福建省重载交通公路桥梁疲劳荷载模型研究

■刘少辉颜全哲，2杨佳毅赵晓杰黄俊宇刘淦彬

(1.福州大学土木工程学院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

福建省重载交通公路桥梁疲劳荷载模型研究

■刘少辉1颜全哲1，2杨佳毅1赵晓杰1黄俊宇1刘淦彬1

(1.福州大学土木工程学院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

疲劳荷载模型是进行公路桥梁疲劳设计和可靠性评估的重要基础。利用布设在福建省内2个典型重载交通公路路段上的动态称重(W IM)系统，实测典型的、具有代表性的日常运营车辆荷载。基于实测的207590条有效车辆荷载数据，根据等效疲劳损伤原理，将实测的车辆荷载频值谱简化为由疲劳荷车辆组成的荷载频值谱。通过计算各车型造成的疲劳损伤比例，建立了适用于福建省重载交通公路桥梁的车辆疲劳荷载模型。该模型可供福建省公路桥梁疲劳寿命分析或疲劳设计时参考。

公路桥梁动态称重系统重载交通疲劳设计疲劳荷载模型

0 引言

公路桥梁承受车辆荷载的重复作用，在反复应力的作用下，很容易引起结构的累积损伤，最终导致疲劳破坏。基于导致桥梁疲劳破坏原因，疲劳荷载不能采用最不利情况下的静力强度设计标准活荷载，而应选取典型的、具有代表性的日常运营车辆荷载[1]。

国外较早开展公路桥梁疲劳荷载的研究工作。英国早在20世纪70年代就制定出用于钢桥、混凝土桥及结合桥疲劳设计的车辆荷载谱[2]，并结合实际情况对疲劳荷载计算模型不断进行修正；美国、日本等国也结合自己的国情，开展了公路桥梁疲劳荷载谱的研究工作，并在各自的桥梁设计规范中，给出了疲劳设计荷载谱或疲劳车辆荷载模型[3-4]。

童乐为和沈祖炎等(1997)[1]在国内首次开展城市道路钢桥的疲劳荷载谱研究；他们采用现场人工观测方法，对上海市内某桥进行了交通车辆调查，并将实测的车辆荷载谱简化为由6类代表车组成的车辆荷载谱。王荣辉等(2004)[5]也采用类似方法，对广州市内环线恒福路段交通情况进行实地调查；基于交通量调查结果，提出了适用于广州市高架桥疲劳设计的疲劳车辆模型及其荷载谱值。赵秋等(2016)[6]采用录像观测法，对福州市城市桥梁交通荷载和运营车辆的装载情况进行调查；基于疲劳荷载调查结果，提出了适用于福州市城市钢桥疲劳设计的疲劳车辆荷载谱及疲劳车辆荷载模型。然而，这些研究工作均存在调查方法比较粗糙、调查时间较短或数据样本空间过小等不足，导致车辆荷载信息的精确性、全面性无法得到保证。

近年来，动态称重(WIM)技术在国内逐渐被用于交通荷载的统计调查。利用WIM系统进行长时间的数据采集，可得到通行车辆数量、车型、车辆轴重、轴距等统计数据，从而给疲劳荷载谱研究提供了有效的技术手段。孙守旺和孙利民(2012)[7]利用布设在北京六环某路段上WIM系统获取的运营交通基本信息，建立了6种不同车型的疲劳等效模型车辆。李星新和任伟新等(2012)[8]根据贵州坝陵河大桥WIM系统收集的交通荷载数据，提出一个适用于西南山区高速公路桥梁的3轴标准疲劳车模型。夏叶飞和宗周红等(2014)[9]基于京沪高速沂淮段新沂河大桥布设的WIM系统的实测数据，建立了新沂河大桥实际运行车辆的疲劳荷载谱，并提出一种基于WIM实测数据得到公路桥梁车辆疲劳荷载谱的方法。

与国外相比，我国公路桥梁设计长期缺乏可用于疲劳设计的荷载模型。周泳涛等(2010)[10]依托交通部公路工程标准制修订项目“公路桥梁疲劳设计荷载标准”，首次在全国范围内进行高速公路交通车辆荷载的实地调查；基于调查结果，建立了公路钢桥疲劳设计标准车辆荷载模型，为我国相关标准制定提供了依据。

近年来，随着我国经济社会的快速发展，公路交通量和负荷逐年增加，使得桥梁结构的疲劳问题日益突出。尽管我国现行桥梁设计规范[11]已颁布了疲劳荷载计算模型，然而，考虑到我国大陆幅员辽阔，各地交通荷载现状存在较大差异，因此，根据各地公路交通实际状况，研究并制定相适应的疲劳荷载模型具有现实意义。本文依托福建省交通运输科技发展重点项目“基于实测车辆荷载模型的在役桥梁使用性能评估与多阶段管养对策研究”，首次在福建省典型重载交通公路路段上布设WIM系统，对日常运营车辆荷载进行长时间的数据采集；基于WIM系统实测车辆荷载数据，建立适用于福建省重载交通公路桥梁的疲劳车辆荷载谱及疲劳车辆荷载模型，供福建省公路桥梁疲劳设计参考。

1 车辆荷载数据采集

1.1 WIM系统布设

制定的疲劳车辆荷载谱及疲劳车辆荷载模型正确与否，是否适合各地实际、方便用于疲劳设计或疲劳分析，取决于所收集基础资料(包括典型公路桥梁日常运营车辆荷载的轴重、轴距、车型等数据)的深度、广度以及所收集数据统计分析的正确性。因此，收集车辆荷载资料的基础工作尤为重要。

考虑到WIM系统较为昂贵，如果在全省各地市普通公路上都展开交通荷载调查，将导致调查工作量及费用过大。根据近年来福建省典型重载交通公路的统计数据，本次调查选择漳州市华安县S208线139K+820处的割掘大桥桥头和泉州市永春县S306线158K+500处的青溪大桥桥头处分别布设1个WIM系统，进行现场交通荷载调查。图1和图2为WIM系统的具体布设位置。

1.2 车辆荷载数据统计分析

在各测点利用高速WIM系统连续测量并记录实际通过的车辆及其各项相关参数，包括车重、轴重、轴数、轴间距及通过测点时刻等数据。本文对调查路段WIM系统记录的自2016年10月至2017年3月共6个月的实测车辆荷载数据进行分析，这段时间WIM系统数据显示共记录了214570条原始车辆荷载数据。在进行数据分析之前，按车辆类型和轴数将车辆类型划分为7类：小型客车、大型客车、二轴货车、三轴货车、四轴货车、五轴货车和六轴货车。由于实际交通中车辆行为的复杂性，WIM系统会记录一些错误数据。通过对车辆荷载数据进行筛选整理，删除记录错误数据，并按车型剔除对车辆荷载研究无影响的无效数据，最终得到列207590条有效的车辆荷载数据。表1列出了实测车辆荷载数据统计汇总情况，表中“平均值”和“最大值”均指各型车辆的总重。从表1中可以发现：

(1)基于WIM系统采集的车辆数据量大，总计207590条车辆荷载数据，从统计意义上看已具备足够多的数据样本空间。

(2)从车流量比例角度看，小型客车、四轴货车和六轴货车的车流量比例分别达到29.13%、17.10%、26.68%，大型客车、三轴货车和五轴货车车流量则相对较小。

(3)从车辆车重角度看，实测的三轴、四轴、五轴和六轴货车的最大车重分别为107.40t、74.75t、105.89t和117.63t，超载量高达397.78%、207.64%、246.26%和240.06%，重型货车超载情况均十分严重；其中，二轴货车和三轴货车的超载比例分别达到10.49%和17.19%。

从2个WIM系统实测数据的情况看，2个测点的车流量大，重载货车比例高，超载情况十分严重。可见，调查结果具有较强的代表性，完全可以应用于福建省重载交通公路桥梁疲劳荷载研究。因此，下文以福建省典型重载交通公路实测的日常运营车辆荷载数据为基础，对车辆疲劳荷载模型进行研究。

图1 漳州市华安县S208线139K+820处测点

图2 泉州市永春县S306线158K+500处测点

2 实测车辆疲劳荷载模型

2.1 简化的疲劳车辆荷载谱

由于WIM系统实测的车辆荷载数据中车辆种类较多，因此，为便于统计和分析，需要将其简化，并提出一组实用的车辆荷载频值谱。具体简化方法如下[12]：

(1)对WIM系统实测出现的车辆类型进行分类，根据实际情况可忽略不需要的数据。参考英国桥规BS5400[3]，轻小型客货车总重小于30kN对桥梁疲劳损伤的影响很小，可忽略不计。将相同轴数的车辆合并在同一类，按车辆类型和轴数将车辆类型划分为六类车型：客车、二轴货车、三轴货车、四轴货车、五轴货车和六轴货车。

表1 实测车辆荷载数据统计汇总

(2)按等效疲劳损伤原理，求出每种车辆模型中各轴的等效轴重，各等效轴重之和即为模型车辆的等效轴重。等效轴重按下式计算：

式中，fi为第i辆车在所有统计车辆中所占的频率(下同)，Wij为第i车辆的第j个轴的轴重，Wej为该类车辆模型第j轴的等效轴重。

(3)以归于同一类的每种车辆出现的相对频率为权数，按轴距的加权平均值求出该类车辆模型的各个轴距。各轴距按下式计算：

式中，Aij归为同一类车辆中的第i辆车的第j个轴距，Aj为该类车辆模型的第j轴距。

从疲劳损伤角度来分析，综合考虑车辆比例和疲劳损伤比例两个因素，选择合适的车辆模型作为标准疲劳车辆荷载参考模型。根据公式(1)计算得到等效车重，按照标准疲劳车辆模型的轴型将该等效车重按比例分配到各轴，得到标准疲劳车辆荷载模型的各轴轴重，从而推导出标准疲劳车辆荷载频值谱。

按照上述的方法，将各类车辆按照轴型类别进行分类统计，并计算出各类车辆模型的参数，最终得到对桥梁疲劳损伤有重要作用的六类疲劳荷载频值谱，如表2所列。为使得模型车辆的荷载参数便于统计和应用，车辆轴重均取5kN的倍数，轴距均取100mm的倍数。

2.2 标准疲劳车辆荷载模型

对于桥梁桥面系构件，一般采用单车形式的车辆模型对其进行疲劳验算，故可进一步分析疲劳荷载频值谱的车辆荷载，最终得到一辆标准疲劳车辆模型。根据疲劳累计损伤准则，由下列公式计算按照等效总重计算得到各车型造成疲劳损伤占总损伤的比例。

式中，fi为第i种车型的比例；Wei为第i种车型的等效车重；m为表示S-N曲线斜率参数，本文取为3。

按照上述方法计算各车型疲劳损伤比例，表3列出了各车型疲劳损伤比例的汇总情况。从表3中所列数据可以发现：C3、C4和C6车型疲劳损伤比例较大，其中，C6车型造成的疲劳损伤比例最大为73.10%，而且其流量比例为26.68%，在各个车型中也是最大的。C3车型和C4车型的疲劳损伤比例分别为11.63%和8.18%；从车流量来看，其流量比例分别为6.84%和17.10%，相比于C6车型，其疲劳损伤比例和流量比例均相差较大。可见，根据建省典型重载交通公路桥梁日常运营车辆荷载实际情况，选择C6车型作为标准疲劳车辆荷载参考模型较为合适。按C6车型将该等效车重按比例分配到各轴，可得到标准疲劳车辆荷载模型的各轴轴重，从而推导出适用于福建省重载交通公路桥梁的车辆疲劳荷载模型，如图3所示。

表2 车辆荷载模型荷载频值谱

图3 福建省重载交通公路桥梁标准疲劳荷载模型

表3 各车型疲劳损伤比例汇总

表4 本文标准疲劳车辆荷载模型与规范模型对比

表4列出了本文所建立的标准疲劳车辆荷载模型与我国现行规范[11]中的疲劳荷载计算模型的对比情况。从表4中可以看出，与我国现行规范的疲劳荷载计算模型相比，本文所建立的标准疲劳车辆荷载模型在总重、单轴轴重及轴距等方面均有所不同；本文模型比规范疲劳荷载计算模型的总重小23.5%，说明我国现行规范的疲劳荷载计算模型具有较高的可靠度和前瞻性。

3 结论

本文基于福建省典型重载交通路段布设的WIM系统的实测车辆荷载数据，研究适合福建省实际的标准疲劳车辆荷载模型，得出以下结论：

(1)福建省典型重载交通公路重型货车超载情况十分严重，最大超载量高达397.78%，二轴货车和三轴货车的超载比例分别达到10.49%和17.19%。

(2)基于WIM系统实测车辆荷载数据，得到对桥梁疲劳损伤有重要影响的六类疲劳荷载频值谱。

(3)综合考虑车辆车流量比例和疲劳损伤比例两个因素，提出了适用于福建省典型重载交通公路桥梁的标准疲劳车辆荷载模型。

[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.

[2]BS5400-10-1978.Steel,concrete and composite bridges[S].

[3]AASHTO LRFD SI-2007.AASHTO LRFD bridge design specifications[S].

[4]Japan Road Association-2002.Code for design of highway bridges.II Steel bridges[S].

[5]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].华南理工大学学报(自然科学版),2004,32(12):94-96.

[6]赵秋,陈长俊,汪文堃.福州市城市桥梁疲劳荷载研究[J].福州大学学报(自然科学版),2016,44(1):97-103.

[7]孙守旺,孙利民.基于实测的公路桥梁车辆荷载统计模型[J].同济大学学报(自然科学版),2012,40(2):198-204.

[8]李星新,任伟新,钟继卫.西南山区高速公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究[J].振动与冲击,2012,31(15):96-100.

[9]夏叶飞,李峰峰,顾煜,等.基于WIM的高速公路桥梁车辆疲劳荷载谱研究[J].公路交通科技,2014,31(3):56-64.

[10]周泳涛,鲍卫刚,翟辉,等.公路钢桥疲劳设计荷载标准研究[J].土木工程学报,2010,43(11):79-85.

[11]JTG D60-2015,公路桥涵设计通用规范[S].Klemenc J,Fajdiga M. Improvedmodelling of the loading spectra using amixturemodelapproach[J].International Journalof Fatigue,2008,30(30):1298-1313.

福建省交通运输科技发展项目（201414），国家大学生创新创业训练计划项目（201610386015）