天津市公路橋梁疲勞荷載譜初探

□文/蘇改英

隨著交通運輸迅猛發(fā)展，公路、鐵路和城市道路上行駛車輛噸位和速度均不斷提高，交通荷載引起橋梁結(jié)構(gòu)疲勞累積損傷而發(fā)生的公路橋梁破壞日益受到關(guān)注，要求對橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞壽命及疲勞可靠性進行細致的分析和評估。

橋梁疲勞設(shè)計

橋梁結(jié)構(gòu)疲勞是指橋跨構(gòu)件在交通車輛往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生累積損傷，形成疲勞裂紋，疲勞裂紋的擴展使得構(gòu)件在較低的應(yīng)力水平發(fā)生斷裂破壞，疲勞引起的斷裂破壞往往在低應(yīng)力水平下突然發(fā)生。與結(jié)構(gòu)強度設(shè)計不同，橋梁疲勞設(shè)計所采用的荷載不應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)所承受的最不利荷載組合，而應(yīng)采用往復(fù)作用的交通車輛荷載，根據(jù)往復(fù)荷載作用下構(gòu)件應(yīng)力或應(yīng)變變化的幅值，計算它們所引起的疲勞累積損傷。因此，準確、合理的交通荷載頻值譜即橋梁的疲勞荷載譜是橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。當然，要將在設(shè)計基準期內(nèi)通過橋梁的所有車輛荷載都一一列出來是不可能的，所以，就需要通過統(tǒng)計分析確定用作橋梁疲勞設(shè)計的“典型車編組”，即所謂的“疲勞車”。

目前，英國、美國、德國、日本等都在各自的橋梁設(shè)計規(guī)范中給出了相應(yīng)的疲勞設(shè)計車輛荷載譜。但是，由于中國公路的交通狀況與發(fā)達國家相比還有一定的差距，由疲勞所導(dǎo)致的公路橋梁破壞并不多見，所以在這方面開展的研究相對較少。對于公路和城市道路橋梁，我國規(guī)范還沒有制定疲勞設(shè)計的車輛荷載譜。

國際上目前對公路鋼橋疲勞設(shè)計所用的荷載一般有 3種形式[1～3]。

（1）車輛荷載頻值譜。它是通過對公路橋梁的交通量調(diào)查得出的日常各種典型車輛的荷重和出現(xiàn)的相對頻率。

（2）由第一種形式簡化而來一輛標準疲勞車。

（3）采用靜力強度設(shè)計時標準活載中的一輛重型車輛。

本文通過對天津市外環(huán)線典型路段進行的24 h交通量觀測調(diào)查，統(tǒng)計出包含5種車型的車輛荷載頻值譜，并根據(jù)等效疲勞損傷原理，將其簡化成為只含有2種標準車型的實用疲勞荷載頻值譜。

交通量調(diào)查

交通量調(diào)查路段及周邊環(huán)境

交通量調(diào)查路段選為天津市外環(huán)線程華里路段由東南向西北的單行線，見圖1。

圖1 交通量調(diào)查路段及周邊環(huán)境示意

外環(huán)線跨越空間廣闊，是連接京滬高速、京晉高速、津濱高速及京津塘高速等的重要交通紐帶，每日往返于外環(huán)線上的重型卡車、大型客車流量大。外環(huán)線程華里路段毗鄰陽光100國際社區(qū)，處于一個客貨較為繁忙的地段，道路為雙向6車道。交通量調(diào)查的觀測點為圖2所示的a點，監(jiān)測車輛為通過a-b斷面的所有機動車輛，車輛行駛方向為箭頭所指方向。

圖2 交通量調(diào)查觀測位置示意

交通量調(diào)查方法

汽車對道路橋梁的荷載效應(yīng)主要體現(xiàn)在軸數(shù)、軸重和軸距等荷載參數(shù)，因而與一般交通部門的調(diào)查內(nèi)容有所不同的是除了在一定時間段內(nèi)記錄各類車輛的交通量，還應(yīng)包括車輛的上述荷載參數(shù)。限于客觀條件，交通量調(diào)查采用現(xiàn)場人工觀測結(jié)合事后查閱車輛技術(shù)手冊的方法，具體步驟如下。

（1）正式調(diào)查前，在現(xiàn)場作初步觀察，了解可能出現(xiàn)的車輛類型。根據(jù)現(xiàn)場觀察的結(jié)果，參考車輛技術(shù)手冊中的圖片及數(shù)據(jù)，將車輛分為5種類型作為正式調(diào)查時分類統(tǒng)計的依據(jù)。見表1。

表1 交通量調(diào)查車輛分類

表1中V1是指所有總重＜30 kN的小型車輛，它們對道路橋梁的疲勞損傷影響很小，故都歸在一類；V2和V3是兩軸貨車，區(qū)別是載質(zhì)量不同。

（2）正式調(diào)查時，取24 h進行現(xiàn)場觀測。觀測由具有相關(guān)專業(yè)知識的試驗人員利用攝像器材現(xiàn)場采集交通數(shù)據(jù)，然后根據(jù)影像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計記錄。

（3）調(diào)查完成后，將每類車輛中出現(xiàn)頻率較高的車型作為代表，依據(jù)有關(guān)車輛技術(shù)手冊以及相關(guān)規(guī)范，確定各種車輛的載質(zhì)量和尺寸。

盡管每一類別的車輛有不同的車型，但各生產(chǎn)廠家都有較統(tǒng)一的基本標準，車輛軸重、軸距和輪距等參數(shù)差別不大，因此，為簡化處理，取現(xiàn)場出現(xiàn)頻率最高的車型作為該類別車輛的代表具有平均意義。另外，根據(jù)手冊查得車輛名義額定荷重與現(xiàn)場車輛的實際荷重不一定相符，但是，現(xiàn)場車輛的裝載情況無非兩種，一是空載（空車）；二是非空載，包括欠載、滿載和超載，雖然超載屬交通違章是不允許的，但因難以查驗而實際上是較普遍存在的，這樣各個類別的非空載車輛荷重可認為是在滿載的額定值上下波動。對交通量調(diào)查時觀察到各類非空載車輛按其名義額定荷重取值，基本上代表了各類車輛荷重總體上的平均情況?？梢姡m然以上交通量調(diào)查方法中采用的車輛參數(shù)可能與現(xiàn)場實際情況略有出入，但基本能反應(yīng)該路段實際交通荷載情況。

交通量調(diào)查結(jié)果分析

先后對外環(huán)線程華里路段進行了3次分時段間隔觀測，均為晴天，車輛行駛通暢。調(diào)查結(jié)果見表2。

表2 24 h交通量調(diào)查結(jié)果

交通量調(diào)查中，各類車輛的空車率均取為20%，將其作為等效荷重計算的空車荷重的權(quán)數(shù)。日本對某些橋梁的交通調(diào)查中得到的各類車輛空車率基本相差不多。

通過對調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，每天7：00—9：00和17：00—19：00為所調(diào)查路段客貨流量最高峰。

簡化的車輛荷載頻值譜

表2已經(jīng)代表了一組車輛荷載頻值譜，但由于車輛類別較多，直接用于橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計較為繁瑣，因此，可根據(jù)等效疲勞損傷原理進行簡化，以提煉出更為實用的模型車輛荷載頻值譜[4～6]。具體方法如下。

（1）對表2中的5類車輛進行再分類，將相同軸數(shù)的車輛合并為同一類，分別對重新確立起來的每一類車輛建立一種模型車輛。V1類的輕小型客貨車因總重＜30 kN，對道路橋梁的疲勞損傷影響較小，忽略不計。

（2）按照等效疲勞損傷原理，求出每種模型車輛中各個軸的等效軸重，各個等效軸重之和即為模型車輛的等效總重。等效軸重的計算公式為

式中：f i為歸在同一類車輛中的第i輛車的相對頻率，%；Wij為第i車輛的第j個軸的軸重，kN；Wej為該類模型車輛第j軸的等效軸重，kN。公式（1）與鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計中等效應(yīng)力幅的計算原理一致，指數(shù)3為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造△σ－N細節(jié)曲線的斜率。

（3）以歸在同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對頻率作為權(quán)數(shù)，按長度的加權(quán)平均值求出該類模型車輛的長度。采用的公式為

式中：Ai為歸在同一類車輛中的第i輛車的長度，m；Aj為該類模型車輛的長度，m。

根據(jù)上述方法，將表2中軸數(shù)相同的各類車輛合并，重新分成軸數(shù)為2和3的兩個類別，見表3。

表3 模型車輛分類表

經(jīng)過統(tǒng)計分析，將表3轉(zhuǎn)化為實用荷載頻值譜，見表4。表4即為包括2種模型車輛的實用交通疲勞荷載頻值譜，可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設(shè)計。

表4 實用交通疲勞荷載頻值譜

結(jié)論

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，城市道路交通流量及車輛荷重均有了較大的變化。本文通過對天津市外環(huán)線典型路段進行的24 h交通量觀測調(diào)查得出的實用疲勞荷載頻值譜可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設(shè)計。

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