擁堵交通環(huán)境下橋梁安全風(fēng)險及其極端車輛荷載模型研究

王杰釗

摘? 要：近20年我國交通運輸產(chǎn)業(yè)井噴式發(fā)展，車輛運輸荷載等級、交通組成狀況、交通流量等都發(fā)生了顯著變化，現(xiàn)有規(guī)范體系的車輛荷載模型難以準(zhǔn)確表達(dá)大跨徑橋梁的設(shè)計需求。以蕪湖長江公路二橋為依托工程，采用MSCA微觀車流模擬技術(shù)，分析了交通擁堵情況下的橋梁各類構(gòu)件響應(yīng)特性和行為，對橋梁構(gòu)件進(jìn)行安全評估，建立結(jié)構(gòu)安全評估用車輛荷載模型。

關(guān)鍵詞：橋梁;大跨徑;隨機(jī)車流;車輛荷載

中圖分類號：U441.2? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）27-0051-03

Abstract： In recent 20 years， China's transportation industry has been developed in a dramatic speed， the grade of vehicle load， the structure of transportation system and traffic flows have been changed significantly. Therefore， the existing vehicle load standard could not meet the long-span bridge design requirement. The research is based on Wuhu Yangtze River Highway Second Bridge project， which uses MSCA micro-vehicle flow simulation technology to analyze the stress characteristics of different parts of the bridge under traffic congestion situation. The purpose of the research is to evaluate the safety of the bridge structure and build the vehicle load model for structure safety assessment.

Keywords： bridge; long span; random traffic flow; vehicle load

引言

車輛荷載是橋梁可變作用的重要組成，提高車輛荷載的計量精度對大跨徑橋梁作用響應(yīng)特性的研究分析，對于優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計、增加運營管理、避免突發(fā)橋梁狀態(tài)都具有重要意義。

Nowak等人根據(jù)實測的卡車荷載數(shù)據(jù)，分析車輛荷載對中小跨徑橋梁結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特征，建立了基于可靠度的抗力與荷載分項系數(shù)設(shè)計方法[1]。隨后，Nowak通過多組WIM數(shù)據(jù)分析了現(xiàn)行HL-93荷載模式對于大跨徑橋梁的適用性[2]。韓國學(xué)者Hwang基于等效荷載的方式建立了大跨徑橋梁的車輛荷載模型[3]。O'Brien和Caprani 等采用微觀車流模擬技術(shù)形成橋梁上各種狀態(tài)的擁擠交通流[4]。Enright用實測WIM數(shù)據(jù)形成擁堵交通流，研究了實際交通對大跨徑斜拉橋和懸索橋影響[5]。阮欣等研究了大跨徑多塔纜索承重橋梁的車輛荷載效應(yīng)規(guī)范[6]。隨著研究的推進(jìn)，發(fā)現(xiàn)大跨徑橋梁的車輛荷載仍存在較多的不確定性。本研究采用MSCA微觀車流模擬技術(shù)，仿真蕪湖長江公路二橋在運營使用過程中所有可能面臨的各種交通擁堵問題，建立滿足極端交通作用下的評估用車輛荷載模型。

1 橋梁交通擁堵與極端車輛荷載

1.1 交通擁堵類型及其發(fā)生概率

交通事故、天氣狀況、道路施工等易引發(fā)非周期性交通擁堵，此時貨車比例較高，往往對橋梁安全產(chǎn)生很大的威脅。本研究仿真交通事故情況下在橋面形成的擁堵情形，根據(jù)我國高速公路事故統(tǒng)計資料，選取最大的事故發(fā)生概率，根據(jù)單項三車道日均交通量40000，假定包含橋梁在內(nèi)的道路5km內(nèi)擁堵影響橋上荷載分布，得到一年發(fā)生49.28次交通事故，嚴(yán)重?fù)矶麓螖?shù)為41次。

1.2 擁堵交通的微觀車流模擬

通過在橋梁末端設(shè)置限速5km/h方式推定擁堵情況（圖1），每次交通擁堵時長模擬1天。

模擬道路長度2000m，橋梁長度1622m，模擬道路前部分的左右各189m作為模擬車輛的過渡區(qū)域，在MSCA中擁堵及正常行車情況下參數(shù)取值如表1所示。

共模擬100天的交通擁堵，采用每天荷載效應(yīng)的最大值進(jìn)行廣義極值分布GEV模型擬合，圖2為某天內(nèi)中跨主梁彎矩效應(yīng)時程曲線圖。

2 擁堵交通環(huán)境下橋梁極端車輛荷載響應(yīng)

2.1 雙主梁體系荷載響應(yīng)規(guī)律

通過GEV擬合分析，日均交通流量40000veh/d情況下，外推的彎矩效應(yīng)大約為規(guī)范的0.7倍;日均交通流量達(dá)到60000veh/d時，外推的彎矩效應(yīng)接近規(guī)范效應(yīng);日均交通流量達(dá)到100000veh/d時，外推的彎矩效應(yīng)為規(guī)范的1.07～1.24倍。采用分段函數(shù)對交通流量影響進(jìn)行表述：

2.2 四索面拉索的荷載響應(yīng)特性

通過GEV擬合分析中，當(dāng)日均交通量40000veh/d，實際車流作用下的索力效應(yīng)大約為規(guī)范的0.6倍左右;日均交通流量達(dá)到60000veh/d時，實際車流作用下的索力效應(yīng)在規(guī)范0.9倍左右，日均交通流量高達(dá)100000veh/d，實際車流作用下的索力超過規(guī)范的1.2倍。從偏于保守角度，可采用統(tǒng)一的函數(shù)表達(dá)日均交通流量對預(yù)測極值效應(yīng)的影響，可回歸如下函數(shù)：

（2）

2.3 柱式塔結(jié)構(gòu)的荷載響應(yīng)行為

通過GEV擬合分析柱式塔塔底縱向彎矩效應(yīng)和橫向彎矩效應(yīng)，得出在日均交通流量40000veh/d、100000veh/d情況下，外推的彎矩效應(yīng)分別為規(guī)范的0.5、0.8倍左右?？捎媒y(tǒng)一函數(shù)表述預(yù)測極值效應(yīng)與交通流量的關(guān)系：

（3）

3 基于橋梁安全的極端車輛荷載模型

3.1 荷載形式與加載模式

根據(jù)蕪湖二橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)影響面的分析：柱式塔的效應(yīng)，可以考慮僅采用布線荷載的荷載形式;雙主梁、拉索的效應(yīng)，需要考慮均布線荷載+集中荷載的荷載形式。

3.2 荷載取值

定義荷載取值為三車道總和結(jié)果，基于80000veh/d反推的均布荷載取值如表2所示。由于日均交通流量對于橋梁結(jié)構(gòu)的受力特性影響顯著，因此需要將日均交通流量對本橋評估用車輛荷載模型取值進(jìn)行修正，公式如下：

（4）

式中：q-需要計算的三車道荷載型式取值。

qk-表2中荷載取值。

ηAADT-日均交通流量修正系數(shù)，用ηAADT=0.075A

ADT+0.4計算，單位萬輛/天。

3.3 對橋梁運營的管理建議

對于蕪湖二橋的拉索體系和主梁縱向彎矩問題，需要加強(qiáng)對超載重車車流的懲罰力度，降低超重車同時出現(xiàn)的概率，同時需要對拉索和主梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行定期檢查，保障橋梁結(jié)構(gòu)的運營安全。

4 結(jié)束語

本文研究了擁堵交通狀況下橋梁關(guān)鍵構(gòu)建體系的安全性問題，并基于實際車流作用響應(yīng)推到了橋梁安全評估用車輛荷載模型。研究發(fā)現(xiàn)在日均交通流量達(dá)到60000veh/d時，主梁彎矩和拉索索力效應(yīng)將超過規(guī)范;柱式塔彎矩效應(yīng)始終低于規(guī)范水平。研究推導(dǎo)的車輛荷載模型，可以用于蕪湖二橋后期運營使用過程中雙主梁、四索面的柱式塔的車輛荷載效應(yīng)計算，為評估梁結(jié)構(gòu)安全性提供參照標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)：

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