重載交通路段的橋梁汽車荷載效應(yīng)評(píng)估

張瑋

(1. 福建省建筑工程質(zhì)量檢測(cè)中心有限公司，福建 福州 350028；2. 福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 福州 350001)

近三十年來我國道路交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)持續(xù)呈現(xiàn)爆發(fā)式發(fā)展，據(jù)統(tǒng)計(jì)[1]，我國2020年末擁有公路載貨汽車1 110.28萬輛、載貨重量15 784.17萬噸位，平均每輛車載貨14.22 t，相對(duì)于2019年末的12.49 t/輛增加了13.9%。此外，不同區(qū)域的貨物運(yùn)輸水平具有顯著差異的特征，導(dǎo)致道路運(yùn)輸?shù)呢涇囍剌d超載問題愈加復(fù)雜[2]。

重載貨車對(duì)于交通基礎(chǔ)設(shè)施安全特別是道路運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中的橋梁結(jié)構(gòu)有顯著的威脅，多起橋梁垮塌事故都是由超載重載貨車作用引起的[3]。大量研究表明我國當(dāng)前的運(yùn)輸荷載顯著超過橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范預(yù)期，劉少輝等[4]通過布設(shè)在福建省內(nèi)兩個(gè)典型重載交通路段的動(dòng)態(tài)稱重(weigh in motion, WIM)系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，建立了適用于福建省公路橋梁疲勞壽命分析的汽車荷載模型。周軍勇等人[5]基于我國高速公路采集的兩車道、三車道和四車道WIM數(shù)據(jù)，分析了橫向車道荷載及貨車流量的差異，并分析了差異化車道荷載作用下的車道荷載效應(yīng)及其引起的結(jié)構(gòu)疲勞，研究表明橫向車道上的極值荷載效應(yīng)與等效荷載效應(yīng)均存在顯著差別，但目前規(guī)范體系并沒有考慮對(duì)這一特性做修正。李占峰等[6]調(diào)查了京港澳高速河北省內(nèi)的WIM數(shù)據(jù)并建立了重車荷載模型，將實(shí)際采集重車作用下的T梁荷載效應(yīng)與規(guī)范計(jì)算結(jié)果對(duì)比，結(jié)果表明實(shí)際貨車荷載效應(yīng)達(dá)到規(guī)范計(jì)算的1.2～1.4倍，當(dāng)前規(guī)范汽車荷載模型低估了實(shí)際重載貨車產(chǎn)生的荷載效應(yīng)。顏全哲等[7]基于福建省內(nèi)采集的WIM數(shù)據(jù)分析了實(shí)際貨車作用下的橋梁荷載效應(yīng)，結(jié)果表明規(guī)范公路I級(jí)荷載標(biāo)準(zhǔn)能夠涵蓋實(shí)際貨車作用下的荷載效應(yīng)，但是公路II級(jí)偏于不安全。綜上可知，為了掌握貨車作用下橋梁的結(jié)構(gòu)安全性，需要采集實(shí)際車輛荷載數(shù)據(jù)并開展隨機(jī)車流荷載效應(yīng)分析，評(píng)估橋梁荷載效應(yīng)與規(guī)范荷載模型計(jì)算結(jié)果的關(guān)系，為荷載管理及橋梁健康監(jiān)測(cè)提供參考。

本研究依托某公路橋梁采集的16個(gè)月WIM數(shù)據(jù)開展研究，該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支梁橋，跨徑布置3×28 m，橋?qū)? m承載雙向兩車道，公路II級(jí)設(shè)計(jì)荷載，修建于2010年，結(jié)構(gòu)布置如圖1所示。該橋在最近一次的檢測(cè)中評(píng)定為總體技術(shù)狀況等級(jí)2類，結(jié)構(gòu)基本完好，對(duì)使用狀態(tài)無影響。該橋橋頭安裝了一套WIM系統(tǒng)，系統(tǒng)布置圖如圖2所示。該橋路段長期承載重載運(yùn)輸貨車，主要服務(wù)周邊采石場(chǎng)及采砂場(chǎng)，這種重載運(yùn)輸路段具有普遍代表性，但是由于公路等級(jí)低而管養(yǎng)資源有限，因此這些橋梁在重載貨車作用下的效應(yīng)評(píng)估尤為重要。

圖1 橋梁總體布置圖

圖2 橋梁實(shí)景圖及WIM系統(tǒng)安裝示意圖

1 基于WIM數(shù)據(jù)的荷載特性統(tǒng)計(jì)與建模

本研究采集了該公路橋梁2019年11月至2021年2月的雙車道WIM數(shù)據(jù)，共1 484 993輛車，對(duì)該區(qū)域的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行車型組成、交通流量、車速、車重、軸重及車道分布差異的統(tǒng)計(jì)分析，并建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

1.1 車型組成

通過對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過該橋的車輛主要由表1所示的5種車型組成。其中，軸距3 m的二軸車輛占62.15%，主要是輕型轎車；四軸貨車占30.51%，是占比最高的貨車車型，主要是周邊采石場(chǎng)和采砂場(chǎng)的整體裝卸式貨車；三軸貨車占6.79%，也是用于采石和采砂的整體裝卸式車輛；剩余的五軸和六軸拖掛車占比不超過0.6%，表明該類拖掛車在本橋址不常見。上述貨車組成表明四軸整體式裝卸車是本橋最具典型的車型。

表1 基于WIM數(shù)據(jù)的車型組成分析

1.2 交通流量

統(tǒng)計(jì)16個(gè)月交通流量隨時(shí)間的變化規(guī)律，如圖3所示，除了春節(jié)假期交通量較少外，其余月份的交通流量基本呈現(xiàn)相同的規(guī)律。最大月交通流量為128 741輛/月，出現(xiàn)在9月份；最小月交通流量為23 482輛/月，出現(xiàn)在2月份,為春節(jié)假期。交通流量在常規(guī)月份規(guī)律基本相同，因此在后續(xù)分析中假定常規(guī)月份的車流量具有相同規(guī)律。

圖3 月交通流量的時(shí)變規(guī)律

1.3 車速特性及建模

對(duì)不同車型的行車速度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果如表2所示，車速基本服從正態(tài)分布，擬合誤差RMSE基本在0.03以內(nèi)與二級(jí)公路限速70 km/h一致。隨著軸數(shù)的增加，車輛機(jī)動(dòng)性能降低，其平均速度也逐漸降低。

表2 基于WIM數(shù)據(jù)的車速統(tǒng)計(jì)模型特征

1.4 車重特性及建模

統(tǒng)計(jì)不同車型的車重分布，如表3所示，其中車重分布采用多峰正態(tài)分布進(jìn)行擬合具有很好的擬合精度，擬合誤差RMSE均在0.05范圍內(nèi)。從表3可以看到二軸車最大載重達(dá)到了39.46 t，已經(jīng)嚴(yán)重超載，并呈現(xiàn)顯著的重尾分布；三軸車總體呈現(xiàn)重尾分布特性，最大載重達(dá)到68.57 t但是平均載重為14.12 t；四軸車呈現(xiàn)雙峰正態(tài)分布特性，最大載重83.41 t，平均載重33.24 t，超載率達(dá)到45.88%；五軸車也呈現(xiàn)雙峰正態(tài)分布且最大載重達(dá)到90.56 t，超載率達(dá)到43.79%；六軸車呈現(xiàn)雙峰分布特性，最大載重為109.66 t，超載率達(dá)到20.36%，上述車重特性表明車輛已經(jīng)出現(xiàn)明顯的超載特性。

表3 基于WIM數(shù)據(jù)的車重統(tǒng)計(jì)模型特征

1.5 軸重特性及建模

對(duì)不同車型的軸重與車重關(guān)系建模，統(tǒng)計(jì)得到的相關(guān)性參數(shù)如表4所示，其中四軸車的統(tǒng)計(jì)關(guān)系如圖4所示。本質(zhì)上軸重和車重之間不是完全的線性關(guān)系，具有一定的隨機(jī)性，但是遵循一個(gè)總體的線性關(guān)系，各種軸型車輛的軸重與車重關(guān)系可以通過表4的線性相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行描述。

表4 軸重與車重的線性相關(guān)系數(shù)

1.6 車道分布差異性

在本研究中，橋梁為雙向通行交通。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，車行方向1的總交通量為738 931輛車，車行方向2的總交通量為746 062輛車。

兩個(gè)車行方向上的車輛車重累積概率分布如圖5所示，可以看到兩個(gè)行車方向上車重荷載具有顯著的差別。表5給出了兩個(gè)車行方向上車重統(tǒng)計(jì)分位值的對(duì)比，車行方向2的荷載顯著大于車行方向1，主要原因是車行方向2是裝載砂石出去的方向，而車行方向1是空車進(jìn)入采石場(chǎng)方向。

圖5 不同車行方向車重分布累積概率直方圖

表5 不同車行方向車重統(tǒng)計(jì)分位值對(duì)比

2 基于WIM的橋梁動(dòng)力效應(yīng)評(píng)估

WIM系統(tǒng)采集的是橋頭斷面車流荷載數(shù)據(jù)，這些車流過橋過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力荷載效應(yīng)。因此，將WIM采集數(shù)據(jù)接入隨機(jī)車流-橋梁耦合動(dòng)力模擬系統(tǒng)MSCA中，分析實(shí)際車隊(duì)作用下橋梁動(dòng)力撓度效應(yīng)。選擇28 m標(biāo)準(zhǔn)跨簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)，不考慮橋梁損傷的情況下計(jì)算得到跨中位置各個(gè)梁肋的動(dòng)力撓度響應(yīng)時(shí)程。關(guān)于隨機(jī)車流-橋梁耦合動(dòng)力模擬系統(tǒng)MSCA請(qǐng)參閱文獻(xiàn)[8]，MSCA經(jīng)過驗(yàn)證可以重現(xiàn)實(shí)際采集數(shù)據(jù)在橋梁結(jié)構(gòu)上的加載作用，對(duì)車流荷載效應(yīng)分析具有較高的精度[9]，且能夠用于各類復(fù)雜交通環(huán)境下的隨機(jī)車流與橋梁耦合動(dòng)力分析[8]。

圖6是捕捉到的某時(shí)刻某車輛動(dòng)態(tài)過橋過程中跨中各個(gè)梁肋的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)，可以看到是一輛貨車過橋引橋的結(jié)構(gòu)撓度變化，貨車過完橋后橋梁仍然有小幅度的自由振動(dòng)衰減。其中1#梁的最大位移為9.82 mm，2#梁最大位移為6.11 mm，3#梁最大位移為2.94 mm，而4#梁出現(xiàn)上撓現(xiàn)象最大位移為0.08 mm。引起上述位移變化特性主要是因?yàn)樨涇囎饔迷诳拷?#梁的位置，根據(jù)1#梁的動(dòng)力位移響應(yīng)，獲取其動(dòng)態(tài)撓度增量，計(jì)算得到的1#結(jié)構(gòu)沖擊系數(shù)為0.150 8，2#梁沖擊系數(shù)為0.150 1，3#梁沖擊系數(shù)為0.146 6，4#梁因?yàn)槲灰铺∑溆?jì)算沖擊系數(shù)不具有參考意義。根據(jù)有限元模型計(jì)算獲得該結(jié)構(gòu)的基頻為3.776 Hz，依照規(guī)范計(jì)算得到的沖擊系數(shù)為0.22，顯然規(guī)范計(jì)算結(jié)果要大于實(shí)測(cè)結(jié)果，說明規(guī)范對(duì)于沖擊系數(shù)的考慮是較為安全的。由于采集的WIM數(shù)據(jù)跨越16個(gè)月，開展隨機(jī)車流與橋梁耦合動(dòng)力分析需要耗費(fèi)較高計(jì)算時(shí)長，因此后續(xù)為了方便分析，采用0.22的計(jì)算沖擊系數(shù)替代車橋耦合動(dòng)力分析結(jié)果，且僅考慮隨機(jī)車流的靜力加載效應(yīng)。

圖6 某時(shí)刻某車輛動(dòng)態(tài)過橋過程中跨中各個(gè)梁肋的動(dòng)態(tài)位移響應(yīng)

3 基于WIM的橋梁荷載效應(yīng)分析

計(jì)算得到在16個(gè)月WIM數(shù)據(jù)作用下的各個(gè)梁肋的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力，選取日最大值樣本并繪制其累計(jì)概率分布如圖7所示。在4個(gè)T梁的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力相對(duì)關(guān)系中，1#梁的彎矩和剪力在整體上最大，而3#梁最小，與設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)所認(rèn)知的邊梁荷載效應(yīng)最大是相同的，因?yàn)檫\(yùn)營荷載主要作用在最不利邊緣位置，邊間梁肋的荷載效應(yīng)最為顯著。

圖7 各個(gè)梁肋日最大值荷載效應(yīng)累計(jì)概率分布圖

分析各個(gè)梁肋荷載效應(yīng)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)如表6所示，無論從均值、分位值還是最大值，邊梁荷載效應(yīng)均大于中梁荷載效應(yīng)，且1#邊梁荷載效應(yīng)最為顯著。將這些梁肋在WIM數(shù)據(jù)加載作用下的荷載效應(yīng)與規(guī)范計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，有相當(dāng)部分計(jì)算結(jié)果超過了規(guī)范值，所有荷載效應(yīng)最大值均超過規(guī)范計(jì)算值。在超越規(guī)范計(jì)算值的概率上，1#邊梁最為顯著，跨中彎矩達(dá)到38%而支點(diǎn)剪力達(dá)到94%。這些統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明該橋在實(shí)際車流荷載作用下荷載效應(yīng)顯著超過了規(guī)范計(jì)算值。彎矩荷載效應(yīng)是規(guī)范計(jì)算結(jié)果的1.00～1.38倍，剪力荷載效應(yīng)是規(guī)范計(jì)算結(jié)果的1.71～1.94倍。超過規(guī)范計(jì)算的荷載效應(yīng)預(yù)示該橋梁結(jié)構(gòu)具有顯著的安全風(fēng)險(xiǎn)，需要進(jìn)一步考慮荷載變異性及結(jié)構(gòu)垮塌風(fēng)險(xiǎn)分析。

表6 各個(gè)梁肋荷載效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果及其與規(guī)范計(jì)算值的對(duì)比

4 結(jié)論

1)橋址以四軸貨車為主要交通主體、占有率達(dá)到30.51%，但是運(yùn)輸荷載最為顯著的是六軸掛車，最大載重達(dá)到109.6 t；所有貨車均有不同程度的超載，四軸貨車超載率達(dá)到45.88%，顯示出該橋址區(qū)域顯著的超載重載現(xiàn)象；

2)通過隨機(jī)車流與橋梁耦合動(dòng)力分析發(fā)現(xiàn)，重載貨車通行作用下橋梁的動(dòng)力沖擊系數(shù)為0.15，低于規(guī)范推薦的計(jì)算結(jié)果，表明規(guī)范對(duì)于本橋動(dòng)力響應(yīng)偏安全估計(jì)；

3)實(shí)際車流作用下各個(gè)梁肋的跨中彎矩和支點(diǎn)剪力存在一定程度的差異性，其中邊梁荷載效應(yīng)要顯著大于中梁；車流作用下梁肋跨中彎矩是規(guī)范計(jì)算值的1.00～1.38倍，支點(diǎn)剪力是規(guī)范計(jì)算值的1.71～1.94倍，需要特別關(guān)注。