利用動態(tài)稱重技術(shù)的福建省重載交通公路車輛荷載模型

顏全哲， 卓衛(wèi)東， 王志堅， 黃新藝， 孫穎

(1. 福州大學(xué)土木工程學(xué)院， 福建 福州 350108； 2. 福建省交通運(yùn)輸廳， 福建 福州 350001)

0 引言

車輛荷載直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性， 盡管對公路汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)有現(xiàn)行規(guī)范[1]， 然而， 我國大陸幅員遼闊， 各地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展不平衡， 車輛荷載類型、 交通量大小也有明顯的地域性特征. 因此， 建立地域性的車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)， 既能考慮地方車輛荷載的特殊性， 又能考慮該地區(qū)車輛荷載的一般性[2-5]. 另一方面， 現(xiàn)行規(guī)范的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)一般適用于新橋設(shè)計， 對于精度要求較高的既有橋梁承載力評估和疲勞損傷評估， 還應(yīng)結(jié)合實際運(yùn)行車輛的統(tǒng)計分析， 建立相應(yīng)的實際運(yùn)行車輛荷載模型[6].

動態(tài)稱重(weigh-in-motion， WIM)技術(shù)可以在不中斷交通的情況下獲得車輛的車速、 軸重力、 車重力、 軸距、 車頭間距等參數(shù)， 利用WIM技術(shù)可以獲得調(diào)查路段用于統(tǒng)計目的的100%的交通荷載數(shù)據(jù)[7-9]. 美國Nowak等[10-11]較早利用WIM系統(tǒng)采集的汽車荷載數(shù)據(jù)建立橋梁活載模型， 并應(yīng)用外推法預(yù)測不同跨徑的橋梁在75 a設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)的汽車荷載效應(yīng). 之后， Cremona[12]、 Oconnor等[13-14]、 Fu等[15-16]以及魯乃唯等[17]也都開展了類似的工作. 隨著WIM技術(shù)的推廣應(yīng)用， 近十幾年來基于WIM實測車輛數(shù)據(jù)的實際運(yùn)行車輛荷載模型的相關(guān)研究也越來越多. Miao和Chan等[7-8]利用香港地區(qū)持續(xù)10年的WIM數(shù)據(jù)， 建立香港地區(qū)的設(shè)計車輛荷載模型； Obrien等[18]基于歐洲5條高速公路的WIM監(jiān)測數(shù)據(jù)， 提出相應(yīng)的橋梁交通荷載特征指標(biāo)； Morales-Napoles等[19]基于WIM數(shù)據(jù)和貝葉斯網(wǎng)絡(luò)， 建立了新西蘭的橋梁交通荷載模型. 在國內(nèi)， 文獻(xiàn)[20]最早利用WIM技術(shù)進(jìn)行交通荷載調(diào)查， 并據(jù)此開展我國公路車輛荷載標(biāo)準(zhǔn)值的研究； 在此之后， 許肇峰等[3]、 盧九章[4]、 李廣慧等[21]以及宗周紅等[22-23]均利用WIM實測數(shù)據(jù)， 建立具有地域特色的標(biāo)準(zhǔn)車輛荷載模型. 趙少杰等24]采用分段截尾函數(shù)和多重混合高斯函數(shù)相結(jié)合的方法， 對WIM系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)進(jìn)行概率統(tǒng)計及擬合分析， 建立了各地區(qū)代表性的車輛荷載模型.

福建省東南沿海地區(qū)公路交通運(yùn)輸量巨大， 車輛超載現(xiàn)象時有發(fā)生. 本文選擇該地區(qū)典型重載交通公路布設(shè)WIM系統(tǒng)測點， 實測該地區(qū)的實際車輛荷載數(shù)據(jù)； 基于WIM系統(tǒng)長達(dá)30個月不間斷采集的車流數(shù)據(jù)， 研究并建立適用于福建省重載交通公路的車輛荷載模型， 為福建省內(nèi)重載交通公路橋梁設(shè)計及評估提供科學(xué)依據(jù).

1 車輛荷載數(shù)據(jù)采集與統(tǒng)計分析

1.1 WIM系統(tǒng)布設(shè)及數(shù)據(jù)采集

福建省漳平市擁有眾多的水泥生產(chǎn)企業(yè)， 省道S208線是漳平市水泥原材料和成品運(yùn)輸?shù)闹匾煌ㄍǖ溃?重載貨車車流量大、 比例高； S306線則是連接福建三明與泉州、 廈門沿海的重要交通通道， 是閩西北山區(qū)礦產(chǎn)資源和東南沿海物資往來的必經(jīng)之路， 交通繁忙， 重載交通多. 通過前期交通調(diào)查發(fā)現(xiàn)， 省道S208線和S306線存在車流量大、 重載貨車比例高的特點， 各類車型數(shù)量、 比例等均符合福建省重載交通公路的車流分布特征. 因此， 將WIM系統(tǒng)分別布置在漳州市華安縣S208線139K+820處的割掘大橋橋頭和泉州市永春縣S306線158K+500處的青溪大橋橋頭附近.

利用WIM系統(tǒng)， 在各測點連續(xù)測量實際通過的車輛及其各項相關(guān)參數(shù)， 包括車重力、 軸重力、 軸數(shù)、 軸間距及通過測點時刻等數(shù)據(jù)； 連續(xù)采集了自2016年7月至2018年12月共30個月的交通荷載數(shù)據(jù).

1.2 實測車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

根據(jù)WIM系統(tǒng)獲取的車輛荷載數(shù)據(jù)和車輛技術(shù)手冊[25]， 將車輛類型分為5種車輛類別： 二軸客貨車、 三軸貨車、 四軸貨車、 五軸貨車、 六軸貨車. 數(shù)據(jù)分析過程中， 同時考慮了以下兩個方面的因素對獲取的交通數(shù)據(jù)進(jìn)行初步篩選： 其一， 對于車身總質(zhì)量小于3 t的小型客車和兩軸客貨車輛， 一般對橋梁不會造成損傷， 因此可不計相關(guān)車輛的影響. 其二， 考慮到實際交通中車流的復(fù)雜性和系統(tǒng)的可靠性， WIM系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)存在部分錯誤數(shù)據(jù).

綜合以上兩個方面的因素， 剔除錯誤的數(shù)據(jù)記錄和對結(jié)構(gòu)損傷沒有影響的記錄， 最終確定割掘大橋和青溪大橋橋頭布設(shè)的WIM系統(tǒng)采集到的有效數(shù)據(jù)記錄分別為151 228條和228 547條； 各種車輛類別的數(shù)量及車輛總質(zhì)量等參數(shù)見表1.

各類車型的最大額定質(zhì)量根據(jù)《汽車、 掛車及汽車列車的外輪廓尺寸、 軸荷及質(zhì)量限值(GB 1589—2016)》[26]中的條文確定， 當(dāng)實測車輛的總質(zhì)量大于標(biāo)準(zhǔn)中對應(yīng)車型的最大額定質(zhì)量時， 視為超載車輛. 根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可以看出：

1) 同為省道的漳州市華安縣S208線139K+820處的割掘大橋橋頭和泉州市永春縣S306線158K+500處的青溪大橋橋頭兩個位置的車輛類型組成結(jié)構(gòu)基本相似， 三軸及三軸以上貨車占車輛總數(shù)的99%以上， 且其中6軸貨車的占比均很高， 為典型的重載交通組成.

2) 不同類型的車輛的平均質(zhì)量(GVM)受地理位置的影響較大， 三軸以上貨車的最大車身質(zhì)量均在82～178.8 t之間， 泉州調(diào)查點的最大車輛質(zhì)量明顯大于漳州調(diào)查點的.

3) 車輛超載情況： 兩軸客貨車輛的超載比例較高， 漳州和泉州調(diào)查點分別為23.79%和27.48%， 最大質(zhì)量達(dá)到55.7 t； 占車輛總數(shù)最多的6軸貨車超載比例較低， 漳州和泉州調(diào)查點分別為1.97%和1.47%， 超載車輛總數(shù)分別為2 857輛和2 798輛； 特別值得注意的是三軸貨車， 盡管泉州調(diào)查點的超載比例較低， 但最大車輛質(zhì)量高達(dá)161.1 t.

表1 實測車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總

1.3 實測車輛總質(zhì)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

參考英國BS 5400規(guī)范[27]， 對各類型車輛的總質(zhì)量分布進(jìn)行擬合分析， 發(fā)現(xiàn)下式所示的內(nèi)核平滑函數(shù)的擬合結(jié)果最優(yōu)：

(1)

式中：h為平滑參數(shù)(窗寬或帶寬)；n為各種類型車輛總質(zhì)量的最大值控制；k(·)為內(nèi)核函數(shù)， 本文采用標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)作為內(nèi)核函數(shù)， 即

(2)

表2列出了兩地測點獲取的各類車輛的擬合參數(shù)， 表3列出了車輛總重力具有0.95分位值的代表值.

表2 各類車型車輛總質(zhì)量統(tǒng)計擬合參數(shù)

表3 分位值為0.95的各類車型車輛總重力

1.4 實測車輛軸重力和軸距統(tǒng)計分析

1) 車輛軸重力分析. 由于實測車輛車型種類多樣， 故從中篩選出對結(jié)構(gòu)損傷有較大影響的5大類、 10個子類車輛進(jìn)行軸重力和軸距統(tǒng)計分析， 如表4所列. 通過線性分析， 得到各車型軸重力與車輛總重力間的比例關(guān)系， 分析結(jié)果見表5.

表4 車輛模型匯總表

表5 實測不同類型車輛的軸重力與車輛總重力之間的比例關(guān)系

2) 實測車輛軸距統(tǒng)計值. 根據(jù)WIM系統(tǒng)得到的實測車輛荷載軸距數(shù)據(jù)， 以同一類的某種車輛出現(xiàn)的相對頻率為權(quán)數(shù)， 按加權(quán)平均的方法求出該類車輛模型的各個軸距(結(jié)果取10 cm的倍數(shù))， 分析采用的公式[28]為：

Lj=∑fjLij

(3)

式中：fi為某種類型車輛中第i類車在所有統(tǒng)計車輛中出現(xiàn)的頻率；Lij歸為同一類車輛中的第i類車的第j個軸距；Lj為該類型車輛模型的第j軸距.

進(jìn)行軸距統(tǒng)計分析時， 將漳州和泉州兩個WIM觀測站的車輛數(shù)據(jù)按相應(yīng)的車輛類型進(jìn)行合并后再綜合分析， 分析結(jié)果分別列于表6和表7中.

表6 實測各種類型車輛軸距分析參數(shù)表

表7 實測各種類型車輛軸距數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析表

2 基于WIM實測數(shù)據(jù)的車輛荷載模型

參考《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范(JTJ 021—89)》的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)[29]， 擬定實測車輛荷載模型. 其中， 主車選取與JTJ 021—89規(guī)范相同的車重力分位值(0.95)， 得到雙軸標(biāo)準(zhǔn)車的代表車重力為220 kN； 重車選取分位值為0.997， 得到6軸貨車的代表車重力為610 kN， 如圖1所示.

(a) 主車 (b)重車圖1 主車和重車的車輛荷載模型(軸重力單位： kN， 尺寸單位： cm)Fig.1 Vehicle load model of standard and heavy truck (load unit: kN, dimension unit: cm)

根據(jù)WIM系統(tǒng)實測的數(shù)據(jù)， 車輛間距與JTJ 021—89規(guī)范規(guī)定的汽車-超20級荷載基本吻合， 故本文模型中車輛間距與JTJ 021—89規(guī)范中的取值基本一致. 最終擬定的車輛荷載模型如圖2所示.

圖2 實測車輛荷載模型縱向排列(軸重力單位： kN， 尺寸單位： m)Fig.2 Truck train model based on WIM data (load unit: kN, dimension unit: m)

3 實測車輛荷載模型與規(guī)范汽車荷載效應(yīng)對比分析

為了對比實測車輛荷載模型與JTG D60—2015規(guī)范[1]規(guī)定的汽車荷載作用下的上部結(jié)構(gòu)內(nèi)力， 選取標(biāo)準(zhǔn)跨徑為16 m、 30 m的等截面預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋和一座3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋進(jìn)行荷載效應(yīng)分析.

采用Midas軟件建立3座橋梁上部結(jié)構(gòu)的有限元模型， 并分別施加JTG D60—2015規(guī)范[1]規(guī)定的公路-I級和公路-II級汽車荷載以及本文實測的車輛荷載模型， 計算其作用效應(yīng). 表8列出3座典型公路橋梁在實測汽車荷載模型及規(guī)范汽車荷載作用下控制截面計算彎矩和計算剪力的比較結(jié)果. 從表8可看出， 對16 m和30 m跨徑的公路預(yù)應(yīng)力混凝土簡支T梁橋以及3×30 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋， 本文實測車輛模型的彎矩作用效應(yīng)相比公路-I級汽車荷載作用效應(yīng)分別小27.8%、 12.7%和18.5%， 相比公路-II級汽車荷載作用效應(yīng)分別大4.2%、 15.5%和11.1%； 實測車輛模型的剪力作用效應(yīng)相比公路-I級汽車荷載作用效應(yīng)分別小15.4%、 5.3%和0.7%， 相比公路-II級汽車荷載作用效應(yīng)分別大13.5%、 21.0%和24.5%. 可見， 采用公路-I級汽車荷載對福建省重載交通公路橋梁設(shè)計應(yīng)是安全的， 而采用公路-II級汽車荷載對福建省重載交通公路橋梁設(shè)計則偏于不安全.

表8 實測車輛荷載模型與規(guī)范汽車荷載效應(yīng)比較

4 結(jié)語

1) 對WIM實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明， 福建省典型重載交通公路以三軸及以上貨車為主， 占比達(dá)99%以上， 且其中以6軸貨車為主， 平均占比約為89%.

2) 不同類型的車輛總質(zhì)量分布均表現(xiàn)出明顯的單峰、 雙峰或多峰特征.

3) 基于WIM實測數(shù)據(jù)， 建立了適用于福建省典型重載交通公路的車輛荷載模型； 該模型由總重力220 kN的雙軸標(biāo)準(zhǔn)車和總重力610 kN的六軸重車組成.

4) 基于實測與規(guī)范模型的汽車荷載作用效應(yīng)分析表明， 對福建省重載交通公路橋梁， 采用公路-I級汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計總體上是安全的， 而采用公路-II級汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)則偏于不安全.