特殊情况下高速公路桥梁车辆荷载探讨

赵 川，窦远明，孙吉书

(1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401; 2.河北省土木工程技术研究中心，天津300401)



特殊情况下高速公路桥梁车辆荷载探讨

赵 川1,2，窦远明1,2，孙吉书1,2

(1.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401; 2.河北省土木工程技术研究中心，天津300401)

针对近年来各省连续发生多起桥梁垮塌事件，重载车辆频繁驶过桥梁的过程容易使桥梁产生各种疲劳问题。结合河北省高速公路在役重点桥梁进行重载车辆荷载谱监测，通过交通量调查，统计分析出现频率较高的车辆模型、车流量的分布、车辆的自身性质(轴距、轴重)等。依据疲劳等效损伤原理，推导出基于实测的5种日常营运重载车辆荷载模型，建立疲劳荷载谱。通过与公路-Ⅰ级汽车荷载作用效应进行对比，得出当跨径小于等于25 m时，应将其汽车荷载提高至1.3倍左右；当跨径大于25 m时，应将其汽车荷载提高至1.2倍左右。

桥梁工程；重载车辆；荷载谱；疲劳等效损伤原理；交通调查；高速公路桥梁

0 引 言

随着我国经济高速发展，交通量迅猛增长，重载车辆数量不断增多，车辆荷载产生了巨大的变化。近年来，随着超载现象的大幅度增加，我国各种公路干线上的桥梁不胜重荷，从而埋下了安全隐患，引发了大量的安全事故。特别是近期在驻马店市驿城区朱古洞乡窑后村发生的事故，导致人员伤亡，大桥断裂，因此更加引起了大家对重载交通下桥梁结构的疲劳损伤和安全运营的关注。

车辆荷载是公路桥梁设计的重要指标之一，直接关系到桥梁结构的安全性与使用寿命。公路桥梁车辆荷载十分复杂，它与交通量、车速、车型、轴距、轴重、一般运行状态、密集运行状态、桥长及车辆在桥上的位置等多个统计参数有关。为了能够建立准确的车辆荷载模型，必须对以上参数进行详细的现场统计调查。童乐为，等[1]对上海市内环线中山路3号桥进行了大量的交通量调查，提出了适用于城市道路钢桥疲劳设计的车辆荷载谱；王春生，等[2]以上海市浙江路桥为调查背景，提出了适用于该桥的疲劳荷载谱；王荣辉，等[3]和王硕[4]分别对广州、上海等地进行了交通荷载调查，为建立疲劳荷载模型得出了一些有益的建议。但上述调查均具有一定的地域性和时限性，难以适用于现阶段我国高速公路桥梁标准车辆荷载模型。

笔者通过对河北某高速公路连续24 h交通量调查，统计分析不同车型、不同载重等级车辆所占的比率，确定其概率分布规律。按照疲劳等效损伤原理，统计得出实际运行的重载车辆荷载谱，为今后河北省高速公路桥梁设计和安全运营提供理论依据。

1 河北省高速公路车辆荷载形式

我国车辆种类繁多，车型复杂，因此对各类车辆的尺寸、车型、轴重、轴距等统计分析尤为重要。同时考虑到公路车辆繁多、复杂，以及对公路桥梁损伤的影响程度，本次车辆荷载调查以重载货车为主。为了统计得出适合我国国情的高速公路车辆荷载，采用人工观测法和摄影法相结合的方法，对河北省京珠、京沪、大广、保津、石太、唐津等多条高速公路进行实际调查。同时依据2001年我国重新制定的汽车分类标准GB/3730.1—2001《汽车和挂车类型的术语和定义》及GB 1589—2004《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限制》对在河北省高速公路上出现频率较高的车型进行归纳总结，其常见车型参数如表1。

表1 主要轴型参数

(续表1)

轴型轴距/mm图例轴型说明1+22+223300+1300+8680+13101+22+2223300+1300+7190+1310+13101+1+2+2221700+2850+6920+1360+1360

2 交通调查与结果分析

2.1 交通调查

为得到实际的公路桥梁车辆荷载谱，本次交通调查主要统计3个变量：①高速公路上出现频率较高的车辆模型；②各种车辆模型的分布；③车辆的自身性质(轴重、轴距)。在正式调查之前先在高速路口进行初步观察，了解河北省高速公路中的主要运行车辆。然后将车辆技术手册中查阅的车辆模型参数与实际观察的情况进行归纳总结，将出现频率较高的车辆模型作为正式调查统计数据。自2005年交通部颁布关于《印发收费公路试行计重收费指导意见的通知》(交公路发〔2005〕492号)以后，各省收费站均采用计重收费，所以在本次调查中车辆轴重均为实测值，轴型和轴组类型均按国家标准规定记录。

2.2 调查结果与分析

通过对某路段连续24 h观测，单向通行车辆总数为10 407辆，其中两轴以上货车总数为4 651辆，占单向通行总量的44.7%。现将实际调查的4 651辆货车进行分类归纳统计，其统计结果如图1。

图1 货车车流量分布Fig.1 Distribution of truck traffic flow

由图1可知，调查结果显示两轴货车和六轴重载货车所占比重较大，其中两轴货车占到货车总量的43.5%；六轴重载货车占到货车总量的38.6%。其实际运营的重载车辆荷载形式类似于JTJ 021—89《公路桥涵设计通用规范》中一辆重车加多辆标准车的形式。通过与河北省内其它高速公路相比，同样得到类似的结果。由于篇幅有限，不再罗列。

3 典型重载车辆荷载谱推导

由于公路桥梁车辆种类繁多，用于桥梁疲劳荷载验算相当繁琐，同时考虑到小客车、大客车以及小货车对公路桥梁疲劳损伤的影响很小(可以忽略不计)，因此笔者将其简化，推导出一种更符合实际的高速公路桥梁典型重载车辆荷载谱。

将公路上出现频率较高的车型进行重新分类，按照同轴合并的原则，把相同轴数的车型合并为一种模型车辆。依据Miner准则，遵循疲劳损伤累积相等的原则对轴重进行等效换算。即：

Wej=(∑fiWij3)1/3

(1)

式中：Wej为模型车辆第j轴的等效轴重；fi为同一类车中第i类车出现的相对频率；Wij为同类车中第i辆车的第j轴的轴重。

以同类车型中每辆车出现的相对频率为权数，将轴距进行加权平均统计，求出该类模型车辆的各个轴距。即：

(2)

式中：Aj为模型车辆的第j个轴距；fi为同一类车中第i类车出现的相对频率；Aij为同类车中第i辆车的第j个轴距。

按照上述统计方法，根据实际调查资料，便可以推导出基于实际的高速公路车辆荷载谱。推导过程较为繁琐，为了便于推导，将出现少量车型的货车忽略不计，同时将出现较少的轴型进行合并，如122、14轴型合并为14轴型，1122、124合并为124轴型。其模型车辆分类统计表、轴重、轴距统计值见表2～表4。

表2 模型车辆统计分类

Table 2 Statistical classification of model vehicle

表3 重载车辆轴重统计

表4 轴距统计

根据式(1)和式(2)进行同轴数车辆合并，最终得出5种在重载运输现状下的高速公路桥梁荷载谱，如表5。

表5 模型车辆荷载谱

(续表5)

轴数图示(轴重/kN,轴距/m)总重/kN相对频率/%4575755855674039

4 重载车辆荷载与公路-Ⅰ级汽车荷载比较

笔者以河北省高速公路最常见的简支梁桥和连续梁桥计算为例，通过实际调查，考虑在密集运行状态下(堵车状态下)，以表5中实际运行模型车辆的弯矩效应值与公路-Ⅰ级汽车荷载的弯矩效应值的比值为分析对象，分别计算在不同跨径下实际运营的重载交通车辆荷载与公路-Ⅰ级汽车荷载的最大弯矩作用效应[5]，其结果如表6。

表6 《规范》[5]荷载与重载交通荷载作用效应比较

从表6中可以看出，基于实际调查的重载交通荷载与《规范》[5]中公路-Ⅰ级汽车荷载弯矩作用效应比值在1.07～1.35之间。而河北省高速公路桥梁以简支梁桥和连续梁桥为主，实际车辆荷载作用在桥梁上的弯矩作用效应明显高于按规范设计中汽车荷载作用下的最大弯矩值。由此可知，当跨径≤25 m时，应将在重载交通下高速公路桥梁设计的汽车荷载提高至1.3倍左右；当跨径>25 m时，应将在重载交通下高速公路桥梁设计的汽车荷载提高至1.2倍左右。

5 结 论

1)随着运输业的迅猛发展，我国高速公路上的重载车辆逐渐增多，近期高速公路上已出现240 t的重载汽车。因此亟需对我国高速公路车辆荷载进行大量调研，为完善公路桥梁设计行业标准规范提供第一手基础调研资料。

2)通过对河北省高速公路交通量进行实际调查，得到了基于实测的日常运营重载车辆荷载谱。根据等效疲劳损伤原理，推导出了5种重载车辆模型。

3)根据调查结果统计，在实际运行的车辆中，货车占交通总量的44.7%，其中两轴货车占货车总量的43.5%，五轴、六轴重载货车占货车总量的43.9%。

4)根据重载交通实际调查结果，与公路-Ⅰ级汽车荷载进行对比分析，分别计算在不同跨径下简支梁与连续梁的最大弯矩作用效应，得出现行公路-Ⅰ级汽车荷载明显偏小。当跨径小于等于25 m时，应将其汽车荷载提高至1.3倍左右；当跨径大于25 m时，应将其汽车荷载提高至1.2倍左右。

[1] 童乐为,沈祖炎,陈忠延.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J].土木工程学报,1997,30(5):20-27. Tong Lewei,Shen Zuyan,Chen Zhongyan.Fatigue load spectrum for urban road bridges[J].China Civil Engineering Journal,1997,30 (5):20-27.

[2] 王春生,陈惟珍,陈艾荣.老龄钢桥工作状态模拟与疲劳寿命[J].桥梁建设,2003(5):5-8. Wang Chunsheng,Chen Weizhen,Chen Airong.Serviceability simulation and fatigue life of aged steel Bridge[J].Bridge Construction,2003(5):5-8.

[3] 王荣辉,池春,陈庆中,等.广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究[J].东南理工大学学报:自然科学版,2004,32 (12):94-96. Wang Ronghui,Chi Chun,Chen Qingzhong,et al.Study on the model of the fatigue-loaded vehicles in Guangzhou trestle bridges [J].Journal of South China University of Technology:Natural Science,2004,32 (12):94-96.

[4] 王硕.桥梁运营荷载状况研究[D].上海:同济大学,2007. Wang Shuo.Study on Load Condition for In-Service Bridges[D].Shanghai:Tongji University,2007.

[5] JTG D 60—2004 公路桥涵设计通用规范[S].北京:人民交通出版社,2004. JTG D 60—2004 General Code for Design of Highway Bridges and Culverts [S].Beijing:China Communications Press,2004.

Investigation of Vehicle Loads on Expressway Bridge under Special Circumstances

Zhao Chuan1,2, Dou Yuanming1,2, Sun Jishu1,2

(1. College of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China； 2. Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province, Tianjin 300401, China)

The bridge collapses continuously occurred recent years in many provinces. It produced all kinds of fatigue problems when the overloading vehicles frequently passed through the bridge. In combination with the key highway bridges in service in Hebei province, the overloading vehicles load spectrum was monitored. Through the traffic investigation，high frequency vehicle model, the distribution of vehicles flow, the vehicle’s own properties (wheelbase, axle load) and so on were statistically analyzed. According to the principle of equivalent fatigue damage, the model of 5 kinds of daily operation vehicle load was deduced based on the measured data and the fatigue loading spectrum was established. To compare with highway-I automotive design load effect, it is concluded that when the span is less than or equal to 25 m, its vehicle load should be increased to about 1.3 times; When the span is longer than 25 m, its vehicle load should be raised to about 1.2 times.

bridge engineering; overload vehicle; load spectrum; the fatigue damage equivalent principle; traffic investigation; expressway bridge

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.02.04

2014-01-15；

2014-05-21

河北省交通运输厅资助项目(Y-2012046)

赵 川(1986—)，男，河北丰润人，博士研究生，主要从事桥梁结构理论及试验方面的研究。E-mail：zcsunshine@yeah.net。

U441

A

1674-0696(2015)02-015-05