天津市公路橋梁疲勞荷載譜初探

□文/蘇改英

隨著交通運輸迅猛發(fā)展，公路、鐵路和城市道路上行駛車輛噸位和速度均不斷提高，交通荷載引起橋梁結構疲勞累積損傷而發(fā)生的公路橋梁破壞日益受到關注，要求對橋梁結構的疲勞壽命及疲勞可靠性進行細致的分析和評估。

橋梁疲勞設計

橋梁結構疲勞是指橋跨構件在交通車輛往復荷載作用下產生累積損傷，形成疲勞裂紋，疲勞裂紋的擴展使得構件在較低的應力水平發(fā)生斷裂破壞，疲勞引起的斷裂破壞往往在低應力水平下突然發(fā)生。與結構強度設計不同，橋梁疲勞設計所采用的荷載不應是橋梁結構所承受的最不利荷載組合，而應采用往復作用的交通車輛荷載，根據(jù)往復荷載作用下構件應力或應變變化的幅值，計算它們所引起的疲勞累積損傷。因此，準確、合理的交通荷載頻值譜即橋梁的疲勞荷載譜是橋梁結構疲勞設計的基礎。當然，要將在設計基準期內通過橋梁的所有車輛荷載都一一列出來是不可能的，所以，就需要通過統(tǒng)計分析確定用作橋梁疲勞設計的“典型車編組”，即所謂的“疲勞車”。

目前，英國、美國、德國、日本等都在各自的橋梁設計規(guī)范中給出了相應的疲勞設計車輛荷載譜。但是，由于中國公路的交通狀況與發(fā)達國家相比還有一定的差距，由疲勞所導致的公路橋梁破壞并不多見，所以在這方面開展的研究相對較少。對于公路和城市道路橋梁，我國規(guī)范還沒有制定疲勞設計的車輛荷載譜。

國際上目前對公路鋼橋疲勞設計所用的荷載一般有 3種形式[1～3]。

（1）車輛荷載頻值譜。它是通過對公路橋梁的交通量調查得出的日常各種典型車輛的荷重和出現(xiàn)的相對頻率。

（2）由第一種形式簡化而來一輛標準疲勞車。

（3）采用靜力強度設計時標準活載中的一輛重型車輛。

本文通過對天津市外環(huán)線典型路段進行的24 h交通量觀測調查，統(tǒng)計出包含5種車型的車輛荷載頻值譜，并根據(jù)等效疲勞損傷原理，將其簡化成為只含有2種標準車型的實用疲勞荷載頻值譜。

交通量調查

交通量調查路段及周邊環(huán)境

交通量調查路段選為天津市外環(huán)線程華里路段由東南向西北的單行線，見圖1。

圖1 交通量調查路段及周邊環(huán)境示意

外環(huán)線跨越空間廣闊，是連接京滬高速、京晉高速、津濱高速及京津塘高速等的重要交通紐帶，每日往返于外環(huán)線上的重型卡車、大型客車流量大。外環(huán)線程華里路段毗鄰陽光100國際社區(qū)，處于一個客貨較為繁忙的地段，道路為雙向6車道。交通量調查的觀測點為圖2所示的a點，監(jiān)測車輛為通過a-b斷面的所有機動車輛，車輛行駛方向為箭頭所指方向。

圖2 交通量調查觀測位置示意

交通量調查方法

汽車對道路橋梁的荷載效應主要體現(xiàn)在軸數(shù)、軸重和軸距等荷載參數(shù)，因而與一般交通部門的調查內容有所不同的是除了在一定時間段內記錄各類車輛的交通量，還應包括車輛的上述荷載參數(shù)。限于客觀條件，交通量調查采用現(xiàn)場人工觀測結合事后查閱車輛技術手冊的方法，具體步驟如下。

（1）正式調查前，在現(xiàn)場作初步觀察，了解可能出現(xiàn)的車輛類型。根據(jù)現(xiàn)場觀察的結果，參考車輛技術手冊中的圖片及數(shù)據(jù)，將車輛分為5種類型作為正式調查時分類統(tǒng)計的依據(jù)。見表1。

表1 交通量調查車輛分類

表1中V1是指所有總重＜30 kN的小型車輛，它們對道路橋梁的疲勞損傷影響很小，故都歸在一類；V2和V3是兩軸貨車，區(qū)別是載質量不同。

（2）正式調查時，取24 h進行現(xiàn)場觀測。觀測由具有相關專業(yè)知識的試驗人員利用攝像器材現(xiàn)場采集交通數(shù)據(jù)，然后根據(jù)影像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計記錄。

（3）調查完成后，將每類車輛中出現(xiàn)頻率較高的車型作為代表，依據(jù)有關車輛技術手冊以及相關規(guī)范，確定各種車輛的載質量和尺寸。

盡管每一類別的車輛有不同的車型，但各生產廠家都有較統(tǒng)一的基本標準，車輛軸重、軸距和輪距等參數(shù)差別不大，因此，為簡化處理，取現(xiàn)場出現(xiàn)頻率最高的車型作為該類別車輛的代表具有平均意義。另外，根據(jù)手冊查得車輛名義額定荷重與現(xiàn)場車輛的實際荷重不一定相符，但是，現(xiàn)場車輛的裝載情況無非兩種，一是空載（空車）；二是非空載，包括欠載、滿載和超載，雖然超載屬交通違章是不允許的，但因難以查驗而實際上是較普遍存在的，這樣各個類別的非空載車輛荷重可認為是在滿載的額定值上下波動。對交通量調查時觀察到各類非空載車輛按其名義額定荷重取值，基本上代表了各類車輛荷重總體上的平均情況?？梢姡m然以上交通量調查方法中采用的車輛參數(shù)可能與現(xiàn)場實際情況略有出入，但基本能反應該路段實際交通荷載情況。

交通量調查結果分析

先后對外環(huán)線程華里路段進行了3次分時段間隔觀測，均為晴天，車輛行駛通暢。調查結果見表2。

表2 24 h交通量調查結果

交通量調查中，各類車輛的空車率均取為20%，將其作為等效荷重計算的空車荷重的權數(shù)。日本對某些橋梁的交通調查中得到的各類車輛空車率基本相差不多。

通過對調查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，每天7：00—9：00和17：00—19：00為所調查路段客貨流量最高峰。

簡化的車輛荷載頻值譜

表2已經代表了一組車輛荷載頻值譜，但由于車輛類別較多，直接用于橋梁結構疲勞設計較為繁瑣，因此，可根據(jù)等效疲勞損傷原理進行簡化，以提煉出更為實用的模型車輛荷載頻值譜[4～6]。具體方法如下。

（1）對表2中的5類車輛進行再分類，將相同軸數(shù)的車輛合并為同一類，分別對重新確立起來的每一類車輛建立一種模型車輛。V1類的輕小型客貨車因總重＜30 kN，對道路橋梁的疲勞損傷影響較小，忽略不計。

（2）按照等效疲勞損傷原理，求出每種模型車輛中各個軸的等效軸重，各個等效軸重之和即為模型車輛的等效總重。等效軸重的計算公式為

式中：f i為歸在同一類車輛中的第i輛車的相對頻率，%；Wij為第i車輛的第j個軸的軸重，kN；Wej為該類模型車輛第j軸的等效軸重，kN。公式（1）與鋼結構疲勞設計中等效應力幅的計算原理一致，指數(shù)3為鋼結構構造△σ－N細節(jié)曲線的斜率。

（3）以歸在同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對頻率作為權數(shù)，按長度的加權平均值求出該類模型車輛的長度。采用的公式為

式中：Ai為歸在同一類車輛中的第i輛車的長度，m；Aj為該類模型車輛的長度，m。

根據(jù)上述方法，將表2中軸數(shù)相同的各類車輛合并，重新分成軸數(shù)為2和3的兩個類別，見表3。

表3 模型車輛分類表

經過統(tǒng)計分析，將表3轉化為實用荷載頻值譜，見表4。表4即為包括2種模型車輛的實用交通疲勞荷載頻值譜，可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設計。

表4 實用交通疲勞荷載頻值譜

結論

隨著我國經濟的發(fā)展，城市道路交通流量及車輛荷重均有了較大的變化。本文通過對天津市外環(huán)線典型路段進行的24 h交通量觀測調查得出的實用疲勞荷載頻值譜可以用于天津市公路橋梁的疲勞分析和疲勞設計。

[1]童樂為，沈祖炎，陳忠延.城市道路橋梁的疲勞荷載譜[J].土木工程學報，1997，30（5）：20-27.

[2]王春輝，池 春，陳慶中，等.廣州市高架橋疲勞荷載車輛模型研究[J].華南理工大學學報（自然科學版），2004，32(12)：94-96.

[3]任 劍，趙人達，毛學明.公路橋梁疲勞荷載譜初探[J].四川建筑科學研究，2007，33（1）：34-37.

[4]Chot ickai Piya,Bowman Mark D.Tr uck model s f or impr oved f atigue l i f e pr edict ions of steel bridges[J].Jour nal of Bridge Engineering，2006,11（1）：71-80.

[5]Laman Jef f r ey A,Nowak Andr zej S.Fat igue-Load Model s f or Girder Bridges[J].Journal of Str uct ur al Engineer ing，1996,122（7）：726-733.

[6]Z X Li,Chan T H T,Ko J M.Fat igue damage model for br idge under t r af f ic l oading appl icat ion made t o Tsing Ma Bridge[J].Theoret ical and Appl ied Fr acture Mechanics，2001,35（1）：81-91.