多車道橋梁交通荷載特性及結構響應研究

魏漢鋒

(廣東省佛開高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車道橋梁交通荷載特性及結構響應研究

魏漢鋒

(廣東省佛開高速公路有限公司,廣東佛山 528000)

多車道公路橋梁各行駛車道的車流和荷載特性分布具有顯著的差異性,由這些差異性引起的結構響應特性應是橋梁管養關注的重點。根據某單向4車道高速公路實測的WIM數據,分析其運營階段的交通荷載特性,及在實際車流荷載作用下橋梁結構的真實響應。研究結果表明：不同行駛車道的車型分布具有顯著差異性,90%以上的貨車偏向于外側兩個車道行駛；車輛總重和軸重水平較規范基礎數據有明顯的提高；各行駛車道隨機車流產生的荷載效應最大值基本大于規范值,外側車道上荷載效應遠大于內側超車道,說明目前規范基于車道荷載獨立同分布的假定與實際情況不相符,車輛荷載模型已無法滿足實際的結構設計評估要求,建議修正。

多車道；車流分布；荷載特性；WIM；結構響應；運營情況

0 引言

多車道高速公路具有良好的車輛通行能力,能夠高效地集散車流,同時給予車輛更多的車道選擇,在我國交通事業日益發展的今天,多車道高速公路越來越受到青睞。這種多車道斷面形式使得車流橫向分布特征明顯,相應的荷載特性隨時間和空間變化顯著,以往規范中對各車道車流獨立同分布的假設已不再成立。同時,近年來,我國高速公路上的超載現象嚴重,車輛荷載變異愈加顯著,這使得高速公路上橋梁的評估已不適合繼續沿用傳統規范中的車輛荷載,利用橋梁實際運營荷載來研究既有橋梁的運營情況是形勢所趨。

基于此,選取國內某高速公路的兩個典型斷面,利用WIM設備測得的車流數據進行分析。該高速公路斷面形式為雙向8車道,車道分布及WIM設備布置情況如圖1所示。研究將分析同向行駛的4車道車流空間分布規律及其荷載特性,在此基礎上,討論特定地點橋梁評估應用實際車流荷載的必要性,同時為單向4車道高速公路的整體規劃、設計及管理提供借鑒。

1 車流荷載特性及其空間分布

為討論公路橋梁運營階段的車流特征,以便準確建立能夠反映實際結構響應的荷載模型,首先需實測得到背景公路斷面的車輛數據,分析當

圖1 車道傳感器布置圖

1.1 車型組成分析

目前,我國道路上實際運行車輛種類繁多,各種車型的載重能力差異較大,導致汽車荷載差別不可忽略。對于單個車輛而言,車重與其軸數相關,以軸組類型作為劃分車型的依據,將測得的車輛劃為5類,各軸型車輛比例見表1所列。由表1可知,輕型客車(七座以下)數量較多,2軸車占的比例相當大,其次是6軸和5軸車,其中6軸的重車數量比較多,而這類車型對橋梁的影響也最為顯著。進一步,可得到各軸型車輛對行駛車道選擇的傾向性,表2為各軸型車輛在4車道上的分布比例。由表2可知,各軸型車輛有自己慣用的車道,2軸車由于質量較輕,偏向道路內側超車道行駛,3軸及以上軸型的車輛屬于貨車,更傾向道路外側的慢車道。各軸型車輛對車道選擇的傾向性導致了多車道荷載分布的差異。

1.2 車輛荷載特性

車重和軸重是描述單個車輛荷載特性的參

表1 車輛軸型分類及組成一覽表

表2 車輛的車道選擇特性一覽表(單位:%)

數,該類參數與車型有關。已知車型載重、軸重和軸距的分布,可以根據結構的最不利加載位置計算荷載效應,對于直接承受荷載的橋面板等局部受力構件,軸重與軸距的影響則更為顯著。

圖2為實測路段車重與軸重的累計概率分布圖,并與我國《公路橋涵設計通用規范》(JTG D60-2004)建立車輛荷載模型的基礎數據進行對比,以表明實際的運營荷載環境。由圖2可知,在總重累計概率低于0.7以及軸重累計概率低于0.6時,同一累計概率水準下實測的運營階段車重與軸重均較規范基礎數據偏小,這是由于小型客車比重較大引起的；但當總重累計概率超過0.9時,所有斷面車重值均大于規范基礎數據在相應累計概率水準下的數值,車重遠大于“04規范”基礎數據,說明該路段實際通行車輛荷載無論是重車比例還是車重水平都較上世紀90年代初(“04規范”基礎數據獲取時間)明顯提高。

對單車車重和軸重特性的分析可知,當前路段的汽車荷載水平遠大于“04設計規范”界定的范圍,且對于中小跨徑橋梁結構而言,單輛重車對結構的效應起控制作用,在經常性重載交通作用下,局部構件難免發生“疲勞性”損傷,從而影響結構的耐久性和使用安全,并增加養護維修成本。

1.3 車輛到達特性

車輛的到達特性是反映車流疏密程度的重要指標,通常以車頭時距和車頭間距來衡量,車頭時距是車流模型研究的基礎,而車頭間距更能直觀反映車流的疏密狀況。圖3為車頭時距和車頭間距的累積分布曲線。

這里同樣沿引“04規范”基礎數據作為比較,以說明該路段的車流密集程度。由圖3可知,在車頭時距累計概率低于0.98時,同一累計概率水準下實測路段的車頭時距小于“04規范”基礎數據,而當超過以上概率水平時,比規范基礎數據偏大。同時,觀察車頭間距分布規律可知,車頭間距均較

圖2 總重與軸重累計概率分布圖

圖3 車輛到達特性累計分布曲線圖

同一累計概率水準下規范基礎數據的車頭時距要大,這與高速公路行車速度較快有關。

1.4 車輛超載分析

近年來,車輛超載引起的橋梁垮塌事故時有發生,由此引發的交通中斷會給社會發展帶來較為深遠的負面影響。表3為實測運營的各軸型車輛的超載統計。

表3 各軸型超載車統計表

從表3的數據可以看出：各軸型車輛中4軸車的超重比例最大,為45.6%,其次是5軸車和6軸車,各為41.2%和38.4%。從各車型的平均超載率方面,最大超載率為6軸車,可見當前路段重型貨車的超載問題尤為突出。

對橋梁結構造成損傷或破壞的車輛都是嚴重超載的車輛,因此,需要重點關注嚴重超載的車輛。在對運營階段汽車荷載的極端水平進行分析,可為危害公路橋梁安全的車輛載重管控和有關規范的修訂提供決策支持。表4為監測路段車重值最大的5輛車車重及超重率。由表4可知,車重值較大的車全為6軸車,最大車重值為179.9 t,已遠遠超過規范規定的通行車重限值,超重率達到了227.09%。在加強交通監管的同時,應建立符合實際交通情況的車輛荷載模型,便于高速公路橋梁評估。

表4 最大車重及超重率一覽表

2 基于連續自然車隊的汽車荷載效應

為了進一步驗證利用實際運營荷載來研究既有橋梁運營情況的必要性,應選取不同跨徑的橋梁結構,采用連續自然車流進行加載,將計算得到的效應值與“04規范”公路汽車I級荷載的效應標準值進行對比。該項研究選取跨徑分別為20 m、40 m和60 m的簡支梁橋進行分析,通過實測得到的WIM數據對跨中彎矩效應影響線進行加載計算,計算方法如圖5所示。

圖5 橋梁荷載效應計算圖示

表5為簡支梁結構跨中彎矩效應的統計參數,限于篇幅,僅選擇超車道和行車道3為例進行分析。從橋梁結構在各個車道汽車作用下的效應分析結果上來看,各個車道上出現的最大荷載效應均超過了“04規范”規定的車道荷載標準值。其中,行車道3在車隊荷載作用下的最大效應約為規范效應標準值的3倍；而超車道的汽車荷載效應也為規范效應值的2倍左右。總體車流荷載響應大于現行規范對應值,說明目前規范的車輛荷載模型偏于不安全。此外,總體車流與各車道車流的效應比值隨加載長度的增加而減小,說明就車輛荷載效應而言,短加載長度橋梁更值得關注。同時,相對于規范的承載能力極限狀態,根據規范設計計算的車輛荷載效應在考慮1.4的分項系數后,加載長度為20 m及60 m的橋梁實測總體車流荷載效應仍超過規范值,兩者效應比值分別為2.15和1.83。

表5 簡支梁跨中彎矩統計參數表(單位:kN·m)

由單車道的效應分析同時可得,對于多車道高速公路橋梁,由于不同車型車輛具有明顯的車道選擇特性,采用實際荷載對各車道加載得到的結果也存在較大的差異。從表5可以看出,對于不同計算跨徑橋梁,內側超車道荷載水平普遍較設計規范偏低,而行車道3的彎矩效應均值約為超車道的6倍左右,各車道汽車荷載水平的分布存在明顯的差異性。因此,建議我國規范在對多車道效應折減的問題時,考慮各車道荷載分布的差異性,可參考歐洲EUROCODE規范采用不同車道布置不同荷載的方式。

3 結論

以某背景高速公路實測車輛荷載為基礎,通過統計分析,對多車道交通量與車輛荷載特性、車輛到達特性,以及車輛超載狀況進行研究；并利用實測車流荷載數據對橋梁結構進行加載,將所得效應值與規范荷載效應值進行比較。得到如下結論：實測車流數據的運行密集程度及荷載狀況與規范基礎數據存在較大出入,其中,交通流量有了較大的增長；采用影響線加載的方式獲得真實車流在計算橋梁上的各項荷載效應值,該效應值與規范荷載效應值存在較大差異,實際橋梁運營狀態評估不再適合繼續使用規范荷載數據進行,同時,鑒于多次道汽車荷載效應分布的差異性,建議綜合考慮各車道車流及荷載橫向分布特性,對各車道荷載取值大小進行界定。

U441+.2

A

1009-7716(2015)09-0186-03

2015-06-11

魏漢鋒(1985-)，男,廣東人,工程師,研究方向：路橋工程。前實際車流的組成特性。主要分析內容包括：交通量與車輛荷載特性、車輛到達特性,以及車輛超載等。