基于動態稱重系統實測軸載分布特征研究

丁婷婷，孫建秀，韋金城，張曉萌，倪廣聰

(1.山東省交通規劃設計院集團有限公司 濟南市 250031； 2.山東省交通科學研究院 濟南市 250102；3.頓河國立技術大學 俄羅斯 羅斯托夫 344022)

0 引言

交通荷載參數因交通量大、軸型多、車型多、軸重分布區間較大等原因[1-3]，使之成為路面結構設計中最重要的設計參數之一，也是最難以準確確定的參數之一[4-5]。目前，現行瀝青路面設計規范中利用當量軸載作為輸入參數，采用軸載譜方法分析采集數據，并借鑒美國AASHTO力學-經驗法設計指南[6]，故可以準確、全面地描述交通荷載,有效地避免當量軸載換算帶來的誤差。但隨著WIM系統在山東省高速公路收費站的普及應用，實測軸載譜數據成為可能[7]。WIM系統不僅可以測量動態輪胎力、車速、車輛通過時間等信息，還可以計算輪重、軸重、總重等數據，可以根據采集的數據建立數據庫，可在人工無法確定交通荷載參數的情況下，為區域道路結構設計與分析提供參數參考依據，極大程度上提高了工作效率。

1 交通荷載參數的收集與處理

用軸載譜的方法描述交通荷載比以往采用交通量數據和代表車型額定軸載更全面、精確。目前我國的設計體系采用累積當量標準軸次(ESALs)來描述交通荷載，但是為了更如實地反映實際的交通水平，需采用軸載譜來計算累積當量標準軸次[8]。

車輛荷載作用是影響路面使用壽命的關鍵因素之一，它一般以車輛(單車或組合車)總重、各軸型(單軸、雙軸或三軸)的軸重、各輪組(單輪或雙輪)的輪重表征。我國及其他一些國家對道路上行駛車輛有一個最大車輛總重和軸重許可值，如表1所示。

表1 道路上行駛車輛的軸重和車輛總重最大容許值 t

為了獲得公路的實際交通荷載，考慮到數據采集的復雜性和完整性，盡可能地為路面設計提供完全詳盡的信息，采用動態稱重系統(Weight-in-Motion，WIM)進行道路實測軸載譜數據采集分析處理。該系統不僅可以避免交通量數據與代表車型軸載不符的問題，還可以在計算機的控制下，對正常高速行駛中的載重車輛進行重量檢測，收集車輛的重量、行駛速度、車道流量等交通信息。為類似交通條件下利用道路軸載譜來分析道路的交通荷載情況。

2 交通量分析

為能全面、精確地反應交通荷載特性，從而得到更加可靠的路面結構設計參數，對濟青高速公路從2019年10月26日到2020年10月27日所有通行車輛所采集的數據處理分析，根據《公路瀝青路面設計規范》[8](JTG D50—2017)確定車輛類型分布系數、軸數系數、軸重分布系數等相關數據。

2.1 年平均日交通量

通過WIM系統進行采集及統計處理，得到2020年較2019年相比，年平均日交通量明顯增多，且在春秋季節(4月至5月、9月至10月)達到高峰期。如表2。

表2 濟青高速年平均日交通量

2.2 車輛類型分布系數

車輛類型分布系數指的是各種類型卡車在所有卡車中所占的百分比，根據WIM數據統計，對濟青高速各類車輛類型所占比例分析得到：3類車型所占分布系數最高，4類車型最少。在交通組成中，4類、7類、8類車分布系數占比重較小，3類、9類車分布系數比重較大，5類、11類車型并未分布。

2.3 車輛的行駛速度

車輛的行駛速度會對路面產生不同程度的損傷破壞，通過WIM系統對濟青高速所采集到的數據分析和處理，得到了所有車的行駛速度分布圖和車速的累積分布圖，如圖1所示。

圖1 濟青高速車速累計分布圖

從圖1分析可知，車輛速度主要集中在75～90km/h之間，且車速在85km/h分布率高達15.3%左右；車輛速度的累積分布率在50%時對應車速為73km/h，符合設計使用車速范圍。

2.4 軸數系數

軸數系數是指每一種車型各種類型軸(單軸、雙聯軸、三聯周)的平均軸數。通過我國的當量軸載換算公式(式1)，對于單軸單胎和單軸雙胎采取不同輪組系數分開分析，得到各車輛類型的平均軸數如表3。

表3 各類車型的平均軸數

(1)

式中：NAPTmi—m類車輛中i種軸型的平均軸數；

NAmi—m類車輛中i種軸型總數；

NTm—m類車輛總數；

i—分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯軸和三聯軸；

m—2～11類車型。

2.5 卡車小時分布系數

卡車交通量小時分布系數指的是年平均日交通量在每個小時內的分布。由濟青高速WIM數據統計得出2020年卡車小時分布系數，如圖2所示。

圖2 濟青高速卡車小時分布系數

由圖2分析可知：6軸車占比重最大，且夜間顯著增加；3軸、4軸車型分布及運動軌跡基本一致，7軸車型分布最小，高峰時段主要分布在6:00～8:00之間，之后波動變動趨勢不大；一天之中，因貨車重量大、數量多，路面溫度隨氣溫的變化而變化，能夠準確地反映當今社會的交通變化情況。

3 交通軸載特征分析

車輛軸載譜表示車輛不同軸型在不同軸重區間所占的百分比。按《公路瀝青路面設計規范》[8](JTG D50—2017)中式A.3.1-2(式2)計算2類～11類車輛不同軸型在不同軸重區間所占的百分比，得到不同軸型的軸重分布系數[8]。

(2)

式中：ALDFmij—為m類車輛中i種軸型在j級軸重區間的軸重分布系數；

NDmij—為m類車輛中i種軸型在j級軸重區間的數量；

NAmi—為m類車輛中i種軸型的數量；

i—分別為單軸單胎、單軸雙胎、雙聯軸、三聯軸；

m—2類～11類車。

借助道可道系統軟件，將WIM系統所采集到的數據按各種軸載類型的軸重區間劃分得到車輛不同類型、不同軸型的軸載分布，即軸載譜，如圖3～圖6所示。

圖3 單軸單胎軸載譜

圖4 單軸雙胎軸載譜

圖5 雙聯軸軸載譜

圖6 三聯軸軸載譜

通過分析可得，2類、3類、4類、6類、7類、8類、9類、10類車都有單軸，不同的是有前、中、后單軸之分，單軸單胎車輛類型分布比較廣泛，2類、4類、6類、7類、8類、9類、10類車有雙聯軸，其中2類車小軸重區間分布多于其他類型車；只有8類、9類、10類車有三聯軸，8類車比9類、10類車軸重區間分布相對均勻；5類、11類車型未有分布。

通過在濟青高速兩條拓寬車道上(3車道、4車道)設置車輛拍照系統，根據WIM系統采集的數據信息，對各斷面內貨車的輪跡橫向分布研究得到：3車道左輪路面橫向分布主要分布在90～130cm處,且115cn處所占分布比重最大，而右輪主要分布在290～325cm處，其中在305cm處分布比重較大；4車道左輪沿路面橫向分布主要在65～105cm之間，其中85cm處所占分布率最大，而右輪主要分布在265～305cm處，275cm處分布所占比重最大。

由此可見，貨車在重載車道(3車道、4車道)上行駛分布比較均勻，且在大多數時間內，貨車是以系列車隊的形式行駛。因3車道、4車道貨車相對車流量大，車速相對較慢，車間距相對較小，很難完成超車，行車安全系數高。但在交通量小時，部分貨車會變換車道完成超車行為，表現為在低交通量時段，橫向分布頻率在左側增大，右側減小。

4 結語

對在山東省濟青高速公路上，利用動態稱重系統(WIM)實測的2019年至2020年的軸重數據進行了分析, 確定了其軸載譜分布特征，通過分析發現拓寬后的高速公路年平均日交通量明顯增多，交通量調節系數變化幅度較大。另外, 通過采用移動測速設備，對拓寬后貨車車輛的交通橫向荷載分布特征進行觀測分析，發現該路段行車安全系數較高。本研究也體現了在路面結構分析和設計中, 采用軸載譜的方法可以更全面、更精確地分析交通荷載對路面結構的破壞作用, 為類似區域條件下道路設計分析提供了基本的交通輸入參數。