基于WIM數(shù)據(jù)的公路橋梁交通荷載水平研究

汪永蘭，陳偉健

(中設(shè)設(shè)計集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210014)

近年來，隨著交通基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，公路交通運輸負(fù)荷也越來越繁重，主要體現(xiàn)在以下兩方面：一是交通運輸需求不斷攀升[1]；二是實際交通車輛的總重和軸重增大，超載問題日益突出[2]。準(zhǔn)確認(rèn)識橋梁實際交通荷載水平，對分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷原因、評估橋梁結(jié)構(gòu)安全具有重要意義。

《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTGD60-2004)[3]，以下簡稱為《04橋梁通規(guī)》。汽車荷載模型的確定立足于20世紀(jì)90年代對國道干線4個測點的實際交通車輛數(shù)據(jù)。在確定汽車荷載模型的過程中，雖然通過隨機(jī)過程考慮有100年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)汽車荷載理論平穩(wěn)發(fā)展情況，但隨著經(jīng)濟(jì)社會近20年的發(fā)展，當(dāng)前的實際運營交通汽車荷載狀況已經(jīng)有了較大變化。表1所示為交通部綜合規(guī)劃司公布的2006—2012年公路貨運運輸量相關(guān)統(tǒng)計信息[4]。我國干線公路存在部分橋梁運營時間較短但實際服役狀態(tài)惡化較快現(xiàn)象，雖然橋梁損壞的原因復(fù)雜，但交通荷載的影響是其中的重要因素。

對實際交通荷載水平的發(fā)展變化業(yè)界已進(jìn)行了較多研究。

2010年李嘉維[5]根據(jù)某高速公路實際行車狀況，根據(jù)實際車輛類型、車重和軸距分布，利用統(tǒng)計方法得到8類標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型。2010年楊琪[6]利用WIM系統(tǒng)調(diào)查佛開高速的實際車輛荷載，借助Rice公式計算10～35 m中小跨徑簡支梁、三跨25～45 m連續(xù)梁關(guān)鍵截面在實際汽車荷載作用下的效應(yīng)值，研究實際車輛荷載效應(yīng)與規(guī)范車輛荷載效應(yīng)的差別。2011年梁棟[7]以WIM調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行統(tǒng)計分析，利用蒙特卡洛方法生成模擬車流，并分析研究了廣泛使用的簡支梁橋和連續(xù)梁橋的荷載效應(yīng)(見表1)。

表1 公路貨運量及公路總里程

2013年宗周紅[8]基于動態(tài)稱重系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)得出京滬高速沂淮段新沂河大橋?qū)嶋H運行車輛荷載水平。2014年張征文[9]基于WIM系統(tǒng)采集實測數(shù)據(jù)，以單車過橋情形分析了實際交通車輛荷載作用下跨徑為6～50 m的12種簡支梁橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布規(guī)律，并與現(xiàn)行橋梁設(shè)計規(guī)范中汽車荷載對應(yīng)的效應(yīng)值進(jìn)行對比。

相關(guān)文獻(xiàn)對實際交通車輛統(tǒng)計參數(shù)進(jìn)行了較為詳盡的分析，計算了某一座或某一類橋梁結(jié)構(gòu)在實際車輛作用下的荷載效應(yīng)值，并與《04橋梁通規(guī)》汽車荷載對應(yīng)值進(jìn)行比較。2015年阮欣[10]總結(jié)了當(dāng)前橋梁荷載效應(yīng)極值外推的主要方法，并指出采用不同的外推方法可能導(dǎo)致不一致的結(jié)果。當(dāng)前橋梁交通荷載水平分析存在的主要問題在于：相關(guān)研究僅將《04橋梁通規(guī)》汽車荷載模型當(dāng)作對比荷載工況進(jìn)行計算，忽視其本身含有的可靠度概念，或者并沒有按照規(guī)范交通荷載模型實際獲取過程進(jìn)行同過程比對。本文擬針對這一問題，暫以單個橋梁為例，利用實測WIM數(shù)據(jù)研究橋梁的實際交通荷載水平。

1 實際交通荷載水平分析方法

1.1 《04橋梁通規(guī)》汽車荷載模型計算

《04橋梁通規(guī)》汽車荷載模型的計算，文獻(xiàn)[3，11，12]給出了較為詳細(xì)的過程：

1)選擇具有代表性的國道干線207(山西晉城)、328(江蘇揚(yáng)州)、305(遼寧盤錦)、101(河北承德)等4個測點，詳細(xì)記錄連續(xù)5天共計6萬多輛機(jī)動車觀測記錄的交通車輛荷載數(shù)據(jù)，信息量包括車重、軸重、軸距、車速、車輛通過測點的時刻等。

2)以剔除了異常值的實測自然車隊作為加載主體，選擇具有代表性的簡支梁、連續(xù)梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)加載，得到對應(yīng)荷載效應(yīng)值S。

3)對得到的荷載效應(yīng)值S最大值樣本進(jìn)行概率分布假設(shè)檢驗，得到對應(yīng)概率分布模型，并以此為截口分步計算100年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)某一分位值Sm。

4)以《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTJ 021-89)規(guī)定的汽車荷載模型汽-20及汽-超20為加載主體，同樣加載在第2)步所述的橋梁結(jié)構(gòu)上，得到對應(yīng)荷載效應(yīng)值Q，并將對應(yīng)效應(yīng)比值KSQ=Sm/Q作為統(tǒng)計分析目標(biāo)量。

5)按照測點位置、計算結(jié)構(gòu)類型等因素對KSQ進(jìn)行歸并處理，并進(jìn)行概率分布假設(shè)檢驗。按照不同概率、不同分位值確定荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值、頻遇值和準(zhǔn)永久值，其中荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值對應(yīng)0.95分位值。

1.2 單個橋梁荷載水平計算

針對單個橋梁實際交通荷載水平的計算分析過程更為簡單，即取1.1節(jié)中的前3步進(jìn)行對應(yīng)分析即可。

1)確定加載車隊。如果在目標(biāo)橋梁所在的封閉公路上布置WIM系統(tǒng)，可直接獲得目標(biāo)橋梁的實際交通荷載數(shù)據(jù)。如果目標(biāo)橋梁所在封閉線路沒有WIM系統(tǒng)，則需要綜合目標(biāo)橋梁附近測點的實測數(shù)據(jù)和路網(wǎng)交通流分析，得到符合實際的加載車隊?；蚋鶕?jù)本區(qū)域交通車輛統(tǒng)計分析概率模型，按照Monte Carlo的方法生成模擬車流。

2)獲取荷載效應(yīng)時程曲線。選擇目標(biāo)橋梁所有關(guān)鍵截面對應(yīng)荷載效應(yīng)，計算其影響線后的加載車隊，得到對應(yīng)的目標(biāo)時程曲線。

3)計算荷載效應(yīng)樣本。根據(jù)已獲取的荷載效應(yīng)時程曲線選取時間步長劃分等長時間單元，然后提取每一個時間單元內(nèi)的目標(biāo)荷載效應(yīng)最大值，并進(jìn)行概率分布假設(shè)檢驗。

4)隨機(jī)過程截口分布統(tǒng)計分析。將實際統(tǒng)計時間段的目標(biāo)荷載效應(yīng)最大值概率分布作為截口分布，根據(jù)平穩(wěn)二項隨機(jī)過程的類別，外推100年內(nèi)目標(biāo)荷載效應(yīng)的概率目標(biāo)分位值。

2 實例計算

2.1 工程概況

選擇某預(yù)應(yīng)力變截面懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁作為工程案例進(jìn)行計算。橋梁上部結(jié)構(gòu)跨徑組合為(62+100+62) m，上部結(jié)構(gòu)采用單箱單室箱梁，縱、橫、豎三向預(yù)應(yīng)力體系，橋?qū)?2.75 m，箱梁根部梁高5.8 m，跨中梁高2.5 m，箱梁頂板寬12.75 m，底板寬6 m，翼緣板懸臂長3.375 m。該橋位于104國道交通繁忙路段，荷載等級為公路Ⅰ級，2010年12月建成通車。2013年3月作為相鄰國道橋梁改建時期交通引流通道，交通服役任務(wù)加重。2013年在日常養(yǎng)護(hù)中發(fā)現(xiàn)受力裂縫，2014年3月被評定為4類橋梁。初步分析橋梁結(jié)構(gòu)損傷與超載車輛通行關(guān)系密切[13-14]，2014年5月開始對橋梁按照四類橋進(jìn)行管理養(yǎng)護(hù)，即按照《公路橋涵養(yǎng)護(hù)規(guī)范》(JTG H11-2004)中條文規(guī)定進(jìn)行交通管理。2014年12月開始對該橋進(jìn)行加固方案設(shè)計，2015年5月完成現(xiàn)場加固施工，同期為進(jìn)一步加強(qiáng)交通車輛管制，在上橋頭設(shè)置限高裝置(限高2.8 m)，如圖1所示，并安裝專門的車輛動態(tài)稱重系統(tǒng)(Weight-In-Motion, WIM)。WIM系統(tǒng)能提供車型、車軸重、車輛過稱重斷面時間、車速、車輛所在車道等信息。為節(jié)省篇幅，本次分析僅選擇該橋中跨跨中截面彎矩作為目標(biāo)截面效應(yīng)值進(jìn)行計算(見圖1)。

圖1 通行車輛限高裝置

2.2 計算假定

1)車輛通過WIM稱重斷面后進(jìn)行勻速運動；

2)車輛在行駛過程中不更改車道；

3)允許后一輛車趕超前一輛車的情形。

2.3 計算過程及結(jié)果

本次計算使用橋梁新安裝的WIM系統(tǒng)獲取的2015年10月—2016年4月共233 d的稱重數(shù)據(jù)。運用MIDAS/civil軟件建立該橋有限元仿真模型，并計算中跨跨中截面彎矩的影響線。以單位時間步長模擬實際交通車輛連續(xù)駛過橋面的過程，并記錄每一時刻中跨跨中截面彎矩值，得到對應(yīng)的時程曲線。以1 d作為時間區(qū)段，編程計算每個時間區(qū)段內(nèi)中跨跨中截面彎矩的最大值樣本。

對得到的中跨跨中截面彎矩最大值樣本分別進(jìn)行Gamma分布、正態(tài)分布、對數(shù)正態(tài)分布、Laplace分布、Pareto分布、Beta分布、指數(shù)分布、威布爾分布、極值I型分布，并進(jìn)行參數(shù)估計及假設(shè)檢驗[15]。由計算結(jié)果可知，在檢驗水平為0.05時通過χ2檢驗及K-S檢驗不排除中跨跨中截面的正彎矩，最大值符合Laplace分布，此外正態(tài)分布逼近滿足檢驗條件，如圖2所示。

綜合考慮Laplace分布及正態(tài)分布所代表的概率含義，本文認(rèn)為中跨跨中截面正彎矩最大值符合正態(tài)分布

本次分析是以2015年10月—2016年4月共計233 d的實測車載數(shù)據(jù)為依據(jù)，對應(yīng)時間單元內(nèi)控制截面彎矩最值服從正態(tài)分布，對應(yīng)概率分布函數(shù)為F(x)，并認(rèn)為233 d的數(shù)據(jù)樣本能代表一年實際荷載通行情況。據(jù)此以1年數(shù)據(jù)推導(dǎo)100年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)最大值概率分布函數(shù)Fm(x)的表達(dá)式為

Fm(x)=[F(x)]n.

式中：n為對應(yīng)于平穩(wěn)二項隨機(jī)過程的時間截口比值，在本次計算中n為100。

以汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)值作為對比項，取100年設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)目標(biāo)荷載效應(yīng)最值分布為0.95分位值，與《04橋梁通規(guī)》汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值相對應(yīng)，即

Fm(x)=0.95.

則

F(x)=(0.95)1/100=0.999 49.

計算得到中跨跨中截面正彎矩的最值概率分布目標(biāo)分位值為15 048 kN·m。按照《04橋梁通規(guī)》加載汽車荷載得到中跨跨中截面正彎矩標(biāo)準(zhǔn)值為19 133 kN·m，對應(yīng)荷載的效應(yīng)系數(shù)為

即在當(dāng)前的交通管制條件下，對記錄的實際通行交通荷載數(shù)據(jù)按規(guī)范交通荷載模型獲取過程進(jìn)行同過程計算分析，得到目標(biāo)橋梁中跨跨中截面正彎矩效應(yīng)，與設(shè)計采用的標(biāo)準(zhǔn)值比較后表明未超載。該橋在加固后經(jīng)交通管制，橋梁狀況比較平穩(wěn)，沒有產(chǎn)生新的病害。

3 結(jié) 語

1)本文介紹了《04橋梁通規(guī)》汽車荷載模型獲取的具體計算過程，并在此基礎(chǔ)上詳細(xì)說明了單一橋梁交通荷載水平的研究技術(shù)路線。

2)以2015年10月—2016年4月實際交通車輛荷載為原始數(shù)據(jù)，通過某三跨變截面懸臂現(xiàn)澆連續(xù)箱梁示例計算得到，在交通管制的條件下結(jié)構(gòu)中跨跨中彎矩效應(yīng)水平比設(shè)計荷載對應(yīng)值小。

3)本文所述橋梁交通荷載水平的分析方法，與規(guī)范荷載模型獲取采用了相同的概率分析過程，其結(jié)果能夠與設(shè)計荷載直接比對。在有實際WIM數(shù)據(jù)支撐的前提下，可以借鑒用來分析橋梁結(jié)構(gòu)的實際交通荷載水平，從而有助于準(zhǔn)確分析橋梁的運行狀態(tài)。

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