情，開展了公路橋梁疲勞荷載譜的研究工作，并在各自的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中，給出了疲勞設(shè)計(jì)荷載譜或疲勞車輛荷載模型[3-4]。

童樂(lè)為和沈祖炎等(1997)[1]在國(guó)內(nèi)首次開展城市道路鋼橋的疲勞荷載譜研究；他們采用現(xiàn)場(chǎng)人工觀測(cè)方法，對(duì)上海市內(nèi)某橋進(jìn)行了交通車輛調(diào)查，并將實(shí)測(cè)的車輛荷載譜簡(jiǎn)化為由6類代表車組成的車輛荷載譜。王榮輝等(2004)[5]也采用類似方法，對(duì)廣州市內(nèi)環(huán)線恒福路段交通情況進(jìn)行實(shí)地調(diào)查；基于交通量調(diào)查結(jié)果，提出了適用于廣州市高架橋疲勞設(shè)計(jì)的疲勞車輛模型及其荷載譜值。趙秋等(2016)[6]采用錄像觀測(cè)法，對(duì)福州市城市橋梁交通荷載和運(yùn)營(yíng)車輛的裝載情況進(jìn)行調(diào)查；基于疲勞荷載調(diào)查結(jié)果，提出了適用于福州市城市鋼橋疲勞設(shè)計(jì)的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型。然而，這些研究工作均存在調(diào)查方法比較粗糙、調(diào)查時(shí)間較短或數(shù)據(jù)樣本空間過(guò)小等不足，導(dǎo)致車輛荷載信息的精確性、全面性無(wú)法得到保證。

近年來(lái)，動(dòng)態(tài)稱重(WIM)技術(shù)在國(guó)內(nèi)逐漸被用于交通荷載的統(tǒng)計(jì)調(diào)查。利用WIM系統(tǒng)進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集，可得到通行車輛數(shù)量、車型、車輛軸重、軸距等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，從而給疲勞荷載譜研究提供了有效的技術(shù)手段。孫守旺和孫利民(2012)[7]利用布設(shè)在北京六環(huán)某路段上WIM系統(tǒng)獲取的運(yùn)營(yíng)交通基本信息，建立了6種不同車型的疲勞等效模型車輛。李星新和任偉新等(2012)[8]根據(jù)貴州壩陵河大橋WIM系統(tǒng)收集的交通荷載數(shù)據(jù)，提出一個(gè)適用于西南山區(qū)高速公路橋梁的3軸標(biāo)準(zhǔn)疲勞車模型。夏葉飛和宗周紅等(2014)[9]基于京滬高速沂淮段新沂河大橋布設(shè)的WIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立了新沂河大橋?qū)嶋H運(yùn)行車輛的疲勞荷載譜，并提出一種基于WIM實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)得到公路橋梁車輛疲勞荷載譜的方法。

與國(guó)外相比，我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)長(zhǎng)期缺乏可用于疲勞設(shè)計(jì)的荷載模型。周泳濤等(2010)[10]依托交通部公路工程標(biāo)準(zhǔn)制修訂項(xiàng)目“公路橋梁疲勞設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)”，首次在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行高速公路交通車輛荷載的實(shí)地調(diào)查；基于調(diào)查結(jié)果，建立了公路鋼橋疲勞設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型，為我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定提供了依據(jù)。

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，公路交通量和負(fù)荷逐年增加，使得橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞問(wèn)題日益突出。盡管我國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[11]已頒布了疲勞荷載計(jì)算模型，然而，考慮到我國(guó)大陸幅員遼闊，各地交通荷載現(xiàn)狀存在較大差異，因此，根據(jù)各地公路交通實(shí)際狀況，研究并制定相適應(yīng)的疲勞荷載模型具有現(xiàn)實(shí)意義。本文依托福建省交通運(yùn)輸科技發(fā)展重點(diǎn)項(xiàng)目“基于實(shí)測(cè)車輛荷載模型的在役橋梁使用性能評(píng)估與多階段管養(yǎng)對(duì)策研究”，首次在福建省典型重載交通公路路段上布設(shè)WIM系統(tǒng)，對(duì)日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的數(shù)據(jù)采集；基于WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)，建立適用于福建省重載交通公路橋梁的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型，供福建省公路橋梁疲勞設(shè)計(jì)參考。

1 車輛荷載數(shù)據(jù)采集

1.1 WIM系統(tǒng)布設(shè)

制定的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型正確與否，是否適合各地實(shí)際、方便用于疲勞設(shè)計(jì)或疲勞分析，取決于所收集基礎(chǔ)資料(包括典型公路橋梁日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載的軸重、軸距、車型等數(shù)據(jù))的深度、廣度以及所收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析的正確性。因此，收集車輛荷載資料的基礎(chǔ)工作尤為重要。

考慮到WIM系統(tǒng)較為昂貴，如果在全省各地市普通公路上都展開交通荷載調(diào)查，將導(dǎo)致調(diào)查工作量及費(fèi)用過(guò)大。根據(jù)近年來(lái)福建省典型重載交通公路的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，本次調(diào)查選擇漳州市華安縣S208線139K+820處的割掘大橋橋頭和泉州市永春縣S306線158K+500處的青溪大橋橋頭處分別布設(shè)1個(gè)WIM系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)交通荷載調(diào)查。圖1和圖2為WIM系統(tǒng)的具體布設(shè)位置。

1.2 車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

在各測(cè)點(diǎn)利用高速WIM系統(tǒng)連續(xù)測(cè)量并記錄實(shí)際通過(guò)的車輛及其各項(xiàng)相關(guān)參數(shù)，包括車重、軸重、軸數(shù)、軸間距及通過(guò)測(cè)點(diǎn)時(shí)刻等數(shù)據(jù)。本文對(duì)調(diào)查路段WIM系統(tǒng)記錄的自2016年10月至2017年3月共6個(gè)月的實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這段時(shí)間WIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示共記錄了214570條原始車輛荷載數(shù)據(jù)。在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之前，按車輛類型和軸數(shù)將車輛類型劃分為7類：小型客車、大型客車、二軸貨車、三軸貨車、四軸貨車、五軸貨車和六軸貨車。由于實(shí)際交通中車輛行為的復(fù)雜性，WIM系統(tǒng)會(huì)記錄一些錯(cuò)誤數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)車輛荷載數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選整理，刪除記錄錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，并按車型剔除對(duì)車輛荷載研究無(wú)影響的無(wú)效數(shù)據(jù)，最終得到列207590條有效的車輛荷載數(shù)據(jù)。表1列出了實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總情況，表中“平均值”和“最大值”均指各型車輛的總重。從表1中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)基于WIM系統(tǒng)采集的車輛數(shù)據(jù)量大，總計(jì)207590條車輛荷載數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計(jì)意義上看已具備足夠多的數(shù)據(jù)樣本空間。

(2)從車流量比例角度看，小型客車、四軸貨車和六軸貨車的車流量比例分別達(dá)到29.13%、17.10%、26.68%，大型客車、三軸貨車和五軸貨車車流量則相對(duì)較小。

(3)從車輛車重角度看，實(shí)測(cè)的三軸、四軸、五軸和六軸貨車的最大車重分別為107.40t、74.75t、105.89t和117.63t，超載量高達(dá)397.78%、207.64%、246.26%和240.06%，重型貨車超載情況均十分嚴(yán)重；其中，二軸貨車和三軸貨車的超載比例分別達(dá)到10.49%和17.19%。

從2個(gè)WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的情況看，2個(gè)測(cè)點(diǎn)的車流量大，重載貨車比例高，超載情況十分嚴(yán)重?？梢?，調(diào)查結(jié)果具有較強(qiáng)的代表性，完全可以應(yīng)用于福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載研究。因此，下文以福建省典型重載交通公路實(shí)測(cè)的日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)車輛疲勞荷載模型進(jìn)行研究。

圖1 漳州市華安縣S208線139K+820處測(cè)點(diǎn)

圖2 泉州市永春縣S306線158K+500處測(cè)點(diǎn)

2 實(shí)測(cè)車輛疲勞荷載模型

2.1 簡(jiǎn)化的疲勞車輛荷載譜

由于WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)的車輛荷載數(shù)據(jù)中車輛種類較多，因此，為便于統(tǒng)計(jì)和分析，需要將其簡(jiǎn)化，并提出一組實(shí)用的車輛荷載頻值譜。具體簡(jiǎn)化方法如下[12]：

(1)對(duì)WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)出現(xiàn)的車輛類型進(jìn)行分類，根據(jù)實(shí)際情況可忽略不需要的數(shù)據(jù)。參考英國(guó)橋規(guī)BS5400[3]，輕小型客貨車總重小于30kN對(duì)橋梁疲勞損傷的影響很小，可忽略不計(jì)。將相同軸數(shù)的車輛合并在同一類，按車輛類型和軸數(shù)將車輛類型劃分為六類車型：客車、二軸貨車、三軸貨車、四軸貨車、五軸貨車和六軸貨車。

表1 實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)匯總

(2)按等效疲勞損傷原理，求出每種車輛模型中各軸的等效軸重，各等效軸重之和即為模型車輛的等效軸重。等效軸重按下式計(jì)算：

式中，fi為第i輛車在所有統(tǒng)計(jì)車輛中所占的頻率(下同)，Wij為第i車輛的第j個(gè)軸的軸重，Wej為該類車輛模型第j軸的等效軸重。

(3)以歸于同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對(duì)頻率為權(quán)數(shù)，按軸距的加權(quán)平均值求出該類車輛模型的各個(gè)軸距。各軸距按下式計(jì)算：

式中，Aij歸為同一類車輛中的第i輛車的第j個(gè)軸距，Aj為該類車輛模型的第j軸距。

從疲勞損傷角度來(lái)分析，綜合考慮車輛比例和疲勞損傷比例兩個(gè)因素，選擇合適的車輛模型作為標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載參考模型。根據(jù)公式(1)計(jì)算得到等效車重，按照標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型的軸型將該等效車重按比例分配到各軸，得到標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型的各軸軸重，從而推導(dǎo)出標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載頻值譜。

按照上述的方法，將各類車輛按照軸型類別進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，并計(jì)算出各類車輛模型的參數(shù)，最終得到對(duì)橋梁疲勞損傷有重要作用的六類疲勞荷載頻值譜，如表2所列。為使得模型車輛的荷載參數(shù)便于統(tǒng)計(jì)和應(yīng)用，車輛軸重均取5kN的倍數(shù)，軸距均取100mm的倍數(shù)。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型

對(duì)于橋梁橋面系構(gòu)件，一般采用單車形式的車輛模型對(duì)其進(jìn)行疲勞驗(yàn)算，故可進(jìn)一步分析疲勞荷載頻值譜的車輛荷載，最終得到一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型。根據(jù)疲勞累計(jì)損傷準(zhǔn)則，由下列公式計(jì)算按照等效總重計(jì)算得到各車型造成疲勞損傷占總損傷的比例。

式中，fi為第i種車型的比例；Wei為第i種車型的等效車重；m為表示S-N曲線斜率參數(shù)，本文取為3。

按照上述方法計(jì)算各車型疲勞損傷比例，表3列出了各車型疲勞損傷比例的匯總情況。從表3中所列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：C3、C4和C6車型疲勞損傷比例較大，其中，C6車型造成的疲勞損傷比例最大為73.10%，而且其流量比例為26.68%，在各個(gè)車型中也是最大的。C3車型和C4車型的疲勞損傷比例分別為11.63%和8.18%；從車流量來(lái)看，其流量比例分別為6.84%和17.10%，相比于C6車型，其疲勞損傷比例和流量比例均相差較大。可見，根據(jù)建省典型重載交通公路橋梁日常運(yùn)營(yíng)車輛荷載實(shí)際情況，選擇C6車型作為標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載參考模型較為合適。按C6車型將該等效車重按比例分配到各軸，可得到標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型的各軸軸重，從而推導(dǎo)出適用于福建省重載交通公路橋梁的車輛疲勞荷載模型，如圖3所示。

表2 車輛荷載模型荷載頻值譜

圖3 福建省重載交通公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載模型

表3 各車型疲勞損傷比例匯總

表4 本文標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型與規(guī)范模型對(duì)比

表4列出了本文所建立的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[11]中的疲勞荷載計(jì)算模型的對(duì)比情況。從表4中可以看出，與我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的疲勞荷載計(jì)算模型相比，本文所建立的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型在總重、單軸軸重及軸距等方面均有所不同；本文模型比規(guī)范疲勞荷載計(jì)算模型的總重小23.5%，說(shuō)明我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范的疲勞荷載計(jì)算模型具有較高的可靠度和前瞻性。

3 結(jié)論

本文基于福建省典型重載交通路段布設(shè)的WIM系統(tǒng)的實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)，研究適合福建省實(shí)際的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型，得出以下結(jié)論：

(1)福建省典型重載交通公路重型貨車超載情況十分嚴(yán)重，最大超載量高達(dá)397.78%，二軸貨車和三軸貨車的超載比例分別達(dá)到10.49%和17.19%。

(2)基于WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)車輛荷載數(shù)據(jù)，得到對(duì)橋梁疲勞損傷有重要影響的六類疲勞荷載頻值譜。

(3)綜合考慮車輛車流量比例和疲勞損傷比例兩個(gè)因素，提出了適用于福建省典型重載交通公路橋梁的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛荷載模型。

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