蓮城大橋疲勞荷載車輛模型研究

舒小娟，李勇光

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 湘潭 411201)

公路鋼橋因?yàn)槊刻齑蟠笮⌒≤囕v的反復(fù)碾壓會(huì)發(fā)生疲勞損傷.在疲勞設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮合適的車輛荷載而且還要考慮車輛荷載反復(fù)碾壓帶來的疲勞損傷.這時(shí)正確的、合適的車輛荷載頻值譜尤為重要.目前，美國(guó)、英國(guó)提出了適用于他們自己的車輛荷載頻值譜[1-2].但是我國(guó)區(qū)域遼闊，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平不同，各地交通狀況也不一樣，因此各地區(qū)的交通荷載頻值也不盡相同.如文獻(xiàn)[3]研究分析得出了適用于廣州市高架橋的車輛荷載頻值譜；文獻(xiàn)[4]研究廣西地區(qū)公路橋梁疲勞荷載譜并且提出了疲勞損傷修正系數(shù)；文獻(xiàn)[5-11]對(duì)各地區(qū)的荷載譜進(jìn)行了研究.

本文在對(duì)蓮城大橋交通量調(diào)查的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了適用于蓮城大橋的車輛荷載頻值譜，并將其簡(jiǎn)化為更方便和更適用的標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載車輛頻值譜.

1 蓮城大橋交通量調(diào)查

1.1 蓮城大橋周邊環(huán)境及調(diào)查路段

蓮城大橋交通量實(shí)測(cè)點(diǎn)見圖1.蓮城大橋上跨湘江水道，東至芙蓉大道，主橋全長(zhǎng)1 340.86 m，寬27 m.自大橋建成通車后，隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的繁榮發(fā)展，交通量激增，且隨著城市的擴(kuò)張，各種大大小小的車輛也往返于此橋，超載車輛常見，因而此橋承受著大量的超載車輛的反復(fù)作用，由此可以推斷此橋疲勞損傷嚴(yán)重.

圖1 實(shí)際測(cè)點(diǎn)

1.2 交通量調(diào)查方法與結(jié)果分析

通過采用人工和無人機(jī)觀測(cè)相結(jié)合的方法來統(tǒng)計(jì)調(diào)查蓮城大橋的交通量.由調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，共有7 種車輛類型，將其編號(hào)為A1～A7(見表1).

表1 車輛疲勞荷載譜

經(jīng)前期準(zhǔn)備發(fā)現(xiàn)此橋在1:00～6:00 車輛非常少，故將測(cè)試時(shí)間選在6:00～次日1:00.選測(cè)日期和天氣如表2 所示.

表2 測(cè)試時(shí)間及天氣

調(diào)查結(jié)果表明，3 次共統(tǒng)計(jì)出車輛99 890 輛，其中A1 類車為81 740 輛，占總數(shù)的81.8%；A3類車，占比為10.6%；A6 類車占比最小為0.1%；A2～A7 類車中型卡車是公交車的1/2.調(diào)查還發(fā)現(xiàn)，在7:00～9:00 和17:30～18:30 車流量相對(duì)較多；其他時(shí)間客貨車流量差別不大.

2 蓮城大橋疲勞荷載譜

如表1 所示，已有1 組蓮城大橋的車輛疲勞荷載譜.本文可將其簡(jiǎn)化為更加實(shí)用的車輛模型荷載譜.1)根據(jù)調(diào)查結(jié)果，滿載車輛取80%，空載車輛取20%，總計(jì)車輛為99 890 輛；2)括號(hào)內(nèi)為空車總重和軸重.具體方法如下：

A1 類車車重小于30 kN，按照文獻(xiàn)[2]中所述，小于30 kN 車輛忽略不計(jì).表1 中編號(hào)A2～A5 車型都是2 軸車，可以將其合并為新的一種標(biāo)準(zhǔn)2 軸車輛荷載.

根據(jù)等效疲勞損傷原理，計(jì)算各車型中車軸的當(dāng)量重量，并將其按等效軸重公式[7]

求和，即為新的車輛模型的等效軸重.其中，fi為歸于同一類車輛中的第i輛車的相對(duì)頻率；Wij為第i車輛的第j個(gè)軸的軸重；Wej為該類模型車輛第j軸的等效軸重.

以歸于同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對(duì)頻率作為權(quán)數(shù)，按長(zhǎng)度的加權(quán)平均值求出該類模型車輛的長(zhǎng)度.采用的公式[7]為

其中，Aij為歸于同一類車輛中的第i輛車的第j個(gè)軸距；Aj為該類模型車輛的第j個(gè)軸距.

因此，可將6 類車輛模型荷載頻值譜分別簡(jiǎn)化為軸數(shù)為2，3 和4 的3 個(gè)類別的疲勞荷載車輛模型.結(jié)果如表3 所示.

表3 荷載頻值譜

由表2 和表3 可知，簡(jiǎn)化后的疲勞車輛荷載比實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)車輛荷載模型要少，而且在此類橋梁未來的疲勞設(shè)計(jì)中可以用這3 種標(biāo)準(zhǔn)的疲勞車輛荷載作為參考.依據(jù)等效疲勞損傷原理將6 種疲勞荷載頻值譜簡(jiǎn)化為3 種標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載車輛模型：M1 為2 軸車輛模型，總重為135 kN，軸距是3.6 m，交通量占總數(shù)量的16.0%；M2 為3 軸車輛模型，軸距分別為4.1 和1.36 m，總重為250 kN，交通量占總數(shù)量的0.1%；M3 為4 軸車輛模型，軸距分別為1.86，3.56 和1.35 m，總重為310 kN，交通量占總數(shù)量的2.0%.

疲勞累計(jì)損傷準(zhǔn)則

按照等效總重計(jì)算得到各車型造成疲勞損傷占總疲勞損傷的比例，結(jié)果如表4 所示.其中，fn為第n種車型的比例，即歸類后第n種車型車輛數(shù)在所有歸類后車輛中所占的頻值數(shù)；W ri為第i種車型的等效車重；m表示N-S曲線斜率的參數(shù)，文中此參數(shù)為3.

表4 各車型疲勞損傷比率

從疲勞損傷角度分析M3 和M1 車型損傷占比較大，其中M3 車型損傷占總損傷比率最大，為59%，但M3 車型的車流量只為M1 車型的1/8；M1 車型損傷占總損傷比率次之，為39%.

3 結(jié)語

1)蓮城大橋交通量統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，主要車型為小轎車；其次是中型貨車和客車(其中中型卡車是公交車的1/2)；重型貨車和攪拌車最少.

2)對(duì)蓮城大橋日常行駛車輛調(diào)查得到6 種疲勞荷載頻值譜.依據(jù)等效疲勞損傷原理將6 種疲勞荷載頻值譜簡(jiǎn)化為3 種標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載車輛模型，這3 種標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛模型將在此類橋未來的疲勞設(shè)計(jì)中發(fā)揮重要作用.

3)從疲勞損傷角度分析M3 和M1 車型損傷占比較大.