基于動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)實(shí)測軸載分布特征研究

丁婷婷，孫建秀，韋金城，張曉萌，倪廣聰

(1.山東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 濟(jì)南市 250031； 2.山東省交通科學(xué)研究院 濟(jì)南市 250102；3.頓河國立技術(shù)大學(xué) 俄羅斯 羅斯托夫 344022)

0 引言

交通荷載參數(shù)因交通量大、軸型多、車型多、軸重分布區(qū)間較大等原因[1-3]，使之成為路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的設(shè)計(jì)參數(shù)之一，也是最難以準(zhǔn)確確定的參數(shù)之一[4-5]。目前，現(xiàn)行瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范中利用當(dāng)量軸載作為輸入?yún)?shù)，采用軸載譜方法分析采集數(shù)據(jù)，并借鑒美國AASHTO力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法設(shè)計(jì)指南[6]，故可以準(zhǔn)確、全面地描述交通荷載,有效地避免當(dāng)量軸載換算帶來的誤差。但隨著WIM系統(tǒng)在山東省高速公路收費(fèi)站的普及應(yīng)用，實(shí)測軸載譜數(shù)據(jù)成為可能[7]。WIM系統(tǒng)不僅可以測量動(dòng)態(tài)輪胎力、車速、車輛通過時(shí)間等信息，還可以計(jì)算輪重、軸重、總重等數(shù)據(jù)，可以根據(jù)采集的數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫，可在人工無法確定交通荷載參數(shù)的情況下，為區(qū)域道路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析提供參數(shù)參考依據(jù)，極大程度上提高了工作效率。

1 交通荷載參數(shù)的收集與處理

用軸載譜的方法描述交通荷載比以往采用交通量數(shù)據(jù)和代表車型額定軸載更全面、精確。目前我國的設(shè)計(jì)體系采用累積當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次(ESALs)來描述交通荷載，但是為了更如實(shí)地反映實(shí)際的交通水平，需采用軸載譜來計(jì)算累積當(dāng)量標(biāo)準(zhǔn)軸次[8]。

車輛荷載作用是影響路面使用壽命的關(guān)鍵因素之一，它一般以車輛(單車或組合車)總重、各軸型(單軸、雙軸或三軸)的軸重、各輪組(單輪或雙輪)的輪重表征。我國及其他一些國家對道路上行駛車輛有一個(gè)最大車輛總重和軸重許可值，如表1所示。

表1 道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值 t

為了獲得公路的實(shí)際交通荷載，考慮到數(shù)據(jù)采集的復(fù)雜性和完整性，盡可能地為路面設(shè)計(jì)提供完全詳盡的信息，采用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(Weight-in-Motion，WIM)進(jìn)行道路實(shí)測軸載譜數(shù)據(jù)采集分析處理。該系統(tǒng)不僅可以避免交通量數(shù)據(jù)與代表車型軸載不符的問題，還可以在計(jì)算機(jī)的控制下，對正常高速行駛中的載重車輛進(jìn)行重量檢測，收集車輛的重量、行駛速度、車道流量等交通信息。為類似交通條件下利用道路軸載譜來分析道路的交通荷載情況。

2 交通量分析

為能全面、精確地反應(yīng)交通荷載特性，從而得到更加可靠的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，對濟(jì)青高速公路從2019年10月26日到2020年10月27日所有通行車輛所采集的數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](JTG D50—2017)確定車輛類型分布系數(shù)、軸數(shù)系數(shù)、軸重分布系數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2.1 年平均日交通量

通過WIM系統(tǒng)進(jìn)行采集及統(tǒng)計(jì)處理，得到2020年較2019年相比，年平均日交通量明顯增多，且在春秋季節(jié)(4月至5月、9月至10月)達(dá)到高峰期。如表2。

表2 濟(jì)青高速年平均日交通量

2.2 車輛類型分布系數(shù)

車輛類型分布系數(shù)指的是各種類型卡車在所有卡車中所占的百分比，根據(jù)WIM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，對濟(jì)青高速各類車輛類型所占比例分析得到：3類車型所占分布系數(shù)最高，4類車型最少。在交通組成中，4類、7類、8類車分布系數(shù)占比重較小，3類、9類車分布系數(shù)比重較大，5類、11類車型并未分布。

2.3 車輛的行駛速度

車輛的行駛速度會(huì)對路面產(chǎn)生不同程度的損傷破壞，通過WIM系統(tǒng)對濟(jì)青高速所采集到的數(shù)據(jù)分析和處理，得到了所有車的行駛速度分布圖和車速的累積分布圖，如圖1所示。

圖1 濟(jì)青高速車速累計(jì)分布圖

從圖1分析可知，車輛速度主要集中在75～90km/h之間，且車速在85km/h分布率高達(dá)15.3%左右；車輛速度的累積分布率在50%時(shí)對應(yīng)車速為73km/h，符合設(shè)計(jì)使用車速范圍。

2.4 軸數(shù)系數(shù)

軸數(shù)系數(shù)是指每一種車型各種類型軸(單軸、雙聯(lián)軸、三聯(lián)周)的平均軸數(shù)。通過我國的當(dāng)量軸載換算公式(式1)，對于單軸單胎和單軸雙胎采取不同輪組系數(shù)分開分析，得到各車輛類型的平均軸數(shù)如表3。

表3 各類車型的平均軸數(shù)

(1)

式中：NAPTmi—m類車輛中i種軸型的平均軸數(shù)；

NAmi—m類車輛中i種軸型總數(shù)；

NTm—m類車輛總數(shù)；

i—分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸；

m—2～11類車型。

2.5 卡車小時(shí)分布系數(shù)

卡車交通量小時(shí)分布系數(shù)指的是年平均日交通量在每個(gè)小時(shí)內(nèi)的分布。由濟(jì)青高速WIM數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出2020年卡車小時(shí)分布系數(shù)，如圖2所示。

圖2 濟(jì)青高速卡車小時(shí)分布系數(shù)

由圖2分析可知：6軸車占比重最大，且夜間顯著增加；3軸、4軸車型分布及運(yùn)動(dòng)軌跡基本一致，7軸車型分布最小，高峰時(shí)段主要分布在6:00～8:00之間，之后波動(dòng)變動(dòng)趨勢不大；一天之中，因貨車重量大、數(shù)量多，路面溫度隨氣溫的變化而變化，能夠準(zhǔn)確地反映當(dāng)今社會(huì)的交通變化情況。

3 交通軸載特征分析

車輛軸載譜表示車輛不同軸型在不同軸重區(qū)間所占的百分比。按《公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范》[8](JTG D50—2017)中式A.3.1-2(式2)計(jì)算2類～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)[8]。

(2)

式中：ALDFmij—為m類車輛中i種軸型在j級軸重區(qū)間的軸重分布系數(shù)；

NDmij—為m類車輛中i種軸型在j級軸重區(qū)間的數(shù)量；

NAmi—為m類車輛中i種軸型的數(shù)量；

i—分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯(lián)軸、三聯(lián)軸；

m—2類～11類車。

借助道可道系統(tǒng)軟件，將WIM系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)按各種軸載類型的軸重區(qū)間劃分得到車輛不同類型、不同軸型的軸載分布，即軸載譜，如圖3～圖6所示。

圖3 單軸單胎軸載譜

圖4 單軸雙胎軸載譜

圖5 雙聯(lián)軸軸載譜

圖6 三聯(lián)軸軸載譜

通過分析可得，2類、3類、4類、6類、7類、8類、9類、10類車都有單軸，不同的是有前、中、后單軸之分，單軸單胎車輛類型分布比較廣泛，2類、4類、6類、7類、8類、9類、10類車有雙聯(lián)軸，其中2類車小軸重區(qū)間分布多于其他類型車；只有8類、9類、10類車有三聯(lián)軸，8類車比9類、10類車軸重區(qū)間分布相對均勻；5類、11類車型未有分布。

通過在濟(jì)青高速兩條拓寬車道上(3車道、4車道)設(shè)置車輛拍照系統(tǒng)，根據(jù)WIM系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)信息，對各斷面內(nèi)貨車的輪跡橫向分布研究得到：3車道左輪路面橫向分布主要分布在90～130cm處,且115cn處所占分布比重最大，而右輪主要分布在290～325cm處，其中在305cm處分布比重較大；4車道左輪沿路面橫向分布主要在65～105cm之間，其中85cm處所占分布率最大，而右輪主要分布在265～305cm處，275cm處分布所占比重最大。

由此可見，貨車在重載車道(3車道、4車道)上行駛分布比較均勻，且在大多數(shù)時(shí)間內(nèi)，貨車是以系列車隊(duì)的形式行駛。因3車道、4車道貨車相對車流量大，車速相對較慢，車間距相對較小，很難完成超車，行車安全系數(shù)高。但在交通量小時(shí)，部分貨車會(huì)變換車道完成超車行為，表現(xiàn)為在低交通量時(shí)段，橫向分布頻率在左側(cè)增大，右側(cè)減小。

4 結(jié)語

對在山東省濟(jì)青高速公路上，利用動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)(WIM)實(shí)測的2019年至2020年的軸重?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行了分析, 確定了其軸載譜分布特征，通過分析發(fā)現(xiàn)拓寬后的高速公路年平均日交通量明顯增多，交通量調(diào)節(jié)系數(shù)變化幅度較大。另外, 通過采用移動(dòng)測速設(shè)備，對拓寬后貨車車輛的交通橫向荷載分布特征進(jìn)行觀測分析，發(fā)現(xiàn)該路段行車安全系數(shù)較高。本研究也體現(xiàn)了在路面結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)中, 采用軸載譜的方法可以更全面、更精確地分析交通荷載對路面結(jié)構(gòu)的破壞作用, 為類似區(qū)域條件下道路設(shè)計(jì)分析提供了基本的交通輸入?yún)?shù)。