基于WIM的中小桥梁汽车荷载模型研究

夏叶飞,薛 程,杨泽刚,袁微微

(1.中设设计集团股份有限公司,江苏 南京 211100；2.东南大学土木工程学院, 江苏 南京 210096)

既有桥梁评估、维护采用的汽车荷载必须适应于桥梁结构所处地区的交通特征及今后的发展趋势,国家规范在时间上存在一定的滞后性。随着动态称重(WIM)系统的广泛应用,基于WIM系统数据的汽车荷载模型的研究已趋成熟。

本文以江苏省沿海高速公路WIM系统采集的汽车荷载数据为基础,分析了汽车荷载参数,建立了适用于江苏省沿海高速公路中小桥梁的汽车荷载模型,为管养提供参考。

1 工程背景简介

沿海高速公路2013年5月安装了WIM系统,详细布置如图1。

图1 WIM系统称重传感器和车检线圈布置图

本文研究的汽车荷载模型是基于WIM系统数据,时间跨度为2014年10月至2015年9月,有效天数为345天,采集到的汽车数据总量约585.6万辆,日均1.69万辆,包括车型、车重、车间距、轴重、轴距、车速等信息。

2 汽车荷载参数分析

2.1 车型

本文中车型按照汽车轴数分为7类,其中2轴车未区分客、货车,因为WIM系统在识别客、货车时存在一定的误差,7轴车及以上因为比例较少,在下文分析中未考虑,车型比例见表1。沿海高速公路上以2轴和6轴车为主,分别占到60%和25%。

2.2 车重

由各车型车重的频率直方图可知,各车型车重均不服从单峰分布,本文先假设各车型车重符从混合概率分布,采用极大似然法进行参数估计,再进行K-S检验,最后确定各车型车重均符合混合高斯分布。实际拟合车重分布如表1。

表1 车重分布参数

2.3 轴重比例、轴距

需要根据各轴所承担车重的比例来确定轴重,本文3～6轴车轴重比例、轴距参考《公路桥梁汽车荷载标准研究》和《中国汽车车型手册》,见表3～表4。

表2 车型比例

表3 轴重比例

表4 轴距/m

4 中小桥梁汽车荷载模型

选取20m、30m、40m简支梁桥、30m×2、30m×3、30m×4、30m×5、20m×6、30m×6、40m×6连续梁桥,汽车荷载效选取跨中弯矩。将公路—I级汽车荷载施加到7座桥梁跨中同号弯矩影响线上,结果如表5。

表5 规范汽车荷载效应

桥梁弯矩(kN·m)30m简支梁3581.340m简支梁550030m×2连续梁桥2841.630m×3连续梁桥2392.730m×4连续梁桥2423.730m×5连续梁桥2450.820m×6连续梁桥1379.330m×6连续梁桥2354.540m×6连续梁桥3738.3

为了方便与规范比较,将实际汽车荷载效应与规范汽车荷载效应之比作为分析对象,即取无量纲参数K=S/Sk作为模型参数,其中S为实际汽车荷载效应,Sk为规范汽车荷载效应,结果如表6。

表6 模型参数K计算结果

4 主要结论

(1)汽车荷载参数分析表明：①沿海高速公路上以2轴和6轴车为主,合计占比85%以上；②各轴车车重、轴距呈多峰分布,服从混合高斯分布；③车间距服从对数正态分布。

(2)简支梁桥的汽车荷载效应,略大于连续梁桥,且随着跨径增大而增大。连续梁桥汽车荷载效应也随着跨径的增大而增大,但与跨数的相关性不显著。

(3)沿海高速公路中小桥梁汽车荷载约为规范汽车荷载1.2倍。