基于动态称重的高速桥梁车辆荷载分析

卢颖

基于动态称重的高速桥梁车辆荷载分析

卢颖

（招商局重庆交通科研设计院有限公司，重庆，400067）

基于安装在高速某三跨连续梁桥上的动态称重系统（WIM）所记录的车辆荷载数据，对车流量、车重、车速、总轴距和车间距进行了分析，得到其统计特性和分布的一般规律。然后，通过广义极值模型（GEV）计算出最大弯矩极值分布，得出实际车辆荷载，并与规范中所规定的荷载进行比较。结果表明：一天中各时段的总交通流量具有很强的潮汐规律性；从车流构成上看，二轴车辆占绝大多数，其次为六轴及以上车辆；实际运行车辆荷载低于设计车辆荷载，实际荷载对桥梁健康状况危害不大。

桥梁；车辆荷载；车流构成；动态称重

引言

桥梁结构所受的主要荷载类型为车辆荷载。上个世纪，通过记录四条干线国道上五个白天的车流数据，进一步提出了我国的现行公路桥梁车辆荷载标准[1]。进入21世纪后，随着社会进步，国民经济迅速发展，车流量也不断增长，超重型车辆不断涌现，使得车辆荷载较规范制定时产生了较大改变。相关研究也表明：全国各地车辆荷载形式众多，地域性是其一项不得不考虑的重要特征。在这种状况下，《公路桥梁承载能力检测评定规程》根据实际的桥梁交通状况，提出有必要对标准荷载进行一定修正。

动态称重系统作为一种可靠且准确的获取车辆数据新方法，为科研人员和工程师所使用。动态称重系统能够十分全面地获得交通流量信息，并且不受人为因素影响，因此将其作为特征车辆荷载记录的重要工具是可靠的。许多相关工作者进行了一系列研究，如分析车型构成、预测荷载极值、建立荷载模型、评估安全状况等。

本文利用安装在京沪高速某三跨连续梁桥上的动态称重系统所采集的数据，通过对交通流量、车辆构成等进行分析，推算出实际运行车辆荷载。

1　监测系统

动态称重过程是指对行驶车辆的动态受力进行连续测量，以及对其静止状态下的重量进行计算。车辆动态称重（Weigh-in-Motion，简称 WIM）系统，包括安装在桥面的一组传感器和安装有相关软件的仪器，用来测量车辆相关实时信息，如图1所示。交通荷载的监测主要包括过桥车辆数量、车型、车重等信息，通过在大桥引桥混凝土桥面铺装下预埋高速动态称重系统，可对车辆进行测重、测速，同时使用摄像仪对交通实况进行监测。

2　车辆运行状况分析

车流量和车流的构成状况是车辆交通情况的两个重要指标[2]。我国《公路桥梁承载能力检测评定规程》中引入了考虑桥梁实际位置的典型代表性交通量、大车混入率等的修正系数，对标准荷载进行了一定修正[3]。由此可知，分析车流量、车流的构成状况、轴重和车辆总重具有重要意义。

从动态称重系统可以提取被记录车辆的参数，从而可对车流量和车流构成进行实时统计与分析。通过2016年4月的数据统计，可以得到当月每个车道的车流量。车道分布如图1所示，车流量情况如表1所示，车辆构成如图2所示。

图1　WIM系统在车道分布下的安装示意图

表1　车流量统计

图2　车流构成

从表1可以得出，单从一方面的数据看，中间车道车流量较大，两边车道较小。从图2可以看出，一天中各时段车流量有很强的规律性：下午和夜间的车流量较早晨多，且二轴车的车流占据了绝大多数。

3　实际运行车辆荷载

3.1广义极值模型

据Fisher-Tippet极值定理可知，若X1，X2，…，Xn是独立同分布随机变量的序列，那么有常数列{an＞0}和{bn}使得下式成立

其中，Pr(·)表示事件发生的概率；Mn=max{X1，X2，…，Xn}；H(x)为GEV分布(Generalized Extreme Value Distributions，广义极值分布)。与此同时，引入位置参数μ和尺度参数σ，那么H(x)一定属于以下的三种类型之一，分别作为极值Ⅰ型、极值Ⅱ型、极值Ⅲ型，即

其中，α为形状参数[4]。

这三种极值分布形式代表了三种不同的极值类型，然而可以归结为一个统一公式，即

其中，μ,ξ∈R; σ＞0; ξ也为形状参数。

当ξ＞0时，取α=1/ξ，则H(x;μ,σ,ξ)代表极值Ⅱ型的分布，它的位置参数和尺度参数分别是μ-ασ和ασ；当ξ=0时，H(x;μ,σ,ξ)代表极值Ⅰ型的分布，这是因为；当ξ＜0时，取α=-1/ξ，则H(x;μ,σ,ξ)代表极值Ⅲ型的分布，它的位置参数和尺度参数分别是μ+ασ和ασ。综上可知，极值分布类型是完全由形状参数来决定，与位置参数、尺度参数无关[5]。

3.2基于WIM实际的荷载效应

动态称重系统实测车辆信息包括车重、车长、车间距等，本文通过Matlab程序将车辆荷载通过桥梁影响线施加，计算出车辆通过桥梁时，桥梁跨中的弯矩时程值。对于该三跨连续梁桥来说，由于影响线较长，车轴布局对结果的影响可以忽略。按照《工程结构可靠性设计统一标准》中荷载作用的代表值确定原则，本文首先确定了1小时荷载效应最大值分布，然后进行外推，在设计基准期内可以得到荷载效应最大值分布函数，其中取某一分位点处的值作为荷载效应代表值。

把每个采样点的弯矩看作随机变量，一方面，根据极值类型定理，1小时主梁竖向弯矩最大值可以认为近似服从极值分布；另一方面，通过概率图和可以进行的模型对比和优化选择，根据上文可知，广义极值分布对1小时弯矩最大值分布的高尾部分能够很好拟合。

广义极值分布的拟合分布函数为

根据《工程结构可靠性设计统一标准》，当可变作用通过平稳二项的随机过程进行模拟时，其最大值概率分布函数FT(x)按下式计算：

其中，F(x)——可变作用的随机过程截口分布函数；

m——在设计基准期T内，可变作用平均出现的次数。

当截口概率分布F(x)=H(x)，为1小时最大弯矩极值分布。若设计基准期是100年，那么m=100×365×24，且

按照惯用取值的原则，标准值SQK取保证率为95%时的分位值，结合WIM系统中的2016年4月数据，得到实际运行车辆荷载如下：下行为公路Ⅰ级的0.77倍，上行为公路Ⅰ级的0.79倍。

4　结论

基于安装在高速上某三跨连续梁桥上的动态称重系统（WIM）所采集的车辆数据，通过对相关参数进行分析，讨论了车辆的概率统计特征和分布规律，得到以下结论：

（1）一天中各时段车流量的交通流量具有很强的规律性，基本在每天的10时前后达到最大值，在16时前后达到次大值。

（2）一个月内总通行车辆为1 104 841辆，下行日均17 068辆，上行日均19 759辆。其中二轴车辆占绝大多数，其次为六轴及以上车辆，并且日间二轴车辆占绝大多数，夜间六轴车及以上车辆比例上升。

（3）实际运行车辆荷载方面，下行为公路Ⅰ级的0.77倍，上行为公路Ⅰ级的0.79倍。实际运行车辆荷载低于设计车辆荷载，表明实际荷载对桥梁健康状况危害不大。

[1]JTG D60-2004. 公路桥涵设计通用规范[S].

[2]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, 27(4): 31-38.

[3]“公路桥梁车辆荷载研究”课题组. 公路桥梁车辆荷载研究[J]. 公路, 1997(3): 8-12.

[4]陈照全. 既有桥梁车辆荷载的随机过程模型研究[D]. 长沙: 长沙理工大学, 2008.

[5]曾勇, 陈艾荣, 谭红梅. 基于实测车流的悬索桥吊杆钢丝寿命期内的疲劳评定[J]. 防灾减灾工程学报, 2014(02): 185-191.

Analysis of Highway Bridge Traffic Load by a Weigh-in-Motion Approach

LU Ying
(Merchants Chongqing Communications Technology Research & Design Institute, Co., Ltd., Chongqing, 400067, China)

Basing on data recorded by the Weigh-in-Motion (WIM) system installed in a three span continuous girder bridge at highway, perform analysis of the vehicle flow, weight, speed, wheelbase and interval, as to discover general discipline of their statistical characteristics and distribution. Then, the Generalized Extreme Value (GEV) model is used to calculate the extreme value distribution of maximum bending moment. The actual vehicle load is compared with the load determined by the regulations. The results show that, traffic flow has a strong tidal regularity; from the aspect of flow composition, dual-axle dominates the largest part, and the six-axle or more dominate the secondary. The actual running vehicle load is lower than the designed, thus brings out little harm to bridge healthy status.

Bridge; Vehicle Load; Flow Composition; Weigh-in-Motion(WIM)

TB472

A

2095-8412 (2016) 05-953-03工业技术创新 URL: http://www.china-iti.com

10.14103/j.issn.2095-8412.2016.05.033

卢颖(1985-)，女，硕士，工程师。研究方向：桥梁设计、加固。