多车道桥梁交通荷载特性及结构响应研究

魏汉锋

(广东省佛开高速公路有限公司,广东佛山 528000)

多车道桥梁交通荷载特性及结构响应研究

魏汉锋

(广东省佛开高速公路有限公司,广东佛山 528000)

多车道公路桥梁各行驶车道的车流和荷载特性分布具有显著的差异性,由这些差异性引起的结构响应特性应是桥梁管养关注的重点。根据某单向4车道高速公路实测的WIM数据,分析其运营阶段的交通荷载特性,及在实际车流荷载作用下桥梁结构的真实响应。研究结果表明：不同行驶车道的车型分布具有显著差异性,90%以上的货车偏向于外侧两个车道行驶；车辆总重和轴重水平较规范基础数据有明显的提高；各行驶车道随机车流产生的荷载效应最大值基本大于规范值,外侧车道上荷载效应远大于内侧超车道,说明目前规范基于车道荷载独立同分布的假定与实际情况不相符,车辆荷载模型已无法满足实际的结构设计评估要求,建议修正。

多车道；车流分布；荷载特性；WIM；结构响应；运营情况

0 引言

多车道高速公路具有良好的车辆通行能力,能够高效地集散车流,同时给予车辆更多的车道选择,在我国交通事业日益发展的今天,多车道高速公路越来越受到青睐。这种多车道断面形式使得车流横向分布特征明显,相应的荷载特性随时间和空间变化显著,以往规范中对各车道车流独立同分布的假设已不再成立。同时,近年来,我国高速公路上的超载现象严重,车辆荷载变异愈加显著,这使得高速公路上桥梁的评估已不适合继续沿用传统规范中的车辆荷载,利用桥梁实际运营荷载来研究既有桥梁的运营情况是形势所趋。

基于此,选取国内某高速公路的两个典型断面,利用WIM设备测得的车流数据进行分析。该高速公路断面形式为双向8车道,车道分布及WIM设备布置情况如图1所示。研究将分析同向行驶的4车道车流空间分布规律及其荷载特性,在此基础上,讨论特定地点桥梁评估应用实际车流荷载的必要性,同时为单向4车道高速公路的整体规划、设计及管理提供借鉴。

1 车流荷载特性及其空间分布

为讨论公路桥梁运营阶段的车流特征,以便准确建立能够反映实际结构响应的荷载模型,首先需实测得到背景公路断面的车辆数据,分析当

图1 车道传感器布置图

1.1 车型组成分析

目前,我国道路上实际运行车辆种类繁多,各种车型的载重能力差异较大,导致汽车荷载差别不可忽略。对于单个车辆而言,车重与其轴数相关,以轴组类型作为划分车型的依据,将测得的车辆划为5类,各轴型车辆比例见表1所列。由表1可知,轻型客车(七座以下)数量较多,2轴车占的比例相当大,其次是6轴和5轴车,其中6轴的重车数量比较多,而这类车型对桥梁的影响也最为显著。进一步,可得到各轴型车辆对行驶车道选择的倾向性,表2为各轴型车辆在4车道上的分布比例。由表2可知,各轴型车辆有自己惯用的车道,2轴车由于质量较轻,偏向道路内侧超车道行驶,3轴及以上轴型的车辆属于货车,更倾向道路外侧的慢车道。各轴型车辆对车道选择的倾向性导致了多车道荷载分布的差异。

1.2 车辆荷载特性

车重和轴重是描述单个车辆荷载特性的参

表1 车辆轴型分类及组成一览表

表2 车辆的车道选择特性一览表(单位:%)

数,该类参数与车型有关。已知车型载重、轴重和轴距的分布,可以根据结构的最不利加载位置计算荷载效应,对于直接承受荷载的桥面板等局部受力构件,轴重与轴距的影响则更为显著。

图2为实测路段车重与轴重的累计概率分布图,并与我国《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)建立车辆荷载模型的基础数据进行对比,以表明实际的运营荷载环境。由图2可知,在总重累计概率低于0.7以及轴重累计概率低于0.6时,同一累计概率水准下实测的运营阶段车重与轴重均较规范基础数据偏小,这是由于小型客车比重较大引起的；但当总重累计概率超过0.9时,所有断面车重值均大于规范基础数据在相应累计概率水准下的数值,车重远大于“04规范”基础数据,说明该路段实际通行车辆荷载无论是重车比例还是车重水平都较上世纪90年代初(“04规范”基础数据获取时间)明显提高。

对单车车重和轴重特性的分析可知,当前路段的汽车荷载水平远大于“04设计规范”界定的范围,且对于中小跨径桥梁结构而言,单辆重车对结构的效应起控制作用,在经常性重载交通作用下,局部构件难免发生“疲劳性”损伤,从而影响结构的耐久性和使用安全,并增加养护维修成本。

1.3 车辆到达特性

车辆的到达特性是反映车流疏密程度的重要指标,通常以车头时距和车头间距来衡量,车头时距是车流模型研究的基础,而车头间距更能直观反映车流的疏密状况。图3为车头时距和车头间距的累积分布曲线。

这里同样沿引“04规范”基础数据作为比较,以说明该路段的车流密集程度。由图3可知,在车头时距累计概率低于0.98时,同一累计概率水准下实测路段的车头时距小于“04规范”基础数据,而当超过以上概率水平时,比规范基础数据偏大。同时,观察车头间距分布规律可知,车头间距均较

图2 总重与轴重累计概率分布图

图3 车辆到达特性累计分布曲线图

同一累计概率水准下规范基础数据的车头时距要大,这与高速公路行车速度较快有关。

1.4 车辆超载分析

近年来,车辆超载引起的桥梁垮塌事故时有发生,由此引发的交通中断会给社会发展带来较为深远的负面影响。表3为实测运营的各轴型车辆的超载统计。

表3 各轴型超载车统计表

从表3的数据可以看出：各轴型车辆中4轴车的超重比例最大,为45.6%,其次是5轴车和6轴车,各为41.2%和38.4%。从各车型的平均超载率方面,最大超载率为6轴车,可见当前路段重型货车的超载问题尤为突出。

对桥梁结构造成损伤或破坏的车辆都是严重超载的车辆,因此,需要重点关注严重超载的车辆。在对运营阶段汽车荷载的极端水平进行分析,可为危害公路桥梁安全的车辆载重管控和有关规范的修订提供决策支持。表4为监测路段车重值最大的5辆车车重及超重率。由表4可知,车重值较大的车全为6轴车,最大车重值为179.9 t,已远远超过规范规定的通行车重限值,超重率达到了227.09%。在加强交通监管的同时,应建立符合实际交通情况的车辆荷载模型,便于高速公路桥梁评估。

表4 最大车重及超重率一览表

2 基于连续自然车队的汽车荷载效应

为了进一步验证利用实际运营荷载来研究既有桥梁运营情况的必要性,应选取不同跨径的桥梁结构,采用连续自然车流进行加载,将计算得到的效应值与“04规范”公路汽车I级荷载的效应标准值进行对比。该项研究选取跨径分别为20 m、40 m和60 m的简支梁桥进行分析,通过实测得到的WIM数据对跨中弯矩效应影响线进行加载计算,计算方法如图5所示。

图5 桥梁荷载效应计算图示

表5为简支梁结构跨中弯矩效应的统计参数,限于篇幅,仅选择超车道和行车道3为例进行分析。从桥梁结构在各个车道汽车作用下的效应分析结果上来看,各个车道上出现的最大荷载效应均超过了“04规范”规定的车道荷载标准值。其中,行车道3在车队荷载作用下的最大效应约为规范效应标准值的3倍；而超车道的汽车荷载效应也为规范效应值的2倍左右。总体车流荷载响应大于现行规范对应值,说明目前规范的车辆荷载模型偏于不安全。此外,总体车流与各车道车流的效应比值随加载长度的增加而减小,说明就车辆荷载效应而言,短加载长度桥梁更值得关注。同时,相对于规范的承载能力极限状态,根据规范设计计算的车辆荷载效应在考虑1.4的分项系数后,加载长度为20 m及60 m的桥梁实测总体车流荷载效应仍超过规范值,两者效应比值分别为2.15和1.83。

表5 简支梁跨中弯矩统计参数表(单位:kN·m)

由单车道的效应分析同时可得,对于多车道高速公路桥梁,由于不同车型车辆具有明显的车道选择特性,采用实际荷载对各车道加载得到的结果也存在较大的差异。从表5可以看出,对于不同计算跨径桥梁,内侧超车道荷载水平普遍较设计规范偏低,而行车道3的弯矩效应均值约为超车道的6倍左右,各车道汽车荷载水平的分布存在明显的差异性。因此,建议我国规范在对多车道效应折减的问题时,考虑各车道荷载分布的差异性,可参考欧洲EUROCODE规范采用不同车道布置不同荷载的方式。

3 结论

以某背景高速公路实测车辆荷载为基础,通过统计分析,对多车道交通量与车辆荷载特性、车辆到达特性,以及车辆超载状况进行研究；并利用实测车流荷载数据对桥梁结构进行加载,将所得效应值与规范荷载效应值进行比较。得到如下结论：实测车流数据的运行密集程度及荷载状况与规范基础数据存在较大出入,其中,交通流量有了较大的增长；采用影响线加载的方式获得真实车流在计算桥梁上的各项荷载效应值,该效应值与规范荷载效应值存在较大差异,实际桥梁运营状态评估不再适合继续使用规范荷载数据进行,同时,鉴于多次道汽车荷载效应分布的差异性,建议综合考虑各车道车流及荷载横向分布特性,对各车道荷载取值大小进行界定。

U441+.2

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1009-7716(2015)09-0186-03

2015-06-11

魏汉锋(1985-)，男,广东人,工程师,研究方向：路桥工程。前实际车流的组成特性。主要分析内容包括：交通量与车辆荷载特性、车辆到达特性,以及车辆超载等。