车辆荷载模型研究综述

赵高鹏 周灿

摘要：本文基于WIM数据的车辆荷载模型是掌握车辆荷载统计特征、变异现状、发展规律预测的基础。对目前国内外关于车辆荷载模型的研究进行综述，指出当前研究的不足，同时给出构建车辆荷载模型的建议。

关键词：公路桥梁；车辆荷载；车辆荷载模型；动态称重技术

中图分类号： X734文献标识码： A

前言

为了准确确定车辆荷载的大小，需要大量的统计资料和实测数据，在承载能力不能适应运营车辆荷载需求的既有桥梁数量巨大、短期内难以全面改造、仅仅通过管理措施并不能遏制超载运输的情况下，采取客观先进的手段方法，掌握运营车辆荷载变异现状、把握运营车辆荷载发展规律、科学描述刻画运营车辆荷载的统计特征，既是进行运营车辆荷载管制、治理超限运输的基础性工作之一，也是既有桥梁的安全运营、检测评估、加固改造的前提，因此具有重大的理论价值与突出的工程背景。

车辆荷载模型研究现状

（1）国外研究现状

美国Michigan大学的A.S.Nowak利用安大略交通部门6万多辆货车调查数据，根据车重及轴重经验分布外推求得既有桥梁设计基准期内的车重及轴重最大值法国Christian Cremona、Gindy利用WIM设备收集了三周的车流信息，并利用Rice公式构建了穿越门槛值次数的直方图，得出运营车辆荷载尾部数据的拟合曲线，利用该拟合曲线预测运营车辆荷载及其效应发展变化规律；瑞典Abraham Getachew利用WIM系统测得的实际车流数据，对不同跨径（10m~35m）简支梁在汽车荷载效应进行了分析研究，提出了中小跨径简支梁桥评估车辆荷载模型，并与瑞典公路桥梁设计规范Br094中的汽车荷载效应设计计算值进行了对比；Fu依据美国部分超载现象严重的交通要道的车辆统计资料，建立了包括超载车辆的车辆荷载模型，指出了基准期对既有桥梁按照实际运营车辆荷载进行荷载效应分析的必要性；Fredrik C研究了利用WIM实测数据研究了车辆荷载模型及其横向分布规律。

总体说来，上述研究者特别是A.S.Nowak教授揭开了运营车辆荷载特性实测研究的大幕，建立了运营车辆荷载特征研究的基本方法与基本手段，为后续研究奠定了良好的基础。

（2）国内研究现状

在我国，一些研究者或建设管养业主针对具体的道路或桥梁，进行了专门的运营车辆荷载特征分析预测，如清华大学梅刚、秦权等人针对110国道，研究了重载运煤线路运营车辆荷载的统计特征，提出了运营车辆荷载的双峰分布模型；北京交通大学卢文良、冯德飞研究了北京市交通拥堵状况下运营荷载分布特征，指出了混合拥堵情况下实际自然车队荷载效应为设计汽车荷载效应的1.2~1.7倍；大连理工大学贡金鑫等人则针对非治超地区、计重收费地区和强制治超地区的车辆荷载数据进行了统计分析，建立了不同交通管制政策下的运营车辆荷载模型，预测了运营车辆荷载的发展变化态势；长安大学贺栓海、黄平明、王涛等人针对陕西省西宝高速、广东省广深高速进行了运营车辆荷载特征调查分析，构建了运营车辆荷载的分析预测模型；同济大学石雪飞、应天益利用广东佛开高速公路运营车辆荷载的实测数据，进行了车辆荷载特征的分析与预测，指出了实际车重和轴重与2004规范相比，超出幅度高达126％和64％，抽样调查获取最大车重高达172.6t，说明了超重车辆（车重大于100t）出现有一定的必然性；东南大学郭彤、李爱群等人根据京沪高速江苏段的实测数据，建立了运营车辆荷载的多峰概率分布模型，预测了桥梁剩余服役期运营车辆荷载的发展规律；广东交通集团针对虎门大桥钢箱梁桥面板疲劳裂缝的发展，专门进行了虎门大桥通行车辆荷载特征调查分析，指出实际运营车辆轴重与额定轴重的比值一般在1.4~1.9之间，最大达到4.0左右，车辆轴重发展变异、重载车辆数量庞大是导致该桥钢箱梁桥面板产生严重疲劳裂缝的主因；华南理工大学韩大建、杜江根据广州北环高速两周的交通荷载调查结果，运用极值分析方法预测了运营车辆荷载的发展规律，指出了现有运营车辆荷载模型构建所采用的假设检验方法的缺陷与不足。

总体说来，这些研究工作揭示了一些路段或具体桥梁的运营车辆荷载特征，构建了形式各异的运营车辆荷载模型，指出了运营荷载变异的严重性与开展进一步研究的紧迫性。

现有研究的不足

（1）动态称重数据获取的随意性

目前，WIM数据所构建的运营车辆荷载模型也就难以科学客观地反映运营车辆荷载现状，导致等运营车辆荷载发展规律预测等后续研究工作产生了明显的失真等问题，以观测持续时间为例，持时短者仅为数小时，持时长者则长达数年，差异非常大。

（2）运营车辆荷载模型构建的主观性

目前，大多数研究者在构建运营车辆模型时，均采用假设检验、参数分析的技术路线，即假设车辆总重、车辆轴重服从某一分布模型，然后进行参数估计，采用K-S检验或x2、U2检验来验证截口分布模型的正确性与合理性，得到一个不被拒绝的分布模型如正态、对数正态、伽马、威布尔分布等，并由此来预测既有桥梁服役期间最大车辆荷载量值与出现几率。

图1.2 运营车辆荷载模型与极值分布示意图

（3）难以恰当估计运营车辆荷载最大值

一方面，由于运营车辆荷载模型构建时多采取假设检验的试错方法，具有比较突出的主观性，虽能较好的模拟分布的中部，但对分布尾部的描述就显得无能为力了，导致极值估计偏差非常大，采用假设检验方法构建的模型难以反映运营车辆荷载现状的最大值分布情况。另一方面，既有桥梁多采用时间外推的统计方法来确定运营荷载的增长，大多数研究者均利用其所构建的运营车辆荷载模型，取某一可接受分位点（一般为0.95，相当于重现期为1950年）直接外推的方法，来预测既有桥梁设计基准期运营车辆荷载的发展规律，由于模型构建本身就存在诸多先天不足如底分布主观性大、分布参数不准确、难以恰当描述分布的尾部等，加上直接外推方法比较粗糙简单，导致设计基准期或服役基准期内运营荷载增长规律预测结果差异非常大。

展望

改进WIM数据的获取准则。

采用二阶抽样方法，将公路划分为高速公路、一级公路、市政道路、其他公路等，分门别类地利用WIM技术进行车辆荷载数据的采集和收集。

构建WIM数据获取的观测时间区段选取、连续观测持续时间确定的基本准则，扩大WIM数据对夜间、节假日、特殊时间区段（如春运）的覆盖程度，确保WIM数据的均衡性、全面性以及对极端情况的客观反映。

根据平均值、标准差等统计量值相对于观测时间的分布变化，对WIM实测数据的稳定性进行检验；根据抽样风险分析理论，建立WIM数据不确定性的衡量方法。

增加WIM数据收集的时间，建议3-5年为宜。

采用极值分析理论构建车辆荷载模型。

极值分析理论的研究始于上个世纪30年代，成熟于上世纪80年代，在金融领域、气象领域、水文领域获得了极大的成功。由于极值理论专门针对尾部样本拟合分布，即便在随机变量位于分布尾部的样本数量很少的情况下，也能够准确地、科学地识别分布尾部的形状与统计特征。

参考文献

[1]王涛，韩万水，黄平明．公路桥梁交通荷载研究现状及展望[J]．建筑科学与工程学报，2010，(4)：31~37．

[2]余丹如．公路桥梁活载与活载模型[J]．中南公路工程，1992，(3)：31~37．

[3]Nowak A S.Live Load Mo del for Highway Bridges[J].Structural Safety，1993，13(1/ 2)：53~66.

[4]“公路桥梁车辆荷载研究课题组”，鲍卫刚执笔．公路桥梁车辆荷载研究[J]．桥梁，1997，（3）：8~12．

[5]杜江.桥梁管理系统中安全性评估与维护决策分析的方法探讨[D]，华南理工大学博士学位论文，2008.7.