高速公路橋梁在交通荷載作用下的動力響應統計與分析

王 濤，韓萬水，黃平明

(長安大學 橋梁與隧道陜西省重點實驗室，西安 710064)

交通荷載現場觀測調查是確定新橋設計荷載、橋梁時變可靠性分析、既有橋梁剩余壽命預測、極限承載能力計算以及隨機車流的仿真模擬等的重要研究基礎之一。為了確定我國的公路橋梁標準車輛荷載，并為編制《公路橋涵荷載規范》及有關的設計規范，建國以來開展了兩次實際交通荷載觀測，第一次實際交通荷載觀測是在20世紀60年代開展的，主要針對中小跨徑橋涵結構，成為制定85規范的主要依據，第二次交通荷載觀測是20世紀90年代在四條國道重點采集一個主要行車道上的交通流的車列數據，采集時間為白天12 h時間內連續測試。這一次的觀測內容較為全面細致，對車重、軸重、車輛到達時間間隔以及車輛間距等參數進行了統計并確定了其分布類型，所采集到的數據基本反映了我國20世紀90年代車輛荷載的統計特點，也成為我國現行橋梁設計規范的主要依據[1].

但是，隨著汽車工業和交通運輸事業的迅猛發展，國、省道全面向高速公路的轉變，以及許多地區伴隨著經濟發展出現了大量的車輛超載現象，這些因素使得車輛荷載的分布特征較以往發生了很大的變化。20世紀90年代車輛荷載特征已經完全不能代表目前車輛荷載特征。

在高速公路交通荷載觀測方面，目前仍注重對車重參數的調查與統計分析[2－5]，而對高速公路交通荷載的車速、車時距、車間距、車輛行駛車道、橫向位置等參數調查方面基本都屬于空白。

因此，選擇一條高速公路開展實時、系統全面的交通荷載觀測，對于了解高速公路行車特征，確定高速公路的各關鍵參數都具有非常重要的意義。

本文采用超聲波測速儀、錄像機及橋梁動態測試儀同人工記錄相結合的方法對西寶高速公路交通荷載各要素進行24 h連續、全面調查，記錄的數據包括車型、車速、行駛車道、車輛到達時間以及每輛過橋車輛引起的橋梁動位移響應數據。本文著重對本次調查的動位移響應數據進行統計分析，了解正常交通荷載作用下的橋梁動位移響應特征，并為隨后的車重識別研究打下堅實的基礎。

1 高速公路交通荷載調查[6]

1.1 交通荷載調查方法的確定

本次交通荷載調查采用雷達測速儀(圖1)、錄像機及橋梁動態測試儀(圖2)同人工輔助記錄相結合的方式進行全天24 h連續交通荷載觀測調查，超聲波測速儀對通過橋梁的車輛進行車速的即時采集，錄像機可以記錄過橋車輛的到達時間、車型、車輛橫向所行駛車道及位置。8通道的橋梁動態測試儀可以獲得車輛通過時觀測橋梁關鍵部位的振動位移響應數據。交通荷載調查分析流程如圖3所示。

圖1 雷達測速儀Fig.1 Radar speed gun

圖2 動態測速儀Fig.2 Dynamic strain tester

圖3 隨機車流調查分析流程圖Fig.3 Analytical process chart of vehicle flow investigation

整個交通荷載調查方法所需儀器簡單便攜、所需人員少，且能夠較為精確、全面的得到過往車輛的車型、占有率、車道、車速及車輛到達時間等數據。

1.2 交通荷載調查橋梁的選取

為了使此次高速公路交通荷載觀測具有典型和代表性，選擇西寶高速為觀測對象。西寶高速是國家高速公路網規劃中橫向線連云港至霍爾果斯高速公路在陜西境內的重要組成部分，也是西北地區設計標準最高、通行能力最大的現代化交通基礎工程。此次調查橋梁為雙幅4×16 m簡支梁，選擇西安至寶雞方向的一幅，調查時間為24 h不間斷交通流量觀測。現場調查橋梁概況與測試斷面布置如圖4所示。

圖4 隨機車流調查實橋概況及測試斷面示意圖Fig.4 Investigation bridge situation and testing section

考慮到高速公路車流基本行駛于超車道和行車道之上，靠外側的緊急停車帶基本無車流，故而選取調查測試斷面中位于超車道和行車道的受力較為明顯的8片梁為動力響應測試梁，在第一跨跨中位置各梁底架設機電百分表采集每個過往車輛對橋梁產生的動位移響應信號數據，圖5為采集測點布置圖。

圖5 調查實橋測試斷面及測點布置示意圖Fig.5 Testing point layout diagram in bridge testing section

1.3 車型分類

在本次交通荷載調查中發現總共有17種不同車型，且同類型車輛的軸重及軸距也不全一致。本文查閱大量的車型手冊資料，得到各種車型的多種車輛軸重、軸距等參數，根據各車型出現的頻數進行加權平均，然后選取與各參數的加權平均值最為接近的車型為該車輛類型的代表車型，同時結合高速公路管理部門車型劃分標準，對比調查中出現的車型，結合車輛軸數、輪數、軸距、軸重、車重等數據，將高速公路車輛荷載劃分為五大類，共12小類。具體各種車型種類、軸距、軸重等參數見表1。

2 橋梁動位移響應數據統計分析

本次調查連續采集得到24 h共5 650輛車通過時8片梁的動位移時間歷程曲線，圖6是現場采集的一重一輕兩個典型車輛過橋時的動位移響應時間歷程曲線。每個過橋車輛引起的橋梁動位移響應數據都能與其車型、車速等參數一一對應。

圖6 典型車輛實測動響應時間歷程曲線Fig.6 Typical vehicle dynamic response time history curve

由圖6可以看到每輛車都會產生與8片梁相對應的動位移響應數據曲線，由于車輛橫向位置隨機，所以每條動位移響應曲線峰值大小都不一樣。因此可將動位移響應數據按梁體分類進行統計分析，也可將動位移響應數據與交通荷載調查中車輛車型一一對應以后，按車型分類進行更為詳盡的統計分析。以下部分將詳細介紹測試梁體在交通荷載作用下的動位移響應統計特征。

2.1 總動位移響應樣本統計分析

從采集的交通荷載樣本中遴選出所有單車過橋車輛產生的動位移響應極值數據，按8片不同梁體進行分類統計分析，圖7顯示的是各片梁在所有交通荷載作用下的動位移響應極值數據統計直方圖。

從圖7上可以看出動響應數據大致聚集有三個波峰。以3#梁統計圖為例，一個波峰響應值在0.06 mm附近，一個波峰在0.4 mm附近，一個波峰在1.0 mm附近。這說明總體上看梁體動響應極值統計規律顯現出三峰分布特性，車重與橋梁響應極值雖不是嚴格線性比例關系，但也是正相關的，由此說明車重參數也將呈現三峰分布特性，這與實際調查中車流大致由輕型車輛、一般貨運車輛和重型貨運車輛組成基本相符。

表1 調查車型分類及參數說明圖表Tab.1 Vehicle type classification in this survey

圖7 各梁所有車輛動響應值統計頻方圖Fig.7 Statistics histogram of all vehicle response of each beam

將各梁的動位移響應極值數據進行數理統計，得出各自的均值和方差等，圖8給出各梁響應極值樣本均值橫向分布示意圖。可以看出均值最大對應的梁號為6、7號梁，位于行車道。由此可以說明，在正常交通荷載作用下，梁式結構橋梁的中間梁體受力較大，尤其是位于行車道而偏超車道的梁體受力最為不利。

圖8 8片梁所有響應均值示意圖Fig.8 All response mean diagram of 8 pieces of beams

2.2 各型車的動位移響應樣本統計分析

將調查采集的全部單車過橋的動位移響應數據按車型進行分類，圖9給出各車型荷載作用下最不利梁體的動位移響應極值數據統計直方圖。

從圖9可以看出，由于轎客類車型空載與滿載車重的差別不大，故其動響應數據統計規律基本呈單峰分布;而貨車類車型尤其大型貨運車型的空載車重與滿載車重的差別較大，除個別車型由于采集的樣本數量少，較難看出其動響應的統計規律外，其余貨車車型動響應數據統計規律基本呈雙峰分布，隨著貨運車輛的載重能力的增強，其雙峰分布特性就更明顯。如四型車(小型貨車車型)的空載與滿載的車重差距不是很大，其動響應數據分布較為緊密，呈現的雙峰較為接近;而十型車(四軸大型貨車)和十二型車(五軸以上的拖掛貨運車)的空載與滿載的車重差距較大，就很明顯的呈現雙峰分布特性。

同總樣本一樣，本文還分別統計出各片梁在各車型荷載作用下的動響應數據的數學統計參數，利用各梁動響應數據的統計均值畫出各車型荷載作用下動位移響應數據橫向分布圖，如圖10所示。

圖9 各車型荷載的動位移響應極值統計頻方圖Fig.9 Statistics histogram of dynamic response extreme value under each vehicle type

由圖10中可以看出:一型、二型、三型、五型、七型車的動響應極值都是出現在5#梁，且位于超車道的2#～5#梁體的動響應值比位于行車道的6#～9#梁的動響應值大。說明在正常交通荷載狀態下，這幾型車對位于超車道的梁體影響較大。這與這幾型車的車型與行駛狀態有關。這幾型車都是轎客車車型，現場交通荷載調查發現這些車型大多是在超車道行駛的，與動響應統計規律一致。而其他車型都是貨運車型，它們動響應數據的橫向分布規律較為相同，極值都是出現在位于行車道的6#～8#梁上。說明在正常交通荷載狀態下，這幾型車對位于行車道的梁體影響較大，這與交通 荷載調查中發現的這幾型車的行駛規律一致。

圖10 各車型動響應均值橫向分布示意圖Fig.10 Transverse distribution diagram of dynamic response under each vehicle type

3 結論

本文利用動態測試儀，在高速公路交通荷載調查中采集了車輛過橋時的梁體動位移響應數據，并對得到的總動位移響應樣本及按車型分類的動位移響應數據樣本進行統計分析，得到以下幾點結論:

(1)對總動響應數據按梁片分類統計分析可知:在隨機車流作用下，位于行車道的6#梁與7#梁承受的荷載作用效應最為不利;本次調查的全部交通荷載的動響應數據呈現三峰分布特性，由橋梁響應極值與車重參數的正相關關系可推知車重參數也將呈現三峰分布特性。

(2)從各車型的動響應數據按梁分類統計分析可知:在轎客類車型的隨機車流作用下，位于超車道的梁體(3#梁、4#梁、5#梁)承受的荷載作用效應最為不利;在貨車類車型的隨機車流作用下，位于行車道的梁體(6#梁、7#梁、8#梁)承受的荷載作用效應最為不利。

(3)從各車型最不利梁體的動響應數據統計分析可知:轎客類車型的動響應數據統計規律基本呈單峰分布;而貨車類車型尤其大型貨運車型的動響應數據統計規律基本呈雙峰分布。

經此調查分析了高速公路交通荷載作用下的橋梁動位移響應數據的統計規律以后，能為后期的車橋耦合振動研究及相關研究(如:車重識別)提供了完全可靠的理論依據和樣本支持。

[1]李揚海，鮑衛剛，郭修武，等.公路橋梁結構可靠度與概率極限狀態設計[M].北京:人民交通出版社，1997.

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[6]王 濤.高速公路橋梁交通荷載調查分析及仿真模擬[D].西安:長安大學，2010.