河北高速公路橋梁標準疲勞載荷研究

康 博

(河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050000)

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河北高速公路橋梁標準疲勞載荷研究

康 博

(河北省高速公路青銀管理處，河北 石家莊 050000)

隨著國際對高速公路橋梁疲勞載荷問題的重視程度越來越高，以河北高速公路某橋梁結構為研究對象，采用了道路動態測試系統來對選取路段的車輛進行數據的采集和統計，之后，借助于動態數據對高速公路橋梁疲勞載荷進行了模擬分析，進而推導出了三軸車輛標準疲勞載荷模型以此作為6軸車輛的簡化模型，最后通過與國外成熟模型的對比得出三軸車輛標注疲勞載荷模型適應于該地區，從而體現了該模型的使用價值。

公路橋梁；疲勞載荷；研究

1 高速公路車輛動態測重系統

通過動態測重系統對過往車輛信息的采集，在存儲的數據中選取了5月份一周的數據作為分析和研究的基礎數據。通過數據統計可以看出，一個周的時間內，該路段過往的車輛共計57 956輛，以車輛的周數為單位，對過往的車輛進行了分類統計，如表1所示。

表1 不同周數車輛的統計表

由表1中數據可以得知，河北保阜高速T型剛構橋通過的車輛以兩軸車為主，占據總車輛的75.8%，另外，六軸車和四軸車次之，分別占據總車輛數目的10.08%和9.2%。在統計車輛數目的基礎上，動態測重系統還對過往車輛的重量進行了統計和分類，以車輛的重量作為分類的標準，統計了車輛在每一個重量區間內的數量和比重。

通過表中數據可以看出，在200kN以下重量的車輛最多，占據總車輛數量的70.6%，之后各個標準區間內的車輛數目保持均衡，然而橋梁通過的車輛中超重車輛，即重量在500kN以上的車輛所占的比例達到了5.6%，這對道路橋梁的損壞時比較大的，因此，在研究道路橋梁標準疲勞載荷計算中，超重車輛的應該作為重要因素考慮在內。之后，對動態測重系統采集到的車輛軸距和軸重等數據進行了分類和統計，如表2所示。

通過標準數據可以看出，6軸車輛的總重要比其他車輛重，但是按照每一個軸的載荷量計算可以得知，每一個軸的載荷量要比其他車輛的軸載荷量要少，因此，以動態測重系統為依托，對該高速公路的橋梁通過車輛進行了全面、科學的數據采集，并在其基礎上為橋梁標準疲勞載荷的研究帶來重要依據。為后文高速道路橋梁疲勞載荷模型的建立和分析提供了關鍵性的保障。

表2 車輛的車軸重量分類統計 kN

2 高速公路橋梁疲勞載荷的模擬分析

在對高速公路橋梁疲勞計算中，考慮到疲勞損傷與道路的常幅應力有關，然而該應力的大小可以由道路的變幅應力演化而得出，由于道路的疲勞損傷累計量是線性函數變化的，因此，可以將復雜的道路疲勞損傷模型簡化為應力循環模型，從而可以得出高速公路橋梁疲勞載荷的計算公式

(1)

式中：N和n分別表示每一個變應力幅對應的疲勞損壞的使用年限和實際過程中應變循環的次數。

因此，根據上述公式，將道路橋梁簡化為一個簡支梁，設定該簡支梁的長度為40 m，將動態測重系統采集到的實際數據帶入到該簡化模型中，由于模型的簡化，可以只將車輛重量超過30 kN的數據進行分析和計算。在該模型中，計算通過車輛的載荷對簡支梁中間的彎矩，由于通過車輛的數量和大小是不定值，可以采用雨流法進行計算每一個通過車輛的中間彎矩，從而可以得到在不同彎矩的大小和各彎矩出現的次數，進而可以統計出最大彎矩等。除此之外，在對該道路橋梁模型進行計算分析中，還需要計算橋梁模型的等效彎矩。計算公式如下

(2)

式中：fi表示每一個車輛對橋梁彎矩Mt的頻率。

另外，在深入研究車輛對道路橋梁疲勞載荷損傷的基礎上，需要計算每一個車軸下道路疲勞傷害的大小。從而可以針對不同軸數汽車對道路損傷度的計算和研究，計算各軸汽車對道路疲勞傷害度的公式為

(3)

式中：Zi表示通過車輛中各不同軸數車輛下的應力振幅大小值，其中m為標準參數，經對疲勞細節規定的查閱，定該參數值為3。

通過上述模型的分析和公式的計算，將采集并統計好的車輛載荷數據代入公式，另外，根據動態測重系統采集的不同軸數車輛的軸距數據計算不同車軸的車輛對簡化模型中間彎矩大小，得到不同軸數的車輛對道路橋梁模型疲勞損傷的大小值，的計算如表3所示。

表3 不同軸數車輛對道路橋梁模型的損傷值

由表3中數據可以看出，雖然2軸車輛占到道路車輛總數的75.8，但是其對高速公路橋梁載荷疲勞度的損傷值僅僅是5.8%，由此可見，2軸車輛對于道路橋梁損害的程度是很小的；從表中得到，對于道路橋梁損傷最大的是6軸車輛，它對高速公路橋梁疲勞的損傷度達到了53.2%，在全部車輛中，雖然6軸車輛僅僅占了10.08的比重，但是依舊對橋梁疲勞載荷的影響起到了破壞性的作用；從彎矩的累計概率數據中，發現3軸車輛、4軸車輛、5軸車輛以及6軸車輛的累計概率接近了100%，這表示了在兩倍的等效彎矩值下，概率分布函數所對應的函數值基本上已經全部包含了該車軸數車輛對道路橋梁的彎矩值。

3 高速公路橋梁標準疲勞載荷車輛的推導

根據表3數據的分析得出了6軸車輛對于高速公路道路橋梁疲勞損壞的程度是最大的，因此，針對河北保阜高速T型剛構橋的標準疲勞載荷車輛的推導中，可以在6軸車輛的基礎上進行演化，根據表2、表3中數據以及動態測重系統檢測到的6軸車輛的軸距大小為基礎數據，在6軸車輛軸距以及各軸所占的重量數據下，可以將6軸車輛簡化成一個類似3軸車輛的模型，如圖1所示，該3軸車輛的軸距以及軸載荷都參照了6軸的數據。

圖1 三軸車輛疲勞標準模型

在該模型中，三軸車輛對于道路橋梁造成的疲勞損壞應該與實際通過的車輛造成的橋梁損傷是一樣的，而實際車輛通過道路橋梁以后的數據可以通過動態測重系統獲取，根據上述公式中等效應力的方法，計算出三軸車輛模型的重量，即

(4)

式中：fi為車輛重量Wi下的變化頻率。

通過對河北保阜高速T型剛構橋動態測試系統數據的分析，并將測試的數據代入公式4中，從而得出三軸車輛模型的等效重量為330.2 kN，將車總的質量按照比例分配到每一個車軸上面，從而計算得到標準模型車輛下的每一車軸載荷，自后進行循環和參數的修正，最終核算出三軸車輛模型下的軸距數據，要求在該軸距下，模型車輛與實際檢測車輛對公路橋梁疲勞損傷程度相仿。經過多次循環之后確立最終數據，即該模型中，第一軸的載荷量為33.02 kN，第二軸載荷量為115.57 kN，第三軸載荷量為181.61 kN，前兩軸的軸距為3.3 m，后兩軸的軸距為8.4 m。

4 結 論

(1)高速公路車輛動態測重系統在高速公路車輛參數的采集中起到了重要的作用，由數據的統計得知該高速公路橋梁疲勞損傷的主要原因是6軸車輛以及超重車輛的通過引發的。

(2)在載荷損傷的原始數據下，演化出了三軸車輛載荷疲勞模型以此作為6軸車輛的簡化模型。經過多次的循環和最后的推導，得出三軸車輛的標準疲勞模型。

(3)最后將推導出的三軸車輛標準疲勞載荷模型與英國和美國的成熟模型進行了對比，發現文中推導的模型與實際道路載荷損壞程度一致，其他發達地區的模型并不適應于該地區，進而驗證了三軸車輛標準疲勞載荷的實用性。

[1] 周泳濤.公路鋼橋標準疲勞車輛荷載研究[C]．中國鋼結構協會橋梁結構分會中國鐵道學會橋梁工程委員會2010年學術論文集,2010: 31-37.

[2] 李明華.公路橋梁標準疲勞車輛荷載研究[J].科技與企業,2014,(20):80.

[3] 段海俠.對公路橋梁標準疲勞車輛荷載的研究[J].城市建設理論研究(電子版),2013,(8).

2016-04-11

康博(1987-)，男，河北石家莊人，助理工程師，從事河北省高速公路工程管理工作。

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1008-3383(2016)08-0081-02