吉縣至河津高速公路交通軸載譜實(shí)測(cè)研究

劉力源，李 明，秦世英

（1.山西省交通科學(xué)研究院黃土地區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030006；2.山西交通控股集團(tuán)有限公司 臨汾北高速公路分公司，山西 臨汾 041000；3.山西交通控股集團(tuán)有限公司 臨汾南高速公路分公司，山西 臨汾 041000）

公路結(jié)構(gòu)的主要服務(wù)對(duì)象是車輛，反過(guò)來(lái)，這些車輛是造成路面結(jié)構(gòu)損傷的主要因素，也是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要因素。車輛的軸重及作用次數(shù)的多少都會(huì)影響路面結(jié)構(gòu)的使用壽命，因?yàn)椴煌嗇S構(gòu)型的車輛每行駛一次都將造成路面結(jié)構(gòu)的變形和損傷。因此，對(duì)于路面設(shè)計(jì)者和管理者而言，不僅需要掌握交通量的資料，更需要不同大小的軸載在這個(gè)車輛組成中所占的比例，即軸載譜的資料[1]。

吉縣至河津高速公路是國(guó)道G59呼和浩特至北海的組成部分，同時(shí)也是山西省高速公路網(wǎng)規(guī)劃“三縱十二橫十二環(huán)”的重要組成部分。該路段于2016年9月正式通車。為了深入掌握吉河高速公路的交通軸載狀況，以便于養(yǎng)護(hù)管理部門科學(xué)決策，筆者通過(guò)實(shí)地?cái)?shù)據(jù)采集，對(duì)吉河高速的交通軸載譜進(jìn)行分析研究。

1 數(shù)據(jù)概況及分析方法

本文通過(guò)吉河高速河津北收費(fèi)站調(diào)研了軸載數(shù)據(jù)。調(diào)研數(shù)據(jù)包括：進(jìn)口和出口收費(fèi)站的名稱和時(shí)間、軸型組成、限重、總重、軸型及軸重信息等。

根據(jù)吉河高速公路建設(shè)管理處提供的交通量數(shù)據(jù)，主要對(duì)各車型超限比例、各軸型軸載譜、各斷面累計(jì)當(dāng)量軸次和交通量增長(zhǎng)率4個(gè)方面進(jìn)行了分析，具體分析方法如下。

1.1 各車型超限比例

不同類型的車輛作用于路面上對(duì)路面結(jié)構(gòu)的損壞程度也各不相同。在交通荷載的統(tǒng)計(jì)分析時(shí)，需要將車型加以區(qū)分。這需要結(jié)合具體的數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分類，一般來(lái)說(shuō)，1～4分別代表一型客～四型客，11～15分別代表一型貨～五型貨，21～22分別代表一型集裝箱～二型集裝箱[2]。分類完成后，計(jì)算車型比例、超限車比例、超限車平均超限率。具體計(jì)算方法如下[3]：

a）車型比例 由各車型的交通量除以所有車型的總交通量得出。

b）超限車比例 對(duì)各車型先分別統(tǒng)計(jì)出超限車數(shù)量（即總重超過(guò)限重的車輛），再用超限車數(shù)量除以該車型總交通量得出。

c）超限車平均超限率 對(duì)于超限車輛，超限率的計(jì)算公式為（車貨總重-限載質(zhì)量）/限載質(zhì)量，對(duì)所有超限車輛的超限率進(jìn)行評(píng)價(jià)即得到超限車的平均超限率。

1.2 各軸型軸載譜

軸載譜是指對(duì)一定的軸載類型，軸重位于一定軸重區(qū)間的軸數(shù)量在總軸數(shù)量中所占的百分比[4]。它能從整體上準(zhǔn)確地描述軸載的重量及所占的比例。

數(shù)據(jù)庫(kù)中包含每輛車的軸型組成及軸重?cái)?shù)據(jù)。輪軸類型主要有9種，軸組類型代碼見(jiàn)表1，幾種典型軸型示意圖見(jiàn)圖1[5]。

表1 軸組類型代碼

圖1 車輛軸型

按照不同的輪軸類型分類，然后對(duì)所有軸進(jìn)行重量的統(tǒng)計(jì)，按照軸型歸類得到各類軸的軸載譜。

1.3 各斷面累計(jì)當(dāng)量軸次

a）根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)中車輛的進(jìn)出口站名，整理出屬于每個(gè)路段的交通量信息。數(shù)據(jù)庫(kù)中雙向交通均包括，本次數(shù)據(jù)處理首先將雙向交通統(tǒng)一處理，得到斷面交通量。

b）分路段處理軸組信息，得出軸型和軸重一一對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。并分軸型統(tǒng)計(jì)得出軸載譜數(shù)據(jù)和軸載譜圖。

c）累計(jì)當(dāng)量軸次換算參考現(xiàn)行規(guī)范，按式（1）計(jì)算。

式中：N為標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，次；ni為被換算車型的各級(jí)軸載作用次數(shù)，次；P為標(biāo)準(zhǔn)軸載，kN；Pi為被換算車型的各級(jí)軸載，kN；C1為被換算車型的軸數(shù)系數(shù)；C2為被換算車型的輪組系數(shù)；K為被換算車型的軸載級(jí)別。

當(dāng)軸間距大于3 m時(shí)，應(yīng)按單獨(dú)的一個(gè)軸載計(jì)算；當(dāng)軸間距小于3 m時(shí)，雙軸或多軸的軸數(shù)系數(shù)換公式（2）計(jì)算。

式中：m為軸數(shù)。

d）根據(jù)道路基本信息和方向系數(shù)，換算得出各路段單車道累計(jì)當(dāng)量軸次。

1.4 標(biāo)準(zhǔn)軸次增長(zhǎng)率

路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是以BZZ-100為標(biāo)準(zhǔn)軸載進(jìn)行軸載換算，求出標(biāo)準(zhǔn)軸載的當(dāng)量軸次，以交通量增長(zhǎng)率為參數(shù)，計(jì)算設(shè)計(jì)年限內(nèi)累計(jì)當(dāng)量軸次，并進(jìn)行路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。在此進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)軸次交通量增長(zhǎng)率的計(jì)算[6]。

根據(jù)交通量增長(zhǎng)率的概念，第一年交通量為N1，第T年交通量NT為：

對(duì)式（3）兩邊取對(duì)數(shù)處理，結(jié)果如式（4）：

式（4）中，由于 γ 為定值，則 lg（1+γ）為常數(shù)，同時(shí)lgN1也為常數(shù)，故lgNT與（T-1）為線性關(guān)系，由此，令：

根據(jù)交通量資料及上式進(jìn)行回歸分析，可求得回歸系數(shù)A、B；再由B值求得交通量增長(zhǎng)率γ。根據(jù)3年的累計(jì)當(dāng)量軸次即可計(jì)算出增長(zhǎng)率。

2 調(diào)研結(jié)果

按照第1節(jié)介紹的方法對(duì)吉河高速的軸載狀況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，下文分別從重貨車超限狀況、各軸型軸載譜、累計(jì)當(dāng)量軸次3方面以此進(jìn)行分析。

2.1 重貨車超限狀況

2.1.1 車型比例

表2是統(tǒng)計(jì)得到的吉河高速一周內(nèi)通車的各車型數(shù)量，客1是指7座以下的小轎車，客2是指8～9座的小客車，客3是指20～39座的中型客車，客4是指40座以上的大型客車。貨1是指車重在2 t以下的小貨車，貨2是指車重在2～5 t的貨車，貨3是指車重在5～10 t的貨車，貨4是指車重在10～15 t的貨車，貨5是指車重在15 t以上的大貨車。貨5即為重貨車，對(duì)重貨車在所有車型中所占的比例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖2所示。從圖2中可以看出，吉河高速的重貨車比例較高，在一周的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，重貨車比例分布在40%～60%之間。

表2 各車型數(shù)量

圖2 重貨車比例

2.1.2 超限車比例

我國(guó)規(guī)定的各軸型的限載值如表3所示。

表3 我國(guó)規(guī)定的各軸型限載值 kN

對(duì)各車型先分別統(tǒng)計(jì)出超限車數(shù)量（即總重超過(guò)限重的車輛），再用超限車數(shù)量除以該車型總交通量得出超限車比例，如圖3所示。從圖中可以看出，在一周的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，吉河高速的重車超載率很高，最低超載率為66.67%，最高超載率達(dá)到89.64%。

圖3 超限車比例

2.1.3 超限車平均超限率

超限車平均超限率的計(jì)算公式為（車貨總重-限載質(zhì)量）/限載質(zhì)量，對(duì)所有超限車輛的超限率進(jìn)行平均即得到超限車的平均超限率。在一周的統(tǒng)計(jì)時(shí)間內(nèi)，吉河高速的平均超限率如圖4所示。從圖中看出，平均超限率在10%～15%之間。

圖4 超限車平均超限率

2.2 各軸型軸載譜

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，吉河高速所行駛的貨車的軸型有4種，分別是單軸單輪、單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪，如圖5所示。

圖5 吉河高速的貨車軸型種類

對(duì)各軸型的軸載譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如圖6～圖9所示。

圖6 單軸單輪軸載譜

圖7 單軸雙輪軸載譜

圖8 雙軸雙輪軸載譜

圖9 三聯(lián)軸雙輪軸載譜

從圖中可以看出，單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪這3種軸載譜可以用兩個(gè)正太分布加權(quán)和的雙峰型概率分布表征[7-8]。

擬合結(jié)果如表4～表6，圖10～圖12。

圖10 雙軸雙輪擬合結(jié)果圖

表4 雙軸雙輪擬合參數(shù)

圖11 三聯(lián)軸雙輪擬合結(jié)果圖

表5 三聯(lián)軸雙輪擬合參數(shù)

圖12 單軸雙輪擬合結(jié)果圖

表6 單軸雙輪擬合參數(shù)

從擬合結(jié)果來(lái)看，單軸雙輪、雙軸雙輪、三聯(lián)軸雙輪的軸載譜均可以用雙峰正太分布模型表征，并且擬合優(yōu)度很高，這可以為吉河高速的交通軸載譜預(yù)測(cè)提供幫助。

2.3 計(jì)算累計(jì)當(dāng)量軸次

根據(jù)2.2中得到的軸載譜，按照1.3中的計(jì)算方法計(jì)算初始年和設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次，設(shè)計(jì)年限按照15年計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表7和表8所示。

表7 初始年的累計(jì)當(dāng)量軸次

表8 設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次

根據(jù)表8，分別按照設(shè)計(jì)年限15年和50年，計(jì)算交通增長(zhǎng)率分布范圍為6.5%～20%內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次，并繪制圖13。

圖13 累計(jì)當(dāng)量軸次隨交通增長(zhǎng)率變化的變化趨勢(shì)

從圖中可以看出，在設(shè)計(jì)年限15年內(nèi)，當(dāng)交通增長(zhǎng)率為6.5%時(shí)，吉河高速的累計(jì)當(dāng)量軸次為3×108次，這一數(shù)值為偏低水平。從軸載譜的分布規(guī)律來(lái)看，重軸所占頻率都較小?？梢耘卸痈咚倌壳暗慕煌繉儆谳p交通級(jí)別。

3 結(jié)論

a）本文分析了吉河高速的重貨車超載狀況：吉河高速的重貨車比例較高，在一周的統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)，重貨車比例分布在40%～60%之間；吉河高速的重車超載率很高，最低超載率為66.67%，最高超載率達(dá)到89.64%；吉河高速的平均超限率在10%～15%之間。

b）本文針對(duì)吉河高速的主要軸型，統(tǒng)計(jì)各軸型頻次，得出了各軸型軸載譜，從軸載譜的分布規(guī)律來(lái)看，重軸所占頻率都較小。

c）本文提出了可以表征單軸雙輪，雙軸雙輪，三聯(lián)軸雙輪軸載譜的雙峰正太分布模型，這可以為吉河高速的交通軸載譜預(yù)測(cè)提供幫助。

d）根據(jù)軸載譜，計(jì)算得到吉河高速初始年和設(shè)計(jì)年限內(nèi)的累計(jì)當(dāng)量軸次，雖然重車比例以及超載率較高，但由于交通量目前較低，因此當(dāng)前吉河高速的交通量屬于輕交通級(jí)別。