高速公路橋梁收費站前擁堵車輛荷載評估

陳 攀

（上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海200092）

0 引言

某高速公路特大橋南引橋（25m跨）擬改、擴建為收費廣場，根據以往經驗，收費廣場排隊使得引橋段汽車間距減小，橋梁全寬、全長滿布荷載及行車集中制動的概率大大增加，即實際運營狀態(tài)的汽車荷載分布模式與規(guī)范規(guī)定的荷載有很大區(qū)別。為此有必要對收費廣場部分橋梁的荷載標準（模式）開展評估，對舊橋改造和新建拼寬結構的實際交通狀況進行深入分析，提出荷載標準（模式），以此作為舊橋改造和新建拼寬結構的設計標準。

該特大橋建于1996年，按汽車-超20級，掛車-120設計。引橋上部結構為25 m預應力混凝土先簡支后連續(xù)T梁（灘孔），下部結構采用雙柱式墩，基礎為Ф1.8 m和Ф1.5 m鉆孔灌注樁。橋面寬33.5 m，原橫斷面如圖1所示。因規(guī)劃需要，擬將收費站搬遷至該特大橋南岸，平面布置見圖2所示。新收費站需占用該特大橋南引橋長度277.8 m，約11跨結構。出口側橋面加寬寬度為27.73 m（左幅第一聯(lián)）、47.20 m（左幅第二聯(lián)），入口側橋面加寬寬度為16.10 m（右幅第一聯(lián)）。擴建后的橫斷面（右幅第1聯(lián)）如圖3所示。

1 擁堵車輛條件橋梁荷載影響因素

收費站排隊，擁堵條件下，荷載評估主要考慮了以下幾方面因素：

（1）出入口排隊差異。收費站設置對左、右幅橋影響不同，需區(qū)別考慮。出口側汽車在路堤排隊，橋上則接近正常行駛，需考慮交通量的增長對其整體活載狀況有不利影響及拼寬后橫斷面的變化引起結構受力的變化。而入口側汽車會在橋上排隊，汽車荷載分布模式與正常行駛條件差別較大，交通量增長、汽車荷載橫、縱向布置模式、汽車制動力與改建前均有較大差異。此外，拼寬后橫斷面的變化也會引起結構受力變化。

（2）遠景交通增長。實際調查發(fā)現(xiàn)，交通量偏大或頻繁通行大噸位車、超重運輸嚴重的重載交通橋梁，其實際汽車荷載與設計荷載分布模式之間有差別。參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，考慮未來交通量增長及重載交通增加等因素，以活載修正系數的方式，反映交通量、大噸位車輛混入率（重載交通、超載車輛）和軸荷分布（軸重）對橋梁的不利影響。

（3）汽車荷載橫向分布系數。收費廣場排隊狀態(tài)下，多車道橫向最不利布載出現(xiàn)的概率與正常行駛條件下的概率是不同的。同時橋面改造成為寬橋，原荷載橫向分布系數計算方法對其可能不再適用。

（4）汽車縱向布置。收費廣場汽車荷載的縱向分布間距（車距）、車隊組成成分（軸間距、軸重）與常態(tài)荷載軸間距分布有差異。

（5）汽車制動力。收費廣場的汽車會同時或集中制動，其概率明顯高于規(guī)范標準。應考慮汽車集中制動對橋梁的不利影響，對汽車荷載的制動力進行調整。

2 活載模式評估

2.1 活載影響修正系數確定

參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，汽車荷載分布特征主要表現(xiàn)在交通量、大噸位車輛量混入率和軸荷分布三個方面。

2.1.1 對應于交通量的活載影響修正系數分析

交通量的活載修正系數通常是遠景年預測交通量與設計交通量的比例系數。而大橋現(xiàn)場調查期的實際日標準交通量（50579 pcu，折算為標準交通量）大于2030年的預測日標準交通量（36317 pcu）。實際交通量與設計交通量之比為Qm/Qj=50579/50000=1.012，計算得到的活載影響修正系數為ξq1=1.002。

2.1.2 對應于大噸位車輛混入率的活載影響修正系數分析

以重力超過汽車檢算荷載主車（20t）的大噸位車輛交通量與實際交通量的比值確定該系數。根據交通量監(jiān)控數據，見表1所列 。參考《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》計算得到大噸位車輛混入率的活載影響修正系數為ξq2=1.012。

表1 收費站出口交通量車輛荷載匯總表

2.1.3 對應于軸荷分布的活載影響修正系數分析

實際車輛的軸荷分布情況調查以貨車為主，統(tǒng)計了軸重超過汽車檢算荷載最大軸重（14t）的比例為74.7%。根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，對應于軸荷分布的活載影響修正系數為ξq3=1.40。

2.1.4 活載影響修正系數的推定

根據《公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程》，以交通量、大噸位車輛混入率和軸荷分布分析為基礎，推定活載影響修正系數為：

2.2 汽車荷載橫向分布修正

2.2.1 考慮實際情況的多車道橫向折減系數分析

多行車隊的橫向折減系數主要是考慮隨著橫向布置車隊數的增加，各加載車道上的車輛荷載同時處于最不利位置的概率減小。各車道上車輛同時處于最不利位置是一種隨機性事件，對一般橋梁而言，各車道上的車輛荷載可認為是互不相關的。對于該特大橋南引橋而言，收費站的設置使荷載橫向分布特性發(fā)生變化，其橫向各車道同時出現(xiàn)最不利荷載的概率大為增加。基于以上因素的考慮，參考《公路工程技術標準》（JTG B01-2003）規(guī)定，其荷載橫向分布系數應對多車道橫向折減系數適當提高，如表2所列。

表2 多行車隊橫向折減系數表

2.2.2 合適的荷載橫向分布系數計算方法

一般梁式橋的荷載橫向分布系數計算采用剛接梁法（方法一）或采用空間梁格系有限元法（方法二）計算。對改造前橋梁的寬跨比合適條件下采用剛接梁法較為合適，為此采用MIDAS軟件（空間梁格計算模型見圖4），建立空間梁格系有限元模型（未拼寬部分和拼寬16.10m部分），計算不同工況下的主梁內力，確定其對應的荷載橫向分布系數。將兩方案計算結果進行比較，僅以右幅第一聯(lián)（加寬 16.10 m）荷載橫向分布系數采用兩種方法計算的結果為例 （其余案例略），見圖5～圖7所示。

計算表明，少車道中梁采用空間梁格法計算的荷載橫向分布系要稍大，隨著車列數的增加，兩種方法計算得到的橫向分布系數結果趨于一致；邊梁采用兩種方法計算得到的荷載橫向分布系數基本一致。為簡單計算，剛接板梁法可用于該寬橋橫向分布系數的計算，對于支點截面橫向分布系數，可仍按“杠桿法”計算。橫向布載寬度可仍按規(guī)定布載。

2.3 汽車荷載縱向分布模式調整

出口側汽車在路堤上排隊，在橋上則接近正常行駛狀態(tài)，可延用原規(guī)范的規(guī)定。入口側汽車在橋上排隊，汽車荷載縱向分布模式與正常行駛條件下的差別較大，應以實地調查數據為基礎，考慮概率特征，確定右幅橋的汽車荷載縱向分布模式?！豆饭こ碳夹g標準》（JTJ 001-97）中對汽車縱向間距的確定是以樣本數據按皮爾遜-Ⅲ型曲線整理得出。鑒于汽車排隊狀態(tài)下縱向間距的分布，有別于汽車正常行駛狀態(tài)下的縱向間距分布，其概率密度分布函數可能不同。

收費廣場汽車排隊縱向車間距調查地點以收費站（舊址）為對象，實測汽車在收費廣場排隊狀態(tài)下的縱向間距。連續(xù)三個調查日內，調查車距共320組，其中標準車與標準車縱向間距183組，加重車與標準車間距137組。根據樣本數據繪制其統(tǒng)計直方圖，標準車與標準車縱向車距的分布區(qū)間為〔3.4 m，12.9 m〕，加重車與標準車縱向車距的分布區(qū)間為〔3.3 m，13.5 m〕，其統(tǒng)計直方圖如圖8、圖9 所示，數值特征見表3所列。

表3 樣本數據的數字特征一覽表

從圖8、圖9及表3可以看出，兩組樣本數據均為不對稱單峰分布，標準車與標準車縱向間距平均值小于加重車與標準車縱向間距平均值，標準車和標準車縱向間距樣本數據的偏度和峰度均大于加重車和標準車樣本數據的計算結果。因此，對兩種縱向車距應區(qū)別對待，分別采用不同的概率密度函數擬合其分布特征。

以皮爾遜曲線族對樣本數據進行概率密度分布擬合，標準車與標準車縱向間距符合皮爾遜－Ⅵ型分布，如圖10所示，加重車與標準車縱向間距符合皮爾遜－Ⅰ分布，如圖11所示。從擬合結果可以看出，排隊狀態(tài)下，汽車縱向間距的分布函數與正常行車條件下不同。

根據概率累積曲線，超越概率為95%時的標準車與標準車縱向間距為4.0 m，超越概率為95%時的加重車與標準車縱向間距為4.8 m。根據以上分析，入口側的汽車車隊縱向排列圖式如圖12所示，而出口側（左幅）的汽車車隊縱向排列圖式可按原規(guī)范規(guī)定考慮。

2.4 汽車制動力修正

一般情況下，汽車制動力約為0.2 QQQW左右（W為汽車總重力）。而車隊行駛時，需保持一定間距，其停車、起動都受到限制，因此，車隊行駛時每輛車的制動力比單車行駛時小。同時，由于上部構造的慣性、制動力部分消耗在上部構造（包括支座）和橋墩的變形上，所以傳遞到橋墩的上制動力約為全部制動力之半，即0.1 W。《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-89） 和 《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）均以此為標準確定汽車制動力。

當車隊由正常行車狀態(tài)駛向收費廣場時，汽車縱向間距接近正常行車條件下的縱向間距，但汽車集中制動的概率比正常行車條件下大；而當汽車在收費廣場排隊時，汽車縱向間距比正常行車條件下的小，此時車速較低，其停車、起動都受到限制，但橫向滿布荷載的概率比正常行車條件下大。對于出口側橋梁，汽車上橋后有一個加速的過程，對橋梁結構產生一個與行車方向相反的水平力，其作用與車隊駛向收費廣場時的制動力相似。

2.4.1 車隊從正常行駛狀態(tài)駛向收費站時的制動力

入口側（右幅）當車隊從正常行駛狀態(tài)駛向收費站時，其縱向車距接近正常行駛條件下的縱向車距。根據《道路交通標志和標線》（GB 5768-1999）內容，駛向收費車道的車輛減速度約為1.8 m/s2。按此減速度計算一行汽車－超20級車隊在該特大橋南引橋5跨一聯(lián)上的制動力為195 t×1.8 m/s2=351 kN。出口側（左幅）汽車上橋后處于加速階段，其對橋梁的反向水平力可按此方法計算，并考慮多車道橫向折減。

2.4.2 車隊在收費廣場排隊時的制動力

入口側收費廣場排隊汽車縱向間距小，車速低，集中制動的概率較正常行車大。此處參考規(guī)范對汽車制動力的計算標準，按汽車總重力的10%計算其制動力。根據圖12，按一行車隊總重的10%計算其汽車制動力為328kN。

2.4.3 汽車制動力比較

按《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）計算南引橋5跨一聯(lián)內一行車隊的制動力為1750 kN×10%=175 kN；按 《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)定，一個車道上汽車制動力按車道荷載標準值在加載長度上計算總重力的10%，即(10.5 kN/m×125 m+260 kN)×10%=157.25kN， 但小于標準值165kN要求，制動力取165 kN。

比較認為該收費站不同聯(lián)長的橋梁制動力計算可參考上述方法分別計算。偏安全考慮，取最大值合適。

2.5 汽車荷載沖擊系數計算

汽車的沖擊系數是汽車過橋時對橋梁結構產生的豎向動力效應的增大系數。沖擊作用有車體的振動和橋跨結構自身的變形和振動。按“04”規(guī)范規(guī)定，可利用有限元模型計算得結構基頻，再計算得各幅橋梁沖擊系數方法，該工程計算結果見表4所列。而當無更精確方法計算時，規(guī)范也給出了估算方法。按上述計算規(guī)定分別進行了荷載沖擊系數計算，見表5所列。

表4 估算方法計算各幅橋梁結構基頻與沖擊系數一覽表

表5 按估算公式計算各幅橋梁結構基頻與沖擊系一覽表

根據《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTJ 021-89）計算，汽車荷載沖擊系數僅為μ=0.15。與《公路橋涵設計通用規(guī)范》（JTG D60-2004）規(guī)范比較，后者的計算方法直接反映了沖擊系數與橋梁結構振動特性之間的關系，該方法更科學、合理。

3 結論

（1）橋梁因收費站擁堵、排隊或其他因素擁堵（多發(fā)），其車輛荷載較正常荷載標準變化較大，應予以修正。

（2）對于寬跨比過大的預制拼裝T梁橋其荷載橫向分布系數按剛接梁法計算，其精度可滿足工程需要。

（3）改造橋梁使用一定年限后其自身質量狀況必然有所降低，應開展全面質量檢測，進行其現(xiàn)狀承載力能力評定，參考該評估的標準，作為橋梁加固或設計的驗算荷載。

[1]JTJ 021-89，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[2]JTG D60-2004，公路橋涵設計通用規(guī)范[S].

[3]JTG B01-2003，公路工程技術標準[S].

[4]JTJ 001-97，公路工程技術標準[S].

[5]公路橋梁承載能力檢測評定規(guī)程[Z].北京：交通運輸部公路科學研究院，2005.

[6]高速公路xx收費站搬遷工程xx特大橋南引橋荷載標準 （模式）評估[Z].北京：交通部公路科學研究所，2009.