利用动态称重技术的福建省重载交通公路车辆荷载模型

颜全哲， 卓卫东， 王志坚， 黄新艺， 孙颖

(1. 福州大学土木工程学院， 福建 福州 350108； 2. 福建省交通运输厅， 福建 福州 350001)

0 引言

车辆荷载直接影响桥梁结构的安全性， 尽管对公路汽车荷载标准有现行规范[1]， 然而， 我国大陆幅员辽阔， 各地区经济发展不平衡， 车辆荷载类型、 交通量大小也有明显的地域性特征. 因此， 建立地域性的车辆荷载标准， 既能考虑地方车辆荷载的特殊性， 又能考虑该地区车辆荷载的一般性[2-5]. 另一方面， 现行规范的汽车荷载标准一般适用于新桥设计， 对于精度要求较高的既有桥梁承载力评估和疲劳损伤评估， 还应结合实际运行车辆的统计分析， 建立相应的实际运行车辆荷载模型[6].

动态称重(weigh-in-motion， WIM)技术可以在不中断交通的情况下获得车辆的车速、 轴重力、 车重力、 轴距、 车头间距等参数， 利用WIM技术可以获得调查路段用于统计目的的100%的交通荷载数据[7-9]. 美国Nowak等[10-11]较早利用WIM系统采集的汽车荷载数据建立桥梁活载模型， 并应用外推法预测不同跨径的桥梁在75 a设计基准期内的汽车荷载效应. 之后， Cremona[12]、 Oconnor等[13-14]、 Fu等[15-16]以及鲁乃唯等[17]也都开展了类似的工作. 随着WIM技术的推广应用， 近十几年来基于WIM实测车辆数据的实际运行车辆荷载模型的相关研究也越来越多. Miao和Chan等[7-8]利用香港地区持续10年的WIM数据， 建立香港地区的设计车辆荷载模型； Obrien等[18]基于欧洲5条高速公路的WIM监测数据， 提出相应的桥梁交通荷载特征指标； Morales-Napoles等[19]基于WIM数据和贝叶斯网络， 建立了新西兰的桥梁交通荷载模型. 在国内， 文献[20]最早利用WIM技术进行交通荷载调查， 并据此开展我国公路车辆荷载标准值的研究； 在此之后， 许肇峰等[3]、 卢九章[4]、 李广慧等[21]以及宗周红等[22-23]均利用WIM实测数据， 建立具有地域特色的标准车辆荷载模型. 赵少杰等24]采用分段截尾函数和多重混合高斯函数相结合的方法， 对WIM系统实测数据进行概率统计及拟合分析， 建立了各地区代表性的车辆荷载模型.

福建省东南沿海地区公路交通运输量巨大， 车辆超载现象时有发生. 本文选择该地区典型重载交通公路布设WIM系统测点， 实测该地区的实际车辆荷载数据； 基于WIM系统长达30个月不间断采集的车流数据， 研究并建立适用于福建省重载交通公路的车辆荷载模型， 为福建省内重载交通公路桥梁设计及评估提供科学依据.

1 车辆荷载数据采集与统计分析

1.1 WIM系统布设及数据采集

福建省漳平市拥有众多的水泥生产企业， 省道S208线是漳平市水泥原材料和成品运输的重要交通通道， 重载货车车流量大、 比例高； S306线则是连接福建三明与泉州、 厦门沿海的重要交通通道， 是闽西北山区矿产资源和东南沿海物资往来的必经之路， 交通繁忙， 重载交通多. 通过前期交通调查发现， 省道S208线和S306线存在车流量大、 重载货车比例高的特点， 各类车型数量、 比例等均符合福建省重载交通公路的车流分布特征. 因此， 将WIM系统分别布置在漳州市华安县S208线139K+820处的割掘大桥桥头和泉州市永春县S306线158K+500处的青溪大桥桥头附近.

利用WIM系统， 在各测点连续测量实际通过的车辆及其各项相关参数， 包括车重力、 轴重力、 轴数、 轴间距及通过测点时刻等数据； 连续采集了自2016年7月至2018年12月共30个月的交通荷载数据.

1.2 实测车辆荷载数据统计分析

根据WIM系统获取的车辆荷载数据和车辆技术手册[25]， 将车辆类型分为5种车辆类别： 二轴客货车、 三轴货车、 四轴货车、 五轴货车、 六轴货车. 数据分析过程中， 同时考虑了以下两个方面的因素对获取的交通数据进行初步筛选： 其一， 对于车身总质量小于3 t的小型客车和两轴客货车辆， 一般对桥梁不会造成损伤， 因此可不计相关车辆的影响. 其二， 考虑到实际交通中车流的复杂性和系统的可靠性， WIM系统采集的数据存在部分错误数据.

综合以上两个方面的因素， 剔除错误的数据记录和对结构损伤没有影响的记录， 最终确定割掘大桥和青溪大桥桥头布设的WIM系统采集到的有效数据记录分别为151 228条和228 547条； 各种车辆类别的数量及车辆总质量等参数见表1.

各类车型的最大额定质量根据《汽车、 挂车及汽车列车的外轮廓尺寸、 轴荷及质量限值(GB 1589—2016)》[26]中的条文确定， 当实测车辆的总质量大于标准中对应车型的最大额定质量时， 视为超载车辆. 根据表1中的数据可以看出：

1) 同为省道的漳州市华安县S208线139K+820处的割掘大桥桥头和泉州市永春县S306线158K+500处的青溪大桥桥头两个位置的车辆类型组成结构基本相似， 三轴及三轴以上货车占车辆总数的99%以上， 且其中6轴货车的占比均很高， 为典型的重载交通组成.

2) 不同类型的车辆的平均质量(GVM)受地理位置的影响较大， 三轴以上货车的最大车身质量均在82～178.8 t之间， 泉州调查点的最大车辆质量明显大于漳州调查点的.

3) 车辆超载情况： 两轴客货车辆的超载比例较高， 漳州和泉州调查点分别为23.79%和27.48%， 最大质量达到55.7 t； 占车辆总数最多的6轴货车超载比例较低， 漳州和泉州调查点分别为1.97%和1.47%， 超载车辆总数分别为2 857辆和2 798辆； 特别值得注意的是三轴货车， 尽管泉州调查点的超载比例较低， 但最大车辆质量高达161.1 t.

表1 实测车辆荷载数据统计汇总

1.3 实测车辆总质量数据统计分析

参考英国BS 5400规范[27]， 对各类型车辆的总质量分布进行拟合分析， 发现下式所示的内核平滑函数的拟合结果最优：

(1)

式中：h为平滑参数(窗宽或带宽)；n为各种类型车辆总质量的最大值控制；k(·)为内核函数， 本文采用标准正态分布函数作为内核函数， 即

(2)

表2列出了两地测点获取的各类车辆的拟合参数， 表3列出了车辆总重力具有0.95分位值的代表值.

表2 各类车型车辆总质量统计拟合参数

表3 分位值为0.95的各类车型车辆总重力

1.4 实测车辆轴重力和轴距统计分析

1) 车辆轴重力分析. 由于实测车辆车型种类多样， 故从中筛选出对结构损伤有较大影响的5大类、 10个子类车辆进行轴重力和轴距统计分析， 如表4所列. 通过线性分析， 得到各车型轴重力与车辆总重力间的比例关系， 分析结果见表5.

表4 车辆模型汇总表

表5 实测不同类型车辆的轴重力与车辆总重力之间的比例关系

2) 实测车辆轴距统计值. 根据WIM系统得到的实测车辆荷载轴距数据， 以同一类的某种车辆出现的相对频率为权数， 按加权平均的方法求出该类车辆模型的各个轴距(结果取10 cm的倍数)， 分析采用的公式[28]为：

Lj=∑fjLij

(3)

式中：fi为某种类型车辆中第i类车在所有统计车辆中出现的频率；Lij归为同一类车辆中的第i类车的第j个轴距；Lj为该类型车辆模型的第j轴距.

进行轴距统计分析时， 将漳州和泉州两个WIM观测站的车辆数据按相应的车辆类型进行合并后再综合分析， 分析结果分别列于表6和表7中.

表6 实测各种类型车辆轴距分析参数表

表7 实测各种类型车辆轴距数据统计分析表

2 基于WIM实测数据的车辆荷载模型

参考《公路桥涵设计通用规范(JTJ 021—89)》的汽车荷载标准[29]， 拟定实测车辆荷载模型. 其中， 主车选取与JTJ 021—89规范相同的车重力分位值(0.95)， 得到双轴标准车的代表车重力为220 kN； 重车选取分位值为0.997， 得到6轴货车的代表车重力为610 kN， 如图1所示.

(a) 主车 (b)重车图1 主车和重车的车辆荷载模型(轴重力单位： kN， 尺寸单位： cm)Fig.1 Vehicle load model of standard and heavy truck (load unit: kN, dimension unit: cm)

根据WIM系统实测的数据， 车辆间距与JTJ 021—89规范规定的汽车-超20级荷载基本吻合， 故本文模型中车辆间距与JTJ 021—89规范中的取值基本一致. 最终拟定的车辆荷载模型如图2所示.

图2 实测车辆荷载模型纵向排列(轴重力单位： kN， 尺寸单位： m)Fig.2 Truck train model based on WIM data (load unit: kN, dimension unit: m)

3 实测车辆荷载模型与规范汽车荷载效应对比分析

为了对比实测车辆荷载模型与JTG D60—2015规范[1]规定的汽车荷载作用下的上部结构内力， 选取标准跨径为16 m、 30 m的等截面预应力混凝土简支T梁桥和一座3×30 m预应力混凝土连续箱梁桥进行荷载效应分析.

采用Midas软件建立3座桥梁上部结构的有限元模型， 并分别施加JTG D60—2015规范[1]规定的公路-I级和公路-II级汽车荷载以及本文实测的车辆荷载模型， 计算其作用效应. 表8列出3座典型公路桥梁在实测汽车荷载模型及规范汽车荷载作用下控制截面计算弯矩和计算剪力的比较结果. 从表8可看出， 对16 m和30 m跨径的公路预应力混凝土简支T梁桥以及3×30 m预应力混凝土连续箱梁桥， 本文实测车辆模型的弯矩作用效应相比公路-I级汽车荷载作用效应分别小27.8%、 12.7%和18.5%， 相比公路-II级汽车荷载作用效应分别大4.2%、 15.5%和11.1%； 实测车辆模型的剪力作用效应相比公路-I级汽车荷载作用效应分别小15.4%、 5.3%和0.7%， 相比公路-II级汽车荷载作用效应分别大13.5%、 21.0%和24.5%. 可见， 采用公路-I级汽车荷载对福建省重载交通公路桥梁设计应是安全的， 而采用公路-II级汽车荷载对福建省重载交通公路桥梁设计则偏于不安全.

表8 实测车辆荷载模型与规范汽车荷载效应比较

4 结语

1) 对WIM实测数据的统计分析表明， 福建省典型重载交通公路以三轴及以上货车为主， 占比达99%以上， 且其中以6轴货车为主， 平均占比约为89%.

2) 不同类型的车辆总质量分布均表现出明显的单峰、 双峰或多峰特征.

3) 基于WIM实测数据， 建立了适用于福建省典型重载交通公路的车辆荷载模型； 该模型由总重力220 kN的双轴标准车和总重力610 kN的六轴重车组成.

4) 基于实测与规范模型的汽车荷载作用效应分析表明， 对福建省重载交通公路桥梁， 采用公路-I级汽车荷载标准进行结构设计总体上是安全的， 而采用公路-II级汽车荷载标准则偏于不安全.