天津市公路桥梁疲劳荷载谱初探

□文/苏改英

随着交通运输迅猛发展，公路、铁路和城市道路上行驶车辆吨位和速度均不断提高，交通荷载引起桥梁结构疲劳累积损伤而发生的公路桥梁破坏日益受到关注，要求对桥梁结构的疲劳寿命及疲劳可靠性进行细致的分析和评估。

桥梁疲劳设计

桥梁结构疲劳是指桥跨构件在交通车辆往复荷载作用下产生累积损伤，形成疲劳裂纹，疲劳裂纹的扩展使得构件在较低的应力水平发生断裂破坏，疲劳引起的断裂破坏往往在低应力水平下突然发生。与结构强度设计不同，桥梁疲劳设计所采用的荷载不应是桥梁结构所承受的最不利荷载组合，而应采用往复作用的交通车辆荷载，根据往复荷载作用下构件应力或应变变化的幅值，计算它们所引起的疲劳累积损伤。因此，准确、合理的交通荷载频值谱即桥梁的疲劳荷载谱是桥梁结构疲劳设计的基础。当然，要将在设计基准期内通过桥梁的所有车辆荷载都一一列出来是不可能的，所以，就需要通过统计分析确定用作桥梁疲劳设计的“典型车编组”，即所谓的“疲劳车”。

目前，英国、美国、德国、日本等都在各自的桥梁设计规范中给出了相应的疲劳设计车辆荷载谱。但是，由于中国公路的交通状况与发达国家相比还有一定的差距，由疲劳所导致的公路桥梁破坏并不多见，所以在这方面开展的研究相对较少。对于公路和城市道路桥梁，我国规范还没有制定疲劳设计的车辆荷载谱。

国际上目前对公路钢桥疲劳设计所用的荷载一般有 3种形式[1～3]。

（1）车辆荷载频值谱。它是通过对公路桥梁的交通量调查得出的日常各种典型车辆的荷重和出现的相对频率。

（2）由第一种形式简化而来一辆标准疲劳车。

（3）采用静力强度设计时标准活载中的一辆重型车辆。

本文通过对天津市外环线典型路段进行的24 h交通量观测调查，统计出包含5种车型的车辆荷载频值谱，并根据等效疲劳损伤原理，将其简化成为只含有2种标准车型的实用疲劳荷载频值谱。

交通量调查

交通量调查路段及周边环境

交通量调查路段选为天津市外环线程华里路段由东南向西北的单行线，见图1。

图1 交通量调查路段及周边环境示意

外环线跨越空间广阔，是连接京沪高速、京晋高速、津滨高速及京津塘高速等的重要交通纽带，每日往返于外环线上的重型卡车、大型客车流量大。外环线程华里路段毗邻阳光100国际社区，处于一个客货较为繁忙的地段，道路为双向6车道。交通量调查的观测点为图2所示的a点，监测车辆为通过a-b断面的所有机动车辆，车辆行驶方向为箭头所指方向。

图2 交通量调查观测位置示意

交通量调查方法

汽车对道路桥梁的荷载效应主要体现在轴数、轴重和轴距等荷载参数，因而与一般交通部门的调查内容有所不同的是除了在一定时间段内记录各类车辆的交通量，还应包括车辆的上述荷载参数。限于客观条件，交通量调查采用现场人工观测结合事后查阅车辆技术手册的方法，具体步骤如下。

（1）正式调查前，在现场作初步观察，了解可能出现的车辆类型。根据现场观察的结果，参考车辆技术手册中的图片及数据，将车辆分为5种类型作为正式调查时分类统计的依据。见表1。

表1 交通量调查车辆分类

表1中V1是指所有总重＜30 kN的小型车辆，它们对道路桥梁的疲劳损伤影响很小，故都归在一类；V2和V3是两轴货车，区别是载质量不同。

（2）正式调查时，取24 h进行现场观测。观测由具有相关专业知识的试验人员利用摄像器材现场采集交通数据，然后根据影像数据进行统计记录。

（3）调查完成后，将每类车辆中出现频率较高的车型作为代表，依据有关车辆技术手册以及相关规范，确定各种车辆的载质量和尺寸。

尽管每一类别的车辆有不同的车型，但各生产厂家都有较统一的基本标准，车辆轴重、轴距和轮距等参数差别不大，因此，为简化处理，取现场出现频率最高的车型作为该类别车辆的代表具有平均意义。另外，根据手册查得车辆名义额定荷重与现场车辆的实际荷重不一定相符，但是，现场车辆的装载情况无非两种，一是空载（空车）；二是非空载，包括欠载、满载和超载，虽然超载属交通违章是不允许的，但因难以查验而实际上是较普遍存在的，这样各个类别的非空载车辆荷重可认为是在满载的额定值上下波动。对交通量调查时观察到各类非空载车辆按其名义额定荷重取值，基本上代表了各类车辆荷重总体上的平均情况。可见，虽然以上交通量调查方法中采用的车辆参数可能与现场实际情况略有出入，但基本能反应该路段实际交通荷载情况。

交通量调查结果分析

先后对外环线程华里路段进行了3次分时段间隔观测，均为晴天，车辆行驶通畅。调查结果见表2。

表2 24 h交通量调查结果

交通量调查中，各类车辆的空车率均取为20%，将其作为等效荷重计算的空车荷重的权数。日本对某些桥梁的交通调查中得到的各类车辆空车率基本相差不多。

通过对调查数据的统计分析发现，每天7：00—9：00和17：00—19：00为所调查路段客货流量最高峰。

简化的车辆荷载频值谱

表2已经代表了一组车辆荷载频值谱，但由于车辆类别较多，直接用于桥梁结构疲劳设计较为繁琐，因此，可根据等效疲劳损伤原理进行简化，以提炼出更为实用的模型车辆荷载频值谱[4～6]。具体方法如下。

（1）对表2中的5类车辆进行再分类，将相同轴数的车辆合并为同一类，分别对重新确立起来的每一类车辆建立一种模型车辆。V1类的轻小型客货车因总重＜30 kN，对道路桥梁的疲劳损伤影响较小，忽略不计。

（2）按照等效疲劳损伤原理，求出每种模型车辆中各个轴的等效轴重，各个等效轴重之和即为模型车辆的等效总重。等效轴重的计算公式为

式中：f i为归在同一类车辆中的第i辆车的相对频率，%；Wij为第i车辆的第j个轴的轴重，kN；Wej为该类模型车辆第j轴的等效轴重，kN。公式（1）与钢结构疲劳设计中等效应力幅的计算原理一致，指数3为钢结构构造△σ－N细节曲线的斜率。

（3）以归在同一类的每种车辆出现的相对频率作为权数，按长度的加权平均值求出该类模型车辆的长度。采用的公式为

式中：Ai为归在同一类车辆中的第i辆车的长度，m；Aj为该类模型车辆的长度，m。

根据上述方法，将表2中轴数相同的各类车辆合并，重新分成轴数为2和3的两个类别，见表3。

表3 模型车辆分类表

经过统计分析，将表3转化为实用荷载频值谱，见表4。表4即为包括2种模型车辆的实用交通疲劳荷载频值谱，可以用于天津市公路桥梁的疲劳分析和疲劳设计。

表4 实用交通疲劳荷载频值谱

结论

随着我国经济的发展，城市道路交通流量及车辆荷重均有了较大的变化。本文通过对天津市外环线典型路段进行的24 h交通量观测调查得出的实用疲劳荷载频值谱可以用于天津市公路桥梁的疲劳分析和疲劳设计。

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