山东省高速公路桥梁车辆荷载研究
时间：2023-02-08 14:25:07 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
邢振华，周广利，刘恩广，侯跃敏
（山东省交通科学研究院，山东 济南 250031）
由于经济发展水平和产业结构的不同，不同区域高速公路的交通荷载状况存在一定的差异。我国设计规范中并未对以上的差异作明确的区分，因此，对既有区域或线路上的车辆荷载进行有针对性地研究，不仅可以指导既有桥梁的养护和维修，而且对桥梁结构的承载力评估和剩余寿命预测也有重要的指导意义。英国BS5400［1］较早地制定了钢桥、混凝土桥基结合桥疲劳设计方法和疲劳车辆荷载模型，并在实践中不断的修正和完善。而我国对疲劳车辆荷载研究起步较晚，童乐为等［2-4］对上海、广州等城市桥梁疲劳荷载进行了研究，交通量调查采用现场人工或录像观测的方法，轴重数据通过调研或查阅车辆技术手册的方法，总体样本量小，信息粗略且难以反映长期效应。随着动态称重技术系统（WIM）的日益成熟，孙守旺等［5-7］基于WIM 获取的监测信息，对城市道路、高速和国省干线桥梁疲劳荷载信息进行了更深入的分析，建立了详细的车重、车距、车道交通量、轴重和轴距的统计模型，对各种典型车型的疲劳损伤贡献情况进行了研究，并对桥梁的内力分布规律进行了研究。周泳涛等［8］以辽宁省的数据为例，介绍了规范制定过程中公路桥梁疲劳车辆标准车的建立方法和过程，确定了44.5 t 的标准车作为辽宁省标准疲劳车式样。《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［9］增加了汽车疲劳荷载等标准值的规定，提出了3 种疲劳荷载的计算模型。
选取多个典型收费站，利用计重收费数据并结合路段的交通量观测点的交通量调查数据，对车辆荷载信息进行分析，从而得到区域性的高速公路车辆荷载信息，《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）修订时汽车荷载搜集也采用类似的方法［9］。
高速公路车辆通行费以车型作为划分依据，根据《收费公路车辆通行费车型分类》（JTT 489—2003）［10］规定，山东省高速公路通行中客车和货车车型分类见表1。
表1 山东省高速公路收费车型分类
山东省内高速通常采用轴组称式计重收费系统，以车辆轴重共称完成轴组称重，累加各轴组的重量得到整车重量，同时，轴数和轮胎识别器可轴组进行识别，因此，通过收费站计重数据，可直接得到车型、轴数、车辆总重、轴组类型和对应轴重等车辆荷载信息［11］。通过对3 个高速收费站轴型数据分析，按照轴型组合对车辆类型分类，山东省内高速公路主要存在10 种车型见表2，车辆轴型分类标准［12］见表3。
表2 按照轴组分类的车型编号
表3 车辆轴型分类和说明
对3 个收费站出口的数据进行分类汇总，对客车和货车的交通量进行分析，表4 给出了3 个收费口客车和货车的占比情况。3 个收费口车辆组成中，客车均以客1 车型为主，占客车交通量的94.41%～97.70%，货车以货5 车型为主，占到了货车交通量的50.29%～75.48%，但是由于3 个收费站所处的位置不同，客1 和货5 车型在总交通量的占比有所不同，其中G20 淄博口客1 占比最高，达69.65%，而对应的货5 车型的占比仅为14.44%，而G20 鲁冀界的货5 占比最高，达44.66%，而G3 鲁苏界收费站在3 个收费口中，客1 和货5 的占比均在居中位置。
表4 各车型的交通量及占比
根据车辆轴数进行的交通量统计结果见表5，3个收费口均以2 轴车和6 轴车为主，两者之和占据了总交通量的91.46%～96.11%，其它车型占比均相对较小。
表5 各轴型车辆的交通量及占比
通过对比客货车型和轴数占比可以看出，G20淄博口2 轴车的占比为83.01%，客1～4、货1 和货2 的总占比为82.76%，5 轴车和6 轴车总占比14.09%，货5 占比14.44%；
G20 鲁冀界二轴车的占比为50.45%，客1～4、货1 和货2 的总占比为50.41%，6 轴车和6 轴车总占比44.04%，货5 占比44.66%；
G3 鲁苏界2 轴车的占比为61.77%，客1～4、货1 和货2 的总占比为61.44%，5 轴车和6 轴车总占比30.42%，货5 占比30.59%；
以上表明2 轴车基本上涵盖了客1～4、货1 和货2 的交通量和荷载信息，货车5 基本上包含了6 轴车和5 轴车的交通量和荷载信息。G20 淄博收费口附近高速公路管养部门设有交通量观测站，每月 15 日进行24 h 的交通量观测，通过对2015 年全年12 个月的交通量数据分析，除2 月份因为春节原因外的11 个月，大货、特大货、拖挂和集装箱车辆的占比13.44%，和淄博口的货5占比基本吻合，表明淄博收费口计重的交通量基本上反映了济青高速主线的车辆组成状况。表6 给出3个收费站客货组成的分析，由于收费站所处位置不同，G20 淄博收费站交通量最大，客车占比较高，而G20 鲁冀界和G3 鲁苏界货车占比较高，除2 月份春节期间或10 月国庆节期间客车交通量大，客车交通量大于货车外，其它月份货车交通量大于客车，特别是春运期间，客车通行量大幅度提升，导致客货比显著提高。
表6 2015 年1—12 月客货比统计
由于客车荷载主要取决于车辆自重，因此客车荷载较为稳定，特对货车的荷载进行了进一步分析，2015 年1—12 月的每种车型的平均轴重进行了统计，见表7。货1～货5 的平均车货总重在1 a 中有一定变化，但变化幅度较小。G20 淄博口车货总重较轻的货1 和货2 的较平均轴重的变化幅度为-4.60%～6.95%，车货总重较重的货4 和货5 的变化幅度为-2.97%～3.94%；
G20 鲁冀界车货总重较轻的货1 和货2 的较平均轴重的变化幅度为-8.89%～12.69%，车货总重较重的货4 和货5 的变化幅度为-6.06%～5.53%；
G3 鲁苏界车货总重较轻的货1 和货2 的较平均轴重的变化幅度为-8.58%～8.61%，车货总重较重的货4 和货5 的变化幅度为-2.81%～4.03%。分析表明，对于既定的高速收费站出口，1 a 中的不同车型的车重总重较为稳定。车货总重较小的货1 和货2 的荷载变化相对较大，而货4 和货5 的荷载变化较小。从3 个收费站的平均轴重看出，G20 淄博口的平均轴重相对较小，是由淄博口的车辆载货量较小或者空载率高引起的，图1 中可以看出，货5 的车重呈现明显的双峰分布，淄博口的货5 的低轴重的车辆数明显大于高轴重的车辆数，导致淄博口的平均轴重明显低于其他两个收费口。
图1 货4 和货5 的车重统计
表7 货1～货5 的车货总重变化/kN
为了进一步简化山东省高速公路桥梁车辆荷载模型，通过对3 个高速口的车辆进行统计分析，按照轴组类型进行分类，确定C1～C10 共计10 种典型的车型。部分车辆的有效信息在计重收费过程中数据丢失，导致C1～C10 的交通量统计信息和实际通行数据有一定偏差，一是部分车辆在通行收费口时未进行称重，如客1 车型在节日期间未进行计重，还有部分货车在计重过程中数据存在一定丢失；
二是部分轴数车型较多，占比很小的车型未参与统计，如4 轴车辆中，除参与统计的115 型和125 型外，还有17型轴组类型，但2015 年17 轴型仅有13 辆。统计结果表明，未参与统计的车辆以节假日免费通行的小型客车为主，由于小型客车轴重较货车特别是C9和C10 小，对结构安全性影响或疲劳损伤的贡献均较小。表8 为参与统计的C1～C10 车型的占比情况。
表8 车辆荷载组成状况分析
根据C1～C10 车型的交通量占比，2 轴的C1、C2 和6 轴的C9、C10 占比较高，其它车型占比均在5%以内，荷载分析的重点在2 轴车和6 轴车的数据分析上。对于2 轴车辆，C1 车型的轴重相对较小，车货总重大部分在30 kN 以内，而对于C2车型，轴重分布较为分散，未呈现明显的分布规律。6 轴车辆是高速公路运营过程中的主要车型，C9 和C10 车型的车重显现明显双峰分布，见图2、图3。C9 车型第1 和第2 轮组轴重呈明显的正态分布，第3 和第4 轴组的轴重呈明显双峰分布，C10 车型第1轴组轴重呈明显正态分布，第2 和第3 轴组轴重均呈明显的双峰分布。
图2 C9 车型总重分布
图3 C10 车型总重分布
根据车辆类型的划分，按照10 kN 为区间单位，对车型C1～C10 进行车重的区间统计，求出每个区间的在该型车中所占的比例，然后按照等效的疲劳损伤原理，求出各个轴组的等效轴重，各个等效轴组的轴重之和即为模型车辆的车辆总重。
等效轴重：
式中：fi—在同一类车辆中的第i 个区间的车辆的相对频率；
Wij—第i 个区间车辆的第j 个轴组的轴重，kN；
Wej—该类车辆模型中第j 轴组的等效轴重，kN。如C7 车型的轴型组合为157 型，共计3 个轴组，即前轴为单轴（每侧单轮胎），中间轴组为双联轴（每侧双轮胎），后轴组为三联轴（每侧双轮胎），在计重收费数据的轴重信息中，仅有轴组的重量，因此，共计3 个轴组重量，分别代表单前轴、双联轴和三联轴，求出各轴组的等效轴重后，除以对应轴组的轴数，如轴型7 对应3 个轴，3 个轴间距很小，一般在1.4 m 以内，可不考虑3 轴间的重量差异［13］，每个的轴重取值为等效轴组重量的1/3。C1～C10 车辆模型的等效轴重见表9，P1～P6 为从前到后的等效轴重。
表9 C1～C10 等效轴重汇总/kN
为考察每种车型对结构疲劳损伤的贡献，依据疲劳累积损伤准则，按照公式（2）根据等效总重计算每种车型造成的疲劳损伤占总损伤的比例见表10。
表10 C1～C10 车型的疲劳损伤率
式中：fi—第i 种车型的比例；
Wej—第i 种车型的等效轴重，kN；
m—S-N 曲线斜率参数，取3，2015 规范修订时也取用了相同的参数［8-9］。
高速公路行驶的C1 车型轴重相对较小，但部分小型货车也用了该种轴型，导致G3 鲁苏界等效轴重＞30 kN。但是从C1 车型对疲劳损伤的贡献率看，不管C1 车型在总交通量中占比最大的淄博口，还是等效轴重最大的G3 鲁苏界，其疲劳损伤的贡献率均＜0.1%。英国规范BS5400 中也指出，总重＜30 kN的车辆，对桥梁疲劳损伤影响很小，可忽略不计。
从对疲劳损伤的贡献率看，C1 和C2 尽管交通量占比较高，但由于等效车重小，实际贡献很小，均不到1%。6 轴车辆等效车重大，C9 和C10 的等效车重在398.7～505.9 kN，同时6 轴车在总交通量中占比较高，因此，对结构疲劳损伤贡献值均在90%以上，特别是G20 鲁冀界，6 轴车总的贡献率达到97.6%，因此6 轴车辆荷载信息需要重点研究。建议以6 轴车为模型车辆建立山东省高速公路桥梁标准疲劳车辆。
根据表10 中等效轴重可以看出，G20 淄博口疲劳车等效车重最小，G20 鲁冀界居中，G3 鲁苏界最大。G20 淄博口和鲁苏界的等效疲劳车重与《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60—2015）［9］中计算模型II 的44.5 t 的6 轴车模型基本吻合，但G3 鲁苏界的等效疲劳车重要明显大于规范中的车重。由于采用的轴载为收费站数据，宜采用G3 鲁苏界的6轴疲劳车辆作为山东省高速公路的标准疲劳车。根据6 轴车辆的轴距资料［7-8］，轴重取值按照向上舍入到5 kN 倍数方法，确定山东省高速公路桥梁标准疲劳车见表11。山东省高速公路等效的标准疲劳车M1 和M2 均为6 轴车，车辆总重分别为520 kN 和515 kN，大于规范［9］中6 轴疲劳车辆，但是小于山东省国省道标准疲劳车重量［14］。疲劳车M1 不管是三联轴的轴重还是车辆总重均略大于M2，建议采用疲劳车M1 作为山东省高速公路桥梁标准疲劳车。
表11 高速公路桥梁标准疲劳车对比
对于既定轴数的车辆，疲劳损伤贡献率主要取决于占比和重量，为分析6 轴车在不同轴重的损伤贡献情况，统计了以10 kN 区间的各个轴重段的疲劳损伤贡献情况，见图4、图5。G20 淄博口由于6轴车的空载率较高，导致C10 型车辆对疲劳损伤的贡献率依旧呈现明显的双峰分布。但是对于G20 鲁冀界和G3 鲁苏界，靠近空载区域的低轴重一侧峰值明显降低，对疲劳损伤贡献较小，疲劳损伤贡献率曲线呈现单峰状态。
图4 C9 车型的疲劳损伤贡献
图5 C10 车型的疲劳损伤贡献
山东省高速公路典型路段的车辆中客车均以客1 车型为主，占客车交通量的90%以上，货车以货5 车型为主，占到了货车交通量的50 %以上，且平均车重在1 a 中变化幅度较小。通行车辆以2 轴车和6 轴车为主，两者之和占据了总交通量90%以上，2轴车交通量和荷载信息基本上涵盖了客1～客4、货1 和货2 的有效信息；
货车5 基本上涵盖了5 轴车和6 轴车的交通量和荷载信息。尽管高速路网通行车辆以2 轴车为主，但2 轴车对结构损伤疲劳贡献率较小，而6 轴车对结构疲劳损伤贡献值在90%以上。规范［9］中6 轴标准疲劳车辆的总重和轴重取值偏小，山东省高速公路宜采用6 轴总重为520 kN 的标准疲劳车辆进行桥梁结构设计和验算。
基于典型高速口计重收费数据建立标准疲劳荷载车辆是可行的，但车辆荷载对不同跨径和不同桥型的效应需要根据车距和车道交通量等参数进一步分析，有关构件的疲劳荷载尚需进一步研究。
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