橋梁疲勞車輛荷載譜的建立分析

郭德群 楊 琴

（1.茂名市交通設計院有限公司，廣東 茂名 525000；2.遵義職業(yè)技術學院建筑與藝術設計系，貴州 遵義 563000）

0 引言

橋梁在服役期內(nèi)除了承擔自身重量外，還要承擔車輛荷載。橋梁構(gòu)件產(chǎn)生疲勞破壞的外部重要因素是車輛荷載，對此制定橋梁疲勞荷載譜對研究橋梁疲勞破壞來說尤為重要[1]。20世紀70年代前的設計規(guī)范中通常將設計荷載作為疲勞荷載進行驗算，顯然這種驗算方式是不合理的，對橋梁進行疲勞驗算的載荷應該為經(jīng)常駛過該橋的車輛動載荷，以此計算分析這些車輛荷載導致的損傷累積[2]。

對于如何建立疲勞荷載譜，現(xiàn)在最普遍的方法是以實測交通數(shù)據(jù)為基礎；已經(jīng)運營的公路橋梁，其疲勞荷載譜的制定可以根據(jù)現(xiàn)場實測交通車流量計算分析得到[3]。而對設計階段的橋梁結(jié)構(gòu)的荷載譜的建立，通常先對擬建橋梁進行理論分析，從而確保預估的疲勞荷載譜與該橋建成后的交通流量數(shù)據(jù)吻合。本文分析公路疲勞荷載譜的建立方法，可為同類橋梁未來車輛荷載譜的建立提供有益借鑒。

1 橋梁疲勞荷載譜的制定重點和步驟

制定疲勞荷載譜應重點關注以下幾個方面：

（1）體現(xiàn)橋梁未來交通流量的發(fā)展趨勢，包括車流量增加、車輛載重量的增加及橋梁使用性質(zhì)的改變等；

（2）考慮橋梁在動力荷載（比如車輛荷載等）作用下發(fā)生的動力效應；

（3）考慮橋梁在外荷載作用下產(chǎn)生的變形、振動等引發(fā)的次效應[4]。

通過對代表性橋梁的交通量調(diào)查數(shù)據(jù)進行簡化，從而建立適用于同類橋型的疲勞荷載譜。在橋梁疲勞荷載譜的建立過程中，除了要記錄特定時間段內(nèi)的交通量，還需記錄車流的各種參數(shù)（比如車型、車輛軸重、車速、車輛總重、軸距及車輛間距等），這就需要現(xiàn)場記錄前后參考車輛技術手冊，整個過程包括以下主要步驟：

（1）開始調(diào)查之前通過仔細觀察，熟悉駛過該橋梁的車型，以便準確地對通過車輛進行歸類處理；

（2）取某特定時間段（12h、24h等）進行連續(xù)正式調(diào)查記錄，利用各種人員、儀器手段等記錄各種歸類車型的數(shù)量，并統(tǒng)計歸類車型中每類出現(xiàn)次數(shù)最多的生產(chǎn)廠家；

（3）調(diào)查統(tǒng)計完成后，歸類車型中每類出現(xiàn)次數(shù)最多的車作為此類車型的代表，通過查閱相關車輛技術手冊等方式，最終確定車輛的各種參數(shù)（比如車輛軸重、車速、車輛總重、軸距及輪間距等）。

2 疲勞車輛荷載譜的建立

如今公路橋梁疲勞驗算包括三種形式：利用標準疲勞車、借助實測交通車輛荷載頻值譜和直接采用靜力強度設計時標準荷載中的單個重車，其中第二種方式最符合實際，應用也最為廣泛。但以往調(diào)查分析得到的車輛疲勞荷載譜與現(xiàn)在的車輛荷載分布形式不符，很難準確評估現(xiàn)有橋梁的疲勞損傷。本文以某長江公路大橋某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量實測數(shù)據(jù)來制定車輛疲勞荷載譜。以文獻的數(shù)據(jù)為基礎，該數(shù)據(jù)對每天駛過該橋的車輛的車流量大小、總重和軸重等進行分類處理記錄。

2.1 公路車流統(tǒng)計方法及車型分類

2.1.1 公路車流統(tǒng)計方法

要想得到公路車流的準確數(shù)據(jù)很難，車流具有地域差異與季節(jié)差異，其幾個代表特征量（比如車型、車重、軸重、數(shù)量、間距和車速等）也有很強的隨機性。需要對車流進行調(diào)查、記錄、統(tǒng)計和分析。車流調(diào)查的主要方法有：人工調(diào)查法及儀器觀察法[5]。

（1）人工調(diào)查法主要依靠人力現(xiàn)場調(diào)查、記錄、統(tǒng)計和分析得到。首先，通過現(xiàn)場觀察選擇合適的位置進行統(tǒng)計記錄，通常可以選擇公路出入口或者車速相對緩慢的位置；然后，由專業(yè)人士對通過該位置的車流量進行記錄統(tǒng)計。最后對調(diào)查得到的車流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，進而得到該公路的車流量、車重和車輛類型等[6]。該方法得到的車流數(shù)據(jù)相對比較準確。但是，需要投入大量的人力、物力和財力，時間投入也比較多，更有甚者，得到的車流數(shù)據(jù)中沒有包含車輛間距及車輛行駛速度，因此人工調(diào)查法得到的車流數(shù)據(jù)不能直接模擬精確的橋梁車流荷載。

（2）儀器觀測法主要依靠專業(yè)的測量儀器采集車流相關數(shù)據(jù)，如今使用比較廣的是WIM，即動態(tài)車重系統(tǒng)[7]。WIM系統(tǒng)包括傳感器與支持儀器兩部分。當車輛以一定的速度駛過時，電阻應變傳感器因為受到軸載作用會產(chǎn)生一個電壓信號，通過信號放大可以對數(shù)據(jù)進行分析處理，轉(zhuǎn)換得到車流量數(shù)據(jù)并傳送到計算機終端進行處理儲存。總之，該系統(tǒng)能準確地得到公路橋梁中車流的某些代表性參數(shù)（比如車輛總重、軸重、車速以及軸距等）[8]。WIM系統(tǒng)的基本構(gòu)成和結(jié)構(gòu)流程分別如圖1和圖2所示。WIM系統(tǒng)能夠在不影響交通的情況下，測得正常行駛時車輛的代表特征量，也不需要花費大量的人力、物力、財力及時間。但該系統(tǒng)在整體移動性方面不是很好，精準度方面還不夠[9]。

圖1 WIM系統(tǒng)的基本構(gòu)成

圖2 WIM系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖

2.1.2 車型分類

進行橋梁疲勞荷載研究時，考慮所有駛過車輛的全部參數(shù)終究不大現(xiàn)實。一般對市面上所有的車進行分類，再根據(jù)每類車中包含的車型確定其代表車型，進而獲得其主要參數(shù)（比如車重、軸重、軸距、車速等）。本文在進行車流量調(diào)查統(tǒng)計分類過程中根據(jù)各生產(chǎn)廠家和車軸類型的不同，參考江蘇省常見貨車分類方法，將車輛分為16類典型車型，如表1所示。

表1 16類典型車型

2.2 車型比例及車重統(tǒng)計

按照表1，將這一天調(diào)查統(tǒng)計得到的交通車流量按照每類車出現(xiàn)的頻數(shù)來開展統(tǒng)計計算和分析，見表2，各類車的占有率如圖3所示。

表2 車流車型頻數(shù)

圖3 車流車型占有率（%）

由交通車流調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析得到：該橋當年日均車輛通行量約41000輛，我們所選的樣本為40218，相對差值僅為1.9%。表明該抽樣日交通車流統(tǒng)計量滿足抽樣要求。通過對數(shù)據(jù)整理分析，得到抽樣日16類典型車型中各類的通行量、軸重及軸距等，見表3。

表3 16類典型車型通行量、車重及軸距統(tǒng)計

2.3 疲勞車輛荷載譜的計算

橋面發(fā)生疲勞破壞的主要原因是車輛荷載的反復作用。由實際調(diào)查統(tǒng)計得到的交通流量數(shù)據(jù)，把得到的典型車輛劃分為常見的16類。但是直接用這16類典型車來進行疲勞驗算還是比較麻煩，參照國內(nèi)外橋梁中有關疲勞壽命評估方面經(jīng)常用的做法，簡化后得到7類模型車輛荷載譜。

英國橋梁規(guī)范BS5400中明確指出總重30kN以下的車輛造成的疲勞損傷可以忽略不計，進一步把16類典型車中軸數(shù)相同、軸距相差不大的組合成一類。然后選擇每類型車輛中通過次數(shù)最高的車作為典型車輛，根據(jù)統(tǒng)計分析得到的車重樣本數(shù)據(jù)，基于等效疲勞損傷理論，解得各類模型車輛的等效軸重。其等效軸重公式如下：

式中：

f i——被劃分成同類型車輛中的第i種車在該類車中出現(xiàn)的頻率；

W ij——第i種車的第j個軸重；

W ej——該類模型車中第j個車軸的等效軸重。每類等效車的總重等于每個等效軸重之和。

同樣的，等效軸距通過以相同類型中各種貨車駛過該橋次數(shù)的頻率作為權數(shù)，計算軸間距的加權平均值，從而計算出其等效軸距，計算公式如下：

式中：

f i——同類型車中的第i種車在該類車中出現(xiàn)的頻率；

A ij——第i種車的第j個軸距；

A ej——該類模型車輛中的第j個車軸的等效軸距。

根據(jù)上面兩個公式，對某長江公路大橋某24h內(nèi)實際交通流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析與計算，最終獲得7類車輛荷載模型以及其相對應的頻值譜，見表4。

表4 7類模型車輛荷載頻值譜

從表4看出V2、V3均為三軸車；而V5、V6為六軸車，但不屬于同一類典型車。這樣分類主要是基于兩類車車軸的布置方式不一樣、軸間距差異也很大，車輛荷載引起的應力幅值大小和循環(huán)次數(shù)就有可能會出現(xiàn)比較大的差距，有必要將其區(qū)分開來。

3 結(jié)束語

本文主要介紹橋梁疲勞荷載譜的基本制定流程，并以某長江公路大橋某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量實測數(shù)據(jù)為樣本，將得到的典型車輛劃分為常見的16類；利用等效軸重、等效軸距相關計算理論和公式，對實際交通流量數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析與計算，依據(jù)英國BS5400規(guī)范和疲勞等效損傷理論，最終獲得了7類車輛荷載模型以及其相對應的頻值譜。本文建立橋梁疲勞荷載譜的方法可為未來同類橋型荷載譜的建立提供有益借鑒。