高速公路桥梁在交通荷载作用下的动力响应统计与分析

王 涛，韩万水，黄平明

(长安大学 桥梁与隧道陕西省重点实验室，西安 710064)

交通荷载现场观测调查是确定新桥设计荷载、桥梁时变可靠性分析、既有桥梁剩余寿命预测、极限承载能力计算以及随机车流的仿真模拟等的重要研究基础之一。为了确定我国的公路桥梁标准车辆荷载，并为编制《公路桥涵荷载规范》及有关的设计规范，建国以来开展了两次实际交通荷载观测，第一次实际交通荷载观测是在20世纪60年代开展的，主要针对中小跨径桥涵结构，成为制定85规范的主要依据，第二次交通荷载观测是20世纪90年代在四条国道重点采集一个主要行车道上的交通流的车列数据，采集时间为白天12 h时间内连续测试。这一次的观测内容较为全面细致，对车重、轴重、车辆到达时间间隔以及车辆间距等参数进行了统计并确定了其分布类型，所采集到的数据基本反映了我国20世纪90年代车辆荷载的统计特点，也成为我国现行桥梁设计规范的主要依据[1].

但是，随着汽车工业和交通运输事业的迅猛发展，国、省道全面向高速公路的转变，以及许多地区伴随着经济发展出现了大量的车辆超载现象，这些因素使得车辆荷载的分布特征较以往发生了很大的变化。20世纪90年代车辆荷载特征已经完全不能代表目前车辆荷载特征。

在高速公路交通荷载观测方面，目前仍注重对车重参数的调查与统计分析[2－5]，而对高速公路交通荷载的车速、车时距、车间距、车辆行驶车道、横向位置等参数调查方面基本都属于空白。

因此，选择一条高速公路开展实时、系统全面的交通荷载观测，对于了解高速公路行车特征，确定高速公路的各关键参数都具有非常重要的意义。

本文采用超声波测速仪、录像机及桥梁动态测试仪同人工记录相结合的方法对西宝高速公路交通荷载各要素进行24 h连续、全面调查，记录的数据包括车型、车速、行驶车道、车辆到达时间以及每辆过桥车辆引起的桥梁动位移响应数据。本文着重对本次调查的动位移响应数据进行统计分析，了解正常交通荷载作用下的桥梁动位移响应特征，并为随后的车重识别研究打下坚实的基础。

1 高速公路交通荷载调查[6]

1.1 交通荷载调查方法的确定

本次交通荷载调查采用雷达测速仪(图1)、录像机及桥梁动态测试仪(图2)同人工辅助记录相结合的方式进行全天24 h连续交通荷载观测调查，超声波测速仪对通过桥梁的车辆进行车速的即时采集，录像机可以记录过桥车辆的到达时间、车型、车辆横向所行驶车道及位置。8通道的桥梁动态测试仪可以获得车辆通过时观测桥梁关键部位的振动位移响应数据。交通荷载调查分析流程如图3所示。

图1 雷达测速仪Fig.1 Radar speed gun

图2 动态测速仪Fig.2 Dynamic strain tester

图3 随机车流调查分析流程图Fig.3 Analytical process chart of vehicle flow investigation

整个交通荷载调查方法所需仪器简单便携、所需人员少，且能够较为精确、全面的得到过往车辆的车型、占有率、车道、车速及车辆到达时间等数据。

1.2 交通荷载调查桥梁的选取

为了使此次高速公路交通荷载观测具有典型和代表性，选择西宝高速为观测对象。西宝高速是国家高速公路网规划中横向线连云港至霍尔果斯高速公路在陕西境内的重要组成部分，也是西北地区设计标准最高、通行能力最大的现代化交通基础工程。此次调查桥梁为双幅4×16 m简支梁，选择西安至宝鸡方向的一幅，调查时间为24 h不间断交通流量观测。现场调查桥梁概况与测试断面布置如图4所示。

图4 随机车流调查实桥概况及测试断面示意图Fig.4 Investigation bridge situation and testing section

考虑到高速公路车流基本行驶于超车道和行车道之上，靠外侧的紧急停车带基本无车流，故而选取调查测试断面中位于超车道和行车道的受力较为明显的8片梁为动力响应测试梁，在第一跨跨中位置各梁底架设机电百分表采集每个过往车辆对桥梁产生的动位移响应信号数据，图5为采集测点布置图。

图5 调查实桥测试断面及测点布置示意图Fig.5 Testing point layout diagram in bridge testing section

1.3 车型分类

在本次交通荷载调查中发现总共有17种不同车型，且同类型车辆的轴重及轴距也不全一致。本文查阅大量的车型手册资料，得到各种车型的多种车辆轴重、轴距等参数，根据各车型出现的频数进行加权平均，然后选取与各参数的加权平均值最为接近的车型为该车辆类型的代表车型，同时结合高速公路管理部门车型划分标准，对比调查中出现的车型，结合车辆轴数、轮数、轴距、轴重、车重等数据，将高速公路车辆荷载划分为五大类，共12小类。具体各种车型种类、轴距、轴重等参数见表1。

2 桥梁动位移响应数据统计分析

本次调查连续采集得到24 h共5 650辆车通过时8片梁的动位移时间历程曲线，图6是现场采集的一重一轻两个典型车辆过桥时的动位移响应时间历程曲线。每个过桥车辆引起的桥梁动位移响应数据都能与其车型、车速等参数一一对应。

图6 典型车辆实测动响应时间历程曲线Fig.6 Typical vehicle dynamic response time history curve

由图6可以看到每辆车都会产生与8片梁相对应的动位移响应数据曲线，由于车辆横向位置随机，所以每条动位移响应曲线峰值大小都不一样。因此可将动位移响应数据按梁体分类进行统计分析，也可将动位移响应数据与交通荷载调查中车辆车型一一对应以后，按车型分类进行更为详尽的统计分析。以下部分将详细介绍测试梁体在交通荷载作用下的动位移响应统计特征。

2.1 总动位移响应样本统计分析

从采集的交通荷载样本中遴选出所有单车过桥车辆产生的动位移响应极值数据，按8片不同梁体进行分类统计分析，图7显示的是各片梁在所有交通荷载作用下的动位移响应极值数据统计直方图。

从图7上可以看出动响应数据大致聚集有三个波峰。以3#梁统计图为例，一个波峰响应值在0.06 mm附近，一个波峰在0.4 mm附近，一个波峰在1.0 mm附近。这说明总体上看梁体动响应极值统计规律显现出三峰分布特性，车重与桥梁响应极值虽不是严格线性比例关系，但也是正相关的，由此说明车重参数也将呈现三峰分布特性，这与实际调查中车流大致由轻型车辆、一般货运车辆和重型货运车辆组成基本相符。

表1 调查车型分类及参数说明图表Tab.1 Vehicle type classification in this survey

图7 各梁所有车辆动响应值统计频方图Fig.7 Statistics histogram of all vehicle response of each beam

将各梁的动位移响应极值数据进行数理统计，得出各自的均值和方差等，图8给出各梁响应极值样本均值横向分布示意图。可以看出均值最大对应的梁号为6、7号梁，位于行车道。由此可以说明，在正常交通荷载作用下，梁式结构桥梁的中间梁体受力较大，尤其是位于行车道而偏超车道的梁体受力最为不利。

图8 8片梁所有响应均值示意图Fig.8 All response mean diagram of 8 pieces of beams

2.2 各型车的动位移响应样本统计分析

将调查采集的全部单车过桥的动位移响应数据按车型进行分类，图9给出各车型荷载作用下最不利梁体的动位移响应极值数据统计直方图。

从图9可以看出，由于轿客类车型空载与满载车重的差别不大，故其动响应数据统计规律基本呈单峰分布;而货车类车型尤其大型货运车型的空载车重与满载车重的差别较大，除个别车型由于采集的样本数量少，较难看出其动响应的统计规律外，其余货车车型动响应数据统计规律基本呈双峰分布，随着货运车辆的载重能力的增强，其双峰分布特性就更明显。如四型车(小型货车车型)的空载与满载的车重差距不是很大，其动响应数据分布较为紧密，呈现的双峰较为接近;而十型车(四轴大型货车)和十二型车(五轴以上的拖挂货运车)的空载与满载的车重差距较大，就很明显的呈现双峰分布特性。

同总样本一样，本文还分别统计出各片梁在各车型荷载作用下的动响应数据的数学统计参数，利用各梁动响应数据的统计均值画出各车型荷载作用下动位移响应数据横向分布图，如图10所示。

图9 各车型荷载的动位移响应极值统计频方图Fig.9 Statistics histogram of dynamic response extreme value under each vehicle type

由图10中可以看出:一型、二型、三型、五型、七型车的动响应极值都是出现在5#梁，且位于超车道的2#～5#梁体的动响应值比位于行车道的6#～9#梁的动响应值大。说明在正常交通荷载状态下，这几型车对位于超车道的梁体影响较大。这与这几型车的车型与行驶状态有关。这几型车都是轿客车车型，现场交通荷载调查发现这些车型大多是在超车道行驶的，与动响应统计规律一致。而其他车型都是货运车型，它们动响应数据的横向分布规律较为相同，极值都是出现在位于行车道的6#～8#梁上。说明在正常交通荷载状态下，这几型车对位于行车道的梁体影响较大，这与交通 荷载调查中发现的这几型车的行驶规律一致。

图10 各车型动响应均值横向分布示意图Fig.10 Transverse distribution diagram of dynamic response under each vehicle type

3 结论

本文利用动态测试仪，在高速公路交通荷载调查中采集了车辆过桥时的梁体动位移响应数据，并对得到的总动位移响应样本及按车型分类的动位移响应数据样本进行统计分析，得到以下几点结论:

(1)对总动响应数据按梁片分类统计分析可知:在随机车流作用下，位于行车道的6#梁与7#梁承受的荷载作用效应最为不利;本次调查的全部交通荷载的动响应数据呈现三峰分布特性，由桥梁响应极值与车重参数的正相关关系可推知车重参数也将呈现三峰分布特性。

(2)从各车型的动响应数据按梁分类统计分析可知:在轿客类车型的随机车流作用下，位于超车道的梁体(3#梁、4#梁、5#梁)承受的荷载作用效应最为不利;在货车类车型的随机车流作用下，位于行车道的梁体(6#梁、7#梁、8#梁)承受的荷载作用效应最为不利。

(3)从各车型最不利梁体的动响应数据统计分析可知:轿客类车型的动响应数据统计规律基本呈单峰分布;而货车类车型尤其大型货运车型的动响应数据统计规律基本呈双峰分布。

经此调查分析了高速公路交通荷载作用下的桥梁动位移响应数据的统计规律以后，能为后期的车桥耦合振动研究及相关研究(如:车重识别)提供了完全可靠的理论依据和样本支持。

[1]李扬海，鲍卫刚，郭修武，等.公路桥梁结构可靠度与概率极限状态设计[M].北京:人民交通出版社，1997.

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[6]王 涛.高速公路桥梁交通荷载调查分析及仿真模拟[D].西安:长安大学，2010.