青銀高速交通量及軸載譜參數(shù)分析

賈志超王林余四新韋金城韓燁

(1.山東建筑大學(xué)交通工程學(xué)院，山東濟(jì)南250101；2.山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南250031)

0 引言

交通荷載是造成路面結(jié)構(gòu)破壞的重要因素，故在路面結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)中必須考慮[1]。與此同時(shí)，因交通量大、軸型及車型多、軸重分布區(qū)間較大等原因，導(dǎo)致交通荷載是難以準(zhǔn)確確定的參數(shù)。目前，描述交通荷載參數(shù)沒有統(tǒng)一的規(guī)定，傳統(tǒng)道路設(shè)計(jì)中主要采用以累積當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次描述和以軸載譜描述交通荷載2種方法描述交通荷載參數(shù)[2]。傳統(tǒng)路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，以單軸雙輪組100 kN為標(biāo)準(zhǔn)軸載，將不同重量的軸載按一定的原則進(jìn)行換算，以累積當(dāng)量軸次描述交通荷載[3]；現(xiàn)行規(guī)范借鑒美國(guó)AASHTO力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)法[4]設(shè)計(jì)指南，利用車輛組成和軸載譜描述交通荷載，該方法利用實(shí)際軸載進(jìn)行力學(xué)計(jì)算，每個(gè)實(shí)際軸載水平均參與計(jì)算，故可以準(zhǔn)確、全面地描述交通荷載，從而有效地避免了當(dāng)量軸載換算帶來的誤差[5]?，F(xiàn)行的瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，采用軸載譜方法分析采集數(shù)據(jù)，但當(dāng)量軸載仍作為輸入?yún)?shù)[6-8]。隨著計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)在山東省高速公路收費(fèi)站的普及應(yīng)用，實(shí)測(cè)軸載譜數(shù)據(jù)成為可能，計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了車輛數(shù)量、類型、軸型、輪組、總重、軸重、通過時(shí)間等信息。通過統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫(kù)，可在無法確定交通荷載數(shù)據(jù)的情況下，為區(qū)域道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析參數(shù)提供參考依據(jù)，省去交通荷載參數(shù)收集、分析環(huán)節(jié)，極大程度地提高工作效率。

1 車輛類型分類

從不同角度對(duì)車輛有不同的分類方法，理論上車輛類型分類越詳細(xì)，描述交通組成特性的數(shù)據(jù)就越全面、越準(zhǔn)確，但缺點(diǎn)是分析過程繁瑣；若分類過于簡(jiǎn)單，則描述交通組成較為粗糙、不全面、不準(zhǔn)確[6]。為方便不同車型數(shù)量的統(tǒng)計(jì)和后續(xù)軸載譜數(shù)據(jù)的分析，按照現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范，車輛軸型根據(jù)輪組和軸組可分成7類，其中1為單軸(每側(cè)單輪胎)、2為單軸(每側(cè)雙輪胎)、3為雙聯(lián)軸(每側(cè)單輪胎)、4為雙聯(lián)軸(每側(cè)各一單輪胎、雙輪胎)、5為雙聯(lián)軸(每側(cè)雙輪胎)、6為三聯(lián)軸(每側(cè)單輪胎)和7為三聯(lián)軸(每側(cè)雙輪胎)。

目前，通過對(duì)青銀高速淄博段交通車輛統(tǒng)計(jì)分析，常見軸型為1(單軸單胎)、2(單軸雙胎)、5(雙聯(lián)軸)、7(三聯(lián)軸)4種軸型。根據(jù)軸型對(duì)車輛進(jìn)行分類(比如11型，共2軸，前軸和后軸都是每側(cè)單輪胎，其余車型亦如此)，見表1。

表1 常見車型與分類表

2 青銀高速交通量分析

利用數(shù)據(jù)庫(kù)軟件對(duì)采集的交通數(shù)據(jù)按不同車型分類統(tǒng)計(jì)，分別對(duì)2013—2015年青銀高速淄博段交通觀測(cè)資料進(jìn)行分析，分別得到1～11類車型數(shù)量。各種車型交通量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

由表2計(jì)算可知，1～11類車輛數(shù)量和呈上升趨勢(shì)。2013年1類車(輕型小汽車)占總交通量的72%，2014、2015年1類車在交通組成中略＞66%，與2013年相比，雖然1類車數(shù)量逐年增加，但是在交通組成中所占比例卻逐漸減小，意味著大型客車和載重汽車在交通組成中比重增大。采用環(huán)比法分析，2013—2014年間增速＜1%，2014—2015年增速＞4%，由此可見，通行的私家車數(shù)量在迅速增長(zhǎng)。2013年平均日交通量略＞10 000輛/日，到2015年，年平均交通量可達(dá)12 000輛/日。

表2 2013—2015年青銀高速淄博段交通量數(shù)據(jù)表

在路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，只考慮大型客車和載重汽車對(duì)路面結(jié)構(gòu)的影響，2013—2014年間大型客車和載重汽車交通量增幅為34%，增幅較大；2014—2015年間增幅為4%，相對(duì)平穩(wěn)。2、3、9、10類車數(shù)量較多且基本呈上升趨勢(shì)，尤其是9類車增幅明顯，基本呈直線比例上升且數(shù)量在同年中大于其他車型(其中9、10類車為半掛車，2、3類分別為大型客車和整體式貨車)。6類車數(shù)量約為50 000且呈穩(wěn)步上升趨勢(shì)，7、8類車數(shù)量＜30 000且逐年下降。4、5和11類車數(shù)量較小且變化趨勢(shì)不明顯，2014—2015年，5、11類車交通量甚至為零。

3 青銀高速交通軸載譜參數(shù)分析

1類車為輕型小汽車，因其軸重和總重均較輕對(duì)路面損害很小，在路面結(jié)構(gòu)分析、設(shè)計(jì)中可忽略不計(jì)，故不列入軸載譜數(shù)據(jù)研究范圍，以下分析只研究2～11類車的軸載譜數(shù)據(jù)及其變化規(guī)律。

3.1 車輛類型分布系數(shù)分析

車輛類型分布系數(shù)為2～11類車中某一類車型數(shù)量占相應(yīng)類型車輛總數(shù)的百分比[3]，其意義在于反映交通組成情況。分別對(duì)2013—2015年青銀高速淄博段交通量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、統(tǒng)計(jì)和計(jì)算，得到2～11類車型的車輛類型分布系數(shù)。表3為3年的車輛類型分布系數(shù)。

從表3可看出，青銀高速淄博段半掛車(7～9和10類車)分布系數(shù)達(dá)到50%，其次是整體式貨車(3、6類車)分布系數(shù)之和為23%，再次是2類車(12型大客車)，4、5和11類車分布系數(shù)之和＜1%。其中，在交通組成中，7、8類車分布系數(shù)連續(xù)3年明顯減少，9類車分布系數(shù)呈上升趨勢(shì)，3、6類車分布系數(shù)雖有波動(dòng)但并無明顯變化規(guī)律，2013—2014年間2類車分布系數(shù)雖然增速較快，但其后增速趨于穩(wěn)定。

表3 車輛類型分布系數(shù)表

3.2 軸數(shù)系數(shù)

平均軸數(shù)指某一類車中某一軸型數(shù)量與該類車數(shù)量的比值。因?yàn)槟骋活愜嚳赡馨瑤追N車型，所以對(duì)某類車軸載組成數(shù)據(jù)進(jìn)行全面統(tǒng)計(jì)、分析后得到的平均軸數(shù)不一定為整數(shù)。2013—2015年間青銀高速淄博段交通各類車的平均軸數(shù)見表4。

表4 2013—2015年各類車輛中不同軸型平均軸數(shù)表

由表4可以看出，部分車類只對(duì)應(yīng)一種固定的車型，如2～5和9類車，不論其對(duì)應(yīng)的交通量如何變化，其平均軸數(shù)永遠(yuǎn)都是定值。相對(duì)而言，6～8、10～11類車都包含幾種車型，故其對(duì)應(yīng)的平均軸數(shù)會(huì)隨著各車型交通量的變化而變化。有幾類車在某年份的平均軸數(shù)全部為零表示該類車在該年的交通量為零。

3.3 月分布系數(shù)

眾所周知，路面結(jié)構(gòu)直接暴露在大氣環(huán)境中，其不僅受車輛荷載豎向力、水平力和沖擊力的作用，同時(shí)受水、溫度變化的影響。因生產(chǎn)生活受季節(jié)變化影響，故交通量隨時(shí)間變化而變化，交通量的增加或減少勢(shì)必對(duì)道路結(jié)構(gòu)工作性能產(chǎn)生一定的影響。與此同時(shí)，山東省淄博市位于華北沿海地區(qū)，屬暖溫帶季風(fēng)氣候類型，降水集中、雨熱同期，春秋短暫、冬夏較長(zhǎng)[9]。路面材料性質(zhì)也會(huì)在一年四季中隨水分、溫度的變化而發(fā)生一定規(guī)律的變化。在炎熱的夏季，路面結(jié)構(gòu)溫度＞60℃，瀝青混凝土的動(dòng)態(tài)模量下降，在交通荷載作用下易發(fā)生車轍病害；在寒冷的冬季，路面結(jié)構(gòu)溫度接近環(huán)境溫度，瀝青混合料模量較高，其抗變形能力強(qiáng)，在交通荷載作用下不易變形，但瀝青混合料屬于黏彈性材料，也有熱脹冷縮的特點(diǎn)，若瀝青混合料塑性差，則易產(chǎn)生裂縫病害。這種溫度變化影響路面工作性能不僅反映在季節(jié)變化上，而且在白天和夜間溫度變化亦如此。雨季或春融時(shí)期，地下水位上升，土基的含水量增大，使得道路結(jié)構(gòu)整體抗變形能力減弱。假如高溫季節(jié)或者春融時(shí)期重載交通量大，不論是瀝青混合料面層還是半剛性基層，抑或路基產(chǎn)生損壞的概率都會(huì)高于其他時(shí)間段。故統(tǒng)計(jì)分析交通量隨時(shí)間的變化規(guī)律是必要的，通過確定月分布系數(shù)來反映一年內(nèi)交通量的變化。

交通量月分布系數(shù)為某一類車輛各月的交通量占年總交通量的百分比[10]。對(duì)2013—2015年交通數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，分別得到2013—2015年的交通量月分布系數(shù)，如圖1所示。3年內(nèi)交通量月分布系數(shù)變化規(guī)律大致相同，分別在5、8和10月出現(xiàn)峰值，“五一”和“十一”為國(guó)家法定節(jié)假日，直接導(dǎo)致交通量急劇增加，8月出現(xiàn)峰值是由于淄博市是重工業(yè)城市，其材料、產(chǎn)品購(gòu)買和出售的運(yùn)輸較多；不同之處在于2014年1月份交通量月分布系數(shù)明顯高于其他兩年，這是由于2014年農(nóng)歷春節(jié)是1月31日，春運(yùn)期間客流量急劇增大，區(qū)域間物資交流頻繁；交通量集中在4～10月份，該時(shí)間段也是雨季和高溫季節(jié)，故道路結(jié)構(gòu)面臨重載、高溫、多雨等多重挑戰(zhàn)。通過分析交通量隨時(shí)間的變化規(guī)律，結(jié)合道路材料隨季節(jié)的變化特性，可以定性描述交通荷載對(duì)道路結(jié)構(gòu)的破壞作用。

圖1 2013—2015交通量月分布系數(shù)變化曲線圖

3.4 軸載譜分析

根據(jù)JTG D50—2017《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定，分別計(jì)算2～11類車輛不同軸型在不同軸重區(qū)間所占的百分比，得到不同軸型的軸重分布系數(shù)，即軸載譜[3]。根據(jù)車型對(duì)交通量進(jìn)行分類，分別統(tǒng)計(jì)各類車中單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的數(shù)量、軸重信息[7]，在確定軸載譜時(shí)，對(duì)于不同的軸型采用如下不同的軸重區(qū)間[3]:

(1)單軸單胎 從0～10 kN開始并作為第一個(gè)軸重區(qū)間，每隔2.5 kN劃分一個(gè)軸重區(qū)間，至200 kN為止；

(2)單軸雙胎 從0～13.5 kN開始并作為第一個(gè)軸重區(qū)間，每隔4.5 kN劃分一個(gè)軸重區(qū)間，至360 kN為止；

(3)雙聯(lián)軸 從0～27 kN開始并作為第一個(gè)軸重區(qū)間，每隔9.0 kN劃分一個(gè)軸重區(qū)間，至720 kN為止；

(4)三聯(lián)軸 從0～54 kN開始并作為第一個(gè)軸重區(qū)間，每隔13.5 kN劃分一個(gè)軸重區(qū)間，至945 kN為止。

根據(jù)上述所劃分的軸重區(qū)間，利用位于各軸重區(qū)間的軸型數(shù)量除以該軸型總數(shù)量再乘以100%即得到該軸型的軸重分布系數(shù)。通過對(duì)該研究路段交通數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析，分別得出3年的單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)[11-16]。為繪圖方便，取各軸重區(qū)間中值為橫坐標(biāo)，軸重分布系數(shù)為縱坐標(biāo)，如圖2～5所示。

圖2為2013—2015年間各類車單軸單胎軸重分布曲線。對(duì)于2類車，其單軸單胎軸重基本分布于0～30 kN之間，10～25 kN較為集中，軸重較?。粚?duì)于3類車，其單軸單胎軸重分布于10～60 kN之間，軸重分布范圍較大，20～50 kN較為集中；對(duì)于6類車，其單軸單胎軸重分布于10～70 kN之間，軸重分布范圍較大，20～60 kN較為集中；對(duì)于7類車，其單軸單胎軸重分布于20～70 kN之間，軸重分布范圍較大，30～60 kN較為集中；對(duì)于8類車，2013年其單軸單胎軸重分布于20～80 kN之間，而2014、2015年其單軸單胎軸重分布于30～70 kN之間，有向中間聚攏的趨勢(shì)，35～65 kN較為集中；對(duì)于9類車，2013—2014年其單軸單胎軸重分布于 30～70 kN之間，2015年其單軸單胎軸重分布于20～80 kN之間，軸載分布范圍有擴(kuò)大的趨勢(shì)，40～60 kN較為集中；對(duì)于10類車，其單軸單胎軸重分布于10～60 kN 之間，20～50 kN 較為集中，2013、2014年的分布曲線呈明顯的雙峰，分別在40、50 kN達(dá)到峰值，是由于10類車基本全是1127型車，而2個(gè)單軸軸重又是不同的，2015年無明顯雙峰。

圖3為2013—2015年各類車單軸雙胎軸重分布曲線。對(duì)于2類車，其單軸雙胎軸重主要位于軸重區(qū)間0～40 kN，軸重較小，單峰曲線；對(duì)于3類車，其單軸雙胎軸重主要分布于區(qū)間30～140 kN，在45 kN軸重分布系數(shù)達(dá)到最大峰值，110 kN軸重分布系數(shù)達(dá)到較小峰值，呈雙峰曲線；對(duì)于6類車，其軸重主要分布于區(qū)間30～160 kN，50 kN時(shí)達(dá)到峰值；對(duì)于7類車，主要分布于30～140 kN，并于50 kN達(dá)到峰值，隨著軸重增大呈下降趨勢(shì)；對(duì)于8類車，主要分布于30～160 kN，呈雙峰曲線，并分別于45、120 kN達(dá)到最大峰值和極小峰值；對(duì)于10類車大部分分布于20～180 kN，呈雙峰曲線，并分別于35、140 kN達(dá)到最大峰值和極小峰值。圖3所述雙峰曲線分別對(duì)應(yīng)空載和滿載2種狀態(tài)。

圖4為2013—2015年各類車雙聯(lián)軸軸重分布曲線。對(duì)于6類車，2013年軸重分布系數(shù)分別在70、220 kN達(dá)到最大峰值和極小峰值，2014、2015年分別大致在70、200 kN達(dá)到最大峰值和極小峰值，從3年軸重分布系數(shù)來看，軸重有向小軸重方向變化的趨勢(shì)，2013、2014、2015年軸重分布系數(shù)達(dá)到最大峰值時(shí)，數(shù)值分別＜10%、略＞10%和明顯＞10%；對(duì)于7類車，2013、2014年分別在70、170kN達(dá)到最大峰值和極小峰值，而2015年分別在60、170 kN達(dá)到最大峰值和極小峰值，從3年軸重分布系數(shù)變化趨勢(shì)看，軸載分布有變小的趨勢(shì)；對(duì)于9類車，軸重分布系數(shù)都呈雙峰曲線，大約都在60 kN達(dá)到最大峰值，但系數(shù)明顯呈變大趨勢(shì)，2013、2014和2015年分別在190、180和160 kN達(dá)到滿載時(shí)的峰值，總之軸載分布系數(shù)有變小的趨勢(shì)。圖4所述雙峰曲線分別對(duì)應(yīng)空載和滿載2種狀態(tài)。

圖5為2013—2015年各類車三聯(lián)軸軸重分布曲線。3年的軸重分布系數(shù)圖形都呈雙峰型，對(duì)于8類車，2013、2014 和 2015 年分別在 60、70、70 kN時(shí)達(dá)到最大峰值，峰值有波動(dòng)，分別在 240、250、200 kN達(dá)到極小峰值；對(duì)于 9類車，2013、2014和2015年分別在60、70、70 kN達(dá)到最大峰值，峰值先變大后變小，3年分別在280、250、240 kN達(dá)到極小峰值，軸重有變小的趨勢(shì)；對(duì)于10類車，2013、2014和2015年分別在30、60、60 kN達(dá)到最大峰值，峰值略有變大，3年分別在290、300、300 kN達(dá)到極小峰值，峰值有變小趨勢(shì)。圖5所述雙峰曲線分別對(duì)應(yīng)空載和滿載2種狀態(tài)。

圖2 2013—2015年各類車單軸單胎軸重分布曲線圖

圖3 2013-2015年個(gè)類車單軸雙胎軸重分布曲線圖

圖4 2013—2015年各類車雙聯(lián)軸軸重分布曲線圖

圖5 2013—2015年各類車三聯(lián)軸軸重分布曲線圖

4 結(jié)論

通過上述分析可知:

(1)2013-2015年總體交通量呈上升趨勢(shì)，交通組成中，1類車所占比例最大，可達(dá)72%，而3年內(nèi)交通組成中所占比重呈現(xiàn)下降趨勢(shì)；2、3、9、10類車所占比例較大，呈現(xiàn)上升趨勢(shì)；6、7、8類車所占比例相對(duì)較小，連續(xù)3年呈下降趨勢(shì)；4、5和11類車數(shù)量少甚至為零，變化規(guī)律不明顯。

(2)2、3和9類車平均軸數(shù)是定值，不隨交通量改變而變化；6、7、8和10類車因包含2種以上的車型，故軸數(shù)系數(shù)隨交通量變化而變化。

(3)交通量分別在5、8和10月達(dá)到峰值，這與國(guó)家法定節(jié)假日及淄博段區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展密切相關(guān)；在4～10月份該路段交通量大，重載車輛多，同時(shí)該時(shí)間段雨熱同期，道路結(jié)構(gòu)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

(4)單軸單胎(方向軸)的軸重分布系數(shù)基本呈單峰特性；對(duì)于整體式貨車和半掛貨車的單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸的軸重分布系數(shù)呈明顯的雙峰特性。3年內(nèi)4種軸型的軸重分布系數(shù)略有波動(dòng)，但并無明顯規(guī)律。