城市桥梁车辆拥堵参数分析与荷载模型研究

田震欧，李天华，张可佳，赵信，白文英

（1重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2新疆城建试验检测有限公司，新疆乌鲁木齐 830000；）

0 引言

近年来，城市交通堵塞已由一线特大型城市蔓延至二线大中型城市，城市交通设施建设扩容速度已经不能满足机动车保有量的增加。据统计，截至2017年6月底，全国机动车保有量达3.04亿辆，其中汽车保有量达2.05亿辆。49个城市汽车保有量超过100万辆，23个城市超200万辆，6个城市超300万辆，拥堵已成为城市交通的普遍现象。随着拥堵次数和拥堵时间不断延长，市民出行受到影响，城市的发展也受到制约，城市道路桥梁桥面铺装、伸缩装置、桥梁支座的损害更加快速，桥梁结构受力体系还可能因为过度使用而发生变化[1]，从而产生严重后果。车辆拥堵状况持续加剧，在短期内难以得到缓解，因此，研究车辆拥堵对城市桥梁的作用效应是必不可少的，而真实准确地采集拥堵车列数据，建立城市桥梁车辆拥堵荷载模型是展开研究的前提和关键。

1 拥堵车列的数据采集

本文提出一种新型人工现场采集交通拥堵荷载数据参数的方法，其具有成本低，可适应不同工况环境，数据提取速度快，准确率高等优点。其原理主要是通过高清相机对不同时刻拥堵车列图像进行采集，然后通过一定技术手段将图像信息数字化。具体操作方法如下。

1.1 拥堵车列图像采集方法

1.1.1 相机机位选取

机位高度应满足相机视野，能完整覆盖所研究桥跨,视野内相邻的两个拥堵车列互不遮挡。机位视角与所研究车列纵向的角度应大于30°，所得照片分辨率应至少达到区别出桥上轮廓尺度为10cm的物件。

1.1.2 观测时间

选取城市拥堵早高峰时段8∶00—10∶00和晚高峰时段18∶00—20∶00进行观测。照片拍摄时间的间隔视拥堵车列前后车辆空间分布变化的情况而定。

1.1.3 标尺设定

确定有效观测长度，于所观测桥跨上设定起始线与终点线，并在桥梁护栏上等间距设立标尺。

1.2 拥堵车型与车间轴距的识别统计

通过查阅国内汽车产品目录、主要汽车型号及相关参数[2]，人工识别采集的拥堵车列图像中的各种具体车型，并将各类具体车型的车长、车宽、轴距、轴重参数填入拥堵车列数据记录表。

用图像工具软件打开拥堵车列图像，利用拥堵车列图像中的标尺进行人工比对，结合透视原理进行几何修正，可有效地识别各个不同轴数车型之间的车间轴距参数及空间分布位置。识别原理如图1所示。先测量出等间距标尺的长度，一般标尺间距设2m即可满足精度要求。由透视原理（近大远小）可以知道Y=Y1=Y2。因此车间轴距可以通过几何关系来确定，其计算公式为：

图1 识读车间轴距的方法

其中：L为车间轴距（m）；X为图像中车间轴距的像素；Y为图像中虚线间的像素；Y1,Y2为实际单位间距（m）。

根据上述方法于某高校图书馆停车场，机位高度定于6层楼高，机位视角与纵向车列垂直呈90°，桥跨长度设为20m，标尺长度设为4m进行模拟试验。如图2所示，试验所得车间轴距与实测长度误差为2%。

图2 停车场模拟试验图

通过查阅乌鲁木齐市（下文简称“乌市”）交通资料与前期实地调研，拟选定乌市市中心某单向5车道市政桥梁的一跨作为交通荷载数据采集的对象。该桥跨具有早晚高峰车流量大，受下桥路口红路灯影响，堵车时间长，拥堵车列变换规律，拥堵车辆类型单一 （主要以普通轿车、SUV越野车和城市公交车为主）等特点。

2 拥堵车列荷载参数分析

2.1 拥堵车辆类型参数分析

研究采用一个季度的有效拥堵车辆数据来反应该城市全年车辆拥堵状况，故经过三个月不间断的观测与数据采集，共统计有效拥堵车辆样本10426辆。对车辆类型进行了分类：普通轿车共7089辆，占比68%；SUV越野车共2189辆，占比21%；MPV商务车共835辆，占比8%；城市公交车共313辆，占比3%。此项数据可概括乌市市中心交通拥堵车辆状况，以普通轿车为主；受城市特殊地理环境因素影响，SUV越野车占很大比例；受中心城区大中型货车及其他类型客车限行规定影响，大型车辆主要以城市公交车为主。

2.2 拥堵车道参数分析

车辆拥堵横向位置的不同，也对桥梁结构受力有显著的影响。车道参数的分析主要是进行各车道车辆总数的统计，通过统计出的各车道车辆总数可以定性地判定各车道的拥堵状况。观测桥梁为单向5车道，LINE1为左转车道，LINE2—LINE 4为直行车道，受红绿灯限制，拥堵较为严重。LINE5为右转车道，不受红绿灯限制，车流一直处于低速移动状态，故不予考虑。统计得出LINE1拥堵车辆共计2908辆，LINE2拥堵车辆共计2754辆，LINE3拥堵车辆共计2543辆，LINE4拥堵车辆共计2221辆。各车道的拥堵车辆总数从LINE1到LINE4逐渐减少，考虑多车道横向折减系数，车道承受荷载依次减少。

2.3 车-桥距参数分析

图3 车-桥距示意图

图4 车-桥距参数的威布尔分布拟合曲线

表1 交通荷载参数概率分布类型及分布参数

车-桥距是指车辆的前轴或者后轴至桥头或者桥尾的距离，真实地反映出城市桥梁某跨的拥堵车列纵桥向分布情况，如图3所示。采用交通荷载调查中常用的正态、对数正态、伽马、威布尔和极值I型5种分布类型[3]对车-桥距数据样本进行拟合分布检验，采用极大似然估计得出具有95%保证率的分布参数，分布参数的取值及其置信区间，见表1，得出车-桥距参数服从威布尔分布（图4）概率密度表达式为：

采用MATLAB软件求出威布尔分布的0.05分位值为0.4132m，取整为0.4m来作为车-桥距的代表值。

2.4 轴距参数分析

轴距决定了拥堵车辆荷载在桥跨上排列的间距。由车辆型号查其出厂参数，对所统计的9540个轴距参数在剔除小于2m和大于3.2m的异常数据后采用K-S检验法分别按正态、对数正态、伽马、威布尔和极值I型5种分布类型进行拟合分布，采用极大似然估计轴距参数的分布参数进行估计，得到具有95%保证率的分布参数及其置信区间，见表1。轴距参数服从对数正态分布，如图5所示。考虑到采用样本总量的均值并不能反映轴距参数样本内某些数值的显著性，故采用求样本的加权平均值来作为轴距参数的代表值，得到轴距参数的加权平均值为2.66m，取2.6m为代表值。

图5 轴距参数的对数正态分布拟合曲线

2.5 车间轴距参数分析

车间轴距是相邻的两车，前车后轴至后车前轴的距离，如图6。部分国内外研究者在研究拥堵荷载模型时通过估算车辆前后悬值来确定车间距离的方法，受车辆前后悬值差异较大的影响，其准确性值得不到保证。因此，本文用车间轴距建立车辆拥堵荷载模型，避免了考虑车辆前后悬值的影响，可更加真实地反映实际车辆拥堵状况。对车间轴距进行拟合分布得到车间轴距参数服从对数正态分布，如图7。采用极大似然估计对车间轴距参数的分布参数进行估计，得到具有95%保证率的分布参数及其置信区间，见表1。

图6 车间轴距示意图

图7 车间轴距参数的对数正态分布拟合曲线

由于不同车型悬值相差较大，故针对相同车型和不同车型间分别划分三类车型，6个车间轴距代表值。将车间轴距的统计样本数据划分[1.1m，4m]、（4m，5m]和（5m，6m]这三个子区间来分别作为小汽车间。中型客车间和大型客车间的车间轴距样本数据，每个区间的加权平均值作为同一车型间的代表值，不同车型间的车间轴距代表值通过同一车型间车间轴距代表值的均值确定，结果见表2。

表2 车间轴距代表值

2.6 轴重参数分析（V1）

轴重是研究车辆荷载模型的重要参数，直接影响桥梁的受力状态。本文采取的是人工读取的方式，其局限性就在于不能获得准确的实时轴重，因此采用查询车辆具体参数信息的方式先来获得车辆空载轴重，再加上3kN（假设满载5人，每人60kg）得到满载轴重，由满载轴重乘以满载率来作为最终轴重的代表值。采用非参数的核密度估计法[4-5]来对轴重参数进行统计分析，如图8所示。

图8 空载轴重参数拟合曲线

轴重参数核密度估计的核函数K（.）都采用高斯核函数（Gaussian）时，拟合曲线较为光滑且能反映出大部分数据所包含的信息。确定轴重参数带宽为xzz=0.2。轴重参数数据样本总量为n=9883。将带宽xzz和样本总量n带入高斯核函数可得车辆轴重的核密度函数估计值：

求轴重参数的核密度估计函数的期望值：

通过软件编写的计算程序得出轴重参数的期望值为7.5kN，由空载轴重加上3kN，得满载轴重的代表值为10.5kN，取整为10kN。

2.7 轴距和轴重参数分析（V2和V4）

由于中型客车（V2）和大型客车（V4）车型比较单一且样本总量很少，无法对其进行统计分析，因此本文就以三个月所观测到的具体车型的参数为依据，对于轴距直接取平均值，并经适当的取整确定。由于V2和V4型都是公交车且服役于人流密集的线路，经现场调查发现，在上下班高峰期公交车内虽十分拥堵，但车内人均占有面积也不可能低于《机动车运行安全技术条件》（GB 7258—2004）中每人最少0.125m3的规定，即客车未处于满载状态。并且由于本文是采用根据出厂参数获取客车满载轴重来确定其代表值，因此需对V2和V4车型的满载轴重进行适当的折减。目前已有学者针对公交车的满载率进行过研究，以指导公交车的调度问题[6]，故本文可对取V2和V4型的客车满载轴重乘以满载率折减系数 （取文献中的最大折减率，取整为0.8），并经适当取整来作为各自的轴重代表值。V2和V4型的具体参数见表3。

表3 V2和V4型的车宽、轴距和轴重参数

3 城市桥梁车辆拥堵荷载模型

车辆荷载作用力包括静力和动力，荷载模型也可由车重、轴重、轴距、桥跨、车辆位置和车辆数目等参数来描述[7]。怠速车辆拥堵的交通荷载在建立车辆荷载模型时以静力作用为主，考虑车辆自身的结构参数来建立以轴距和轴重为主要参数的车辆荷载模型：

（1） 小汽车（V1）荷载模型，如图9所示；

图9 小汽车荷载模型

（2）中型客车（V2）荷载模型，如图10所示；

图10 中型客车荷载模型

（3）大型客车（V4）荷载模型，如图11所示：

图11 大型客车荷载模型

此三类车辆荷载模型可集中概括乌市城区市政桥梁所承受的主要荷载。三种不同类型车辆的荷载模型可以作为乌市城市桥梁的车辆荷载谱，为市政交通基础设施的改造和建设提供参考依据。

结合已有的数据和城市桥梁的特点[8]，已知各类车型间的车间轴距值，拟定如下几种常见的或者对城市桥梁可能有较大损害的怠速车辆拥堵模型，如表4所示。

表4 怠速车辆拥堵模型

4 结论

1）提出一种较为可靠的城市桥梁拥堵车辆交通荷载数据的人工采集方法，可准确快速地提取车辆拥堵交通荷载中车型（车长、车宽、轴数）、车间轴距、车头尾距、轴重等参数信息。

2）采用概率统计法对车-桥距、车间轴距和轴距等参数进行分析，得到其分别服从威布尔分布和对数正态分布，车间轴距服从正态分布。并取威布尔的0.05分位置0.4m来作为车-桥距参数的代表值，轴距通过求其加权平均值2.66m作为轴距参数的代表值。车间轴距参数的代表值考虑了不同车型悬值差异，从而针对同一车型和不同车型确定六个车间轴距代表值。

3）通过对拥堵车辆荷载参数的分析，确定了三种不同类型车辆的荷载模型。考虑拥堵对桥梁影响以及现场实际情况，模拟出了7种常见的车辆拥堵模型。

责任编辑：刘艳萍

施工管理

建筑工程管理与数字“3”

1在安全施工方面

（1）三宝：安全带、安全网、安全帽；

（2）三级配电：总配电箱、分配电箱、开关箱；

（3）三级安全教育：公司教育、项目部教育、班组教育。

2施工技术和管理方面

（1）施工控制网采用轴线法时，长轴线的定位点不得少于3个；

（2）钢结构工程结构部分：大都是由3块钢板组成，如钢梁、钢柱；

（3）工程施工组织实施的方式为3种：依次施工、平行施工、流水施工。（摘自：《建筑工人》）