基于動態稱重的高速橋梁車輛荷載分析

盧穎

基于動態稱重的高速橋梁車輛荷載分析

盧穎

（招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶，400067）

基于安裝在高速某三跨連續梁橋上的動態稱重系統（WIM）所記錄的車輛荷載數據，對車流量、車重、車速、總軸距和車間距進行了分析，得到其統計特性和分布的一般規律。然后，通過廣義極值模型（GEV）計算出最大彎矩極值分布，得出實際車輛荷載，并與規范中所規定的荷載進行比較。結果表明：一天中各時段的總交通流量具有很強的潮汐規律性；從車流構成上看，二軸車輛占絕大多數，其次為六軸及以上車輛；實際運行車輛荷載低于設計車輛荷載，實際荷載對橋梁健康狀況危害不大。

橋梁；車輛荷載；車流構成；動態稱重

引言

橋梁結構所受的主要荷載類型為車輛荷載。上個世紀，通過記錄四條干線國道上五個白天的車流數據，進一步提出了我國的現行公路橋梁車輛荷載標準[1]。進入21世紀后，隨著社會進步，國民經濟迅速發展，車流量也不斷增長，超重型車輛不斷涌現，使得車輛荷載較規范制定時產生了較大改變。相關研究也表明：全國各地車輛荷載形式眾多，地域性是其一項不得不考慮的重要特征。在這種狀況下，《公路橋梁承載能力檢測評定規程》根據實際的橋梁交通狀況，提出有必要對標準荷載進行一定修正。

動態稱重系統作為一種可靠且準確的獲取車輛數據新方法，為科研人員和工程師所使用。動態稱重系統能夠十分全面地獲得交通流量信息，并且不受人為因素影響，因此將其作為特征車輛荷載記錄的重要工具是可靠的。許多相關工作者進行了一系列研究，如分析車型構成、預測荷載極值、建立荷載模型、評估安全狀況等。

本文利用安裝在京滬高速某三跨連續梁橋上的動態稱重系統所采集的數據，通過對交通流量、車輛構成等進行分析，推算出實際運行車輛荷載。

1　監測系統

動態稱重過程是指對行駛車輛的動態受力進行連續測量，以及對其靜止狀態下的重量進行計算。車輛動態稱重（Weigh-in-Motion，簡稱 WIM）系統，包括安裝在橋面的一組傳感器和安裝有相關軟件的儀器，用來測量車輛相關實時信息，如圖1所示。交通荷載的監測主要包括過橋車輛數量、車型、車重等信息，通過在大橋引橋混凝土橋面鋪裝下預埋高速動態稱重系統，可對車輛進行測重、測速，同時使用攝像儀對交通實況進行監測。

2　車輛運行狀況分析

車流量和車流的構成狀況是車輛交通情況的兩個重要指標[2]。我國《公路橋梁承載能力檢測評定規程》中引入了考慮橋梁實際位置的典型代表性交通量、大車混入率等的修正系數，對標準荷載進行了一定修正[3]。由此可知，分析車流量、車流的構成狀況、軸重和車輛總重具有重要意義。

從動態稱重系統可以提取被記錄車輛的參數，從而可對車流量和車流構成進行實時統計與分析。通過2016年4月的數據統計，可以得到當月每個車道的車流量。車道分布如圖1所示，車流量情況如表1所示，車輛構成如圖2所示。

圖1　WIM系統在車道分布下的安裝示意圖

表1　車流量統計

圖2　車流構成

從表1可以得出，單從一方面的數據看，中間車道車流量較大，兩邊車道較小。從圖2可以看出，一天中各時段車流量有很強的規律性：下午和夜間的車流量較早晨多，且二軸車的車流占據了絕大多數。

3　實際運行車輛荷載

3.1廣義極值模型

據Fisher-Tippet極值定理可知，若X1，X2，…，Xn是獨立同分布隨機變量的序列，那么有常數列{an＞0}和{bn}使得下式成立

其中，Pr(·)表示事件發生的概率；Mn=max{X1，X2，…，Xn}；H(x)為GEV分布(Generalized Extreme Value Distributions，廣義極值分布)。與此同時，引入位置參數μ和尺度參數σ，那么H(x)一定屬于以下的三種類型之一，分別作為極值Ⅰ型、極值Ⅱ型、極值Ⅲ型，即

其中，α為形狀參數[4]。

這三種極值分布形式代表了三種不同的極值類型，然而可以歸結為一個統一公式，即

其中，μ,ξ∈R; σ＞0; ξ也為形狀參數。

當ξ＞0時，取α=1/ξ，則H(x;μ,σ,ξ)代表極值Ⅱ型的分布，它的位置參數和尺度參數分別是μ-ασ和ασ；當ξ=0時，H(x;μ,σ,ξ)代表極值Ⅰ型的分布，這是因為；當ξ＜0時，取α=-1/ξ，則H(x;μ,σ,ξ)代表極值Ⅲ型的分布，它的位置參數和尺度參數分別是μ+ασ和ασ。綜上可知，極值分布類型是完全由形狀參數來決定，與位置參數、尺度參數無關[5]。

3.2基于WIM實際的荷載效應

動態稱重系統實測車輛信息包括車重、車長、車間距等，本文通過Matlab程序將車輛荷載通過橋梁影響線施加，計算出車輛通過橋梁時，橋梁跨中的彎矩時程值。對于該三跨連續梁橋來說，由于影響線較長，車軸布局對結果的影響可以忽略。按照《工程結構可靠性設計統一標準》中荷載作用的代表值確定原則，本文首先確定了1小時荷載效應最大值分布，然后進行外推，在設計基準期內可以得到荷載效應最大值分布函數，其中取某一分位點處的值作為荷載效應代表值。

把每個采樣點的彎矩看作隨機變量，一方面，根據極值類型定理，1小時主梁豎向彎矩最大值可以認為近似服從極值分布；另一方面，通過概率圖和可以進行的模型對比和優化選擇，根據上文可知，廣義極值分布對1小時彎矩最大值分布的高尾部分能夠很好擬合。

廣義極值分布的擬合分布函數為

根據《工程結構可靠性設計統一標準》，當可變作用通過平穩二項的隨機過程進行模擬時，其最大值概率分布函數FT(x)按下式計算：

其中，F(x)——可變作用的隨機過程截口分布函數；

m——在設計基準期T內，可變作用平均出現的次數。

當截口概率分布F(x)=H(x)，為1小時最大彎矩極值分布。若設計基準期是100年，那么m=100×365×24，且

按照慣用取值的原則，標準值SQK取保證率為95%時的分位值，結合WIM系統中的2016年4月數據，得到實際運行車輛荷載如下：下行為公路Ⅰ級的0.77倍，上行為公路Ⅰ級的0.79倍。

4　結論

基于安裝在高速上某三跨連續梁橋上的動態稱重系統（WIM）所采集的車輛數據，通過對相關參數進行分析，討論了車輛的概率統計特征和分布規律，得到以下結論：

（1）一天中各時段車流量的交通流量具有很強的規律性，基本在每天的10時前后達到最大值，在16時前后達到次大值。

（2）一個月內總通行車輛為1 104 841輛，下行日均17 068輛，上行日均19 759輛。其中二軸車輛占絕大多數，其次為六軸及以上車輛，并且日間二軸車輛占絕大多數，夜間六軸車及以上車輛比例上升。

（3）實際運行車輛荷載方面，下行為公路Ⅰ級的0.77倍，上行為公路Ⅰ級的0.79倍。實際運行車輛荷載低于設計車輛荷載，表明實際荷載對橋梁健康狀況危害不大。

[1]JTG D60-2004. 公路橋涵設計通用規范[S].

[2]王濤, 韓萬水, 黃平明. 公路橋梁交通荷載研究現狀及展望[J].建筑科學與工程學報, 2010, 27(4): 31-38.

[3]“公路橋梁車輛荷載研究”課題組. 公路橋梁車輛荷載研究[J]. 公路, 1997(3): 8-12.

[4]陳照全. 既有橋梁車輛荷載的隨機過程模型研究[D]. 長沙: 長沙理工大學, 2008.

[5]曾勇, 陳艾榮, 譚紅梅. 基于實測車流的懸索橋吊桿鋼絲壽命期內的疲勞評定[J]. 防災減災工程學報, 2014(02): 185-191.

Analysis of Highway Bridge Traffic Load by a Weigh-in-Motion Approach

LU Ying
(Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute, Co., Ltd., Chongqing, 400067, China)

Basing on data recorded by the Weigh-in-Motion (WIM) system installed in a three span continuous girder bridge at highway, perform analysis of the vehicle flow, weight, speed, wheelbase and interval, as to discover general discipline of their statistical characteristics and distribution. Then, the Generalized Extreme Value (GEV) model is used to calculate the extreme value distribution of maximum bending moment. The actual vehicle load is compared with the load determined by the regulations. The results show that, traffic flow has a strong tidal regularity; from the aspect of flow composition, dual-axle dominates the largest part, and the six-axle or more dominate the secondary. The actual running vehicle load is lower than the designed, thus brings out little harm to bridge healthy status.

Bridge; Vehicle Load; Flow Composition; Weigh-in-Motion(WIM)

TB472

A

2095-8412 (2016) 05-953-03工業技術創新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.033

盧穎(1985-)，女，碩士，工程師。研究方向：橋梁設計、加固。