基于WIM的超重車特性及其荷載效應(yīng)計(jì)算分析*

劉 浪 任青陽(yáng) 唐光武

(重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地1) 重慶 400074) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2) 重慶 400074) (橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3) 重慶 400074)

基于WIM的超重車特性及其荷載效應(yīng)計(jì)算分析*

劉 浪1,2,3)任青陽(yáng)2)唐光武3)

(重慶交通大學(xué)山區(qū)橋梁與隧道國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地1)重慶 400074) (重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院2)重慶 400074) (橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室3)重慶 400074)

為獲取重型交通荷載特性以及重車過(guò)橋全過(guò)程造成的荷載效應(yīng)，收集了美國(guó)加州兩座重工業(yè)區(qū)橋梁以及我國(guó)新疆自治區(qū)一座公路橋梁WIM數(shù)據(jù)，利用美國(guó)聯(lián)邦政府超重車規(guī)定提取了其中超重荷載樣本，對(duì)超重車輛類型及分布等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析.基于隨機(jī)過(guò)程理論提出了考慮多車道車輛并行荷載效應(yīng)計(jì)算模型，利用WIM數(shù)據(jù)中的動(dòng)態(tài)信息還原車輛間相對(duì)位置，計(jì)算其產(chǎn)生的疊加荷載效應(yīng)，并與公路I級(jí)設(shè)計(jì)荷載對(duì)應(yīng)效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比.結(jié)果表明，超重車引起的荷載效應(yīng)較規(guī)范值大，且跨長(zhǎng)越長(zhǎng)，重車并行疊加荷載效應(yīng)越突出.

公路橋梁；超重車特性；荷載效應(yīng)計(jì)算模型；WIM

0 引 言

影響橋梁結(jié)構(gòu)安全性和耐久性的因素眾多，其中重載交通是導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)開裂、破壞和耐久性下降的關(guān)鍵因素[1-2].目前各國(guó)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中的交通荷載形式和等級(jí)都遠(yuǎn)落后于實(shí)際運(yùn)營(yíng)車輛情況[3]，正確評(píng)估在役橋梁是否具備重車通行承載能力就顯得更加重要.因此，通過(guò)系統(tǒng)全面的交通情況分析，研究重型車輛荷載特性，準(zhǔn)確計(jì)算其產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，與現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)荷載對(duì)比，從而衡量在役橋梁的承載能力具有十分重要的意義.

傳統(tǒng)荷載研究方法主要依靠人工稱重調(diào)查或蒙特卡洛隨機(jī)車流模擬，以考慮車輛靜態(tài)信息，如總重、軸重和軸距等為主，所獲數(shù)據(jù)無(wú)法反映車輛真實(shí)運(yùn)行情況，特別是多車道車輛間的橫向位置.事實(shí)上，多車道車輛并行往往會(huì)產(chǎn)生較大的疊加效應(yīng)[4-5].尤其多輛重車同時(shí)在橋跨上并行，產(chǎn)生的疊加荷載效應(yīng)將對(duì)橋梁構(gòu)件造成極大威脅.現(xiàn)在，動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)(weight in mmotion,WIM)的快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，為重新認(rèn)識(shí)車輛荷載提供了有力的技術(shù)支撐.WIM系統(tǒng)除采集車重、軸重和軸距等靜態(tài)信息外，還能采集車輛到達(dá)時(shí)刻、速度、車道數(shù)等動(dòng)態(tài)信息，完全可以真實(shí)再現(xiàn)車輛過(guò)橋場(chǎng)景.本文利用收集到的實(shí)測(cè)WIM數(shù)據(jù)，定義并提取其中超重車輛信息，對(duì)其荷載特性進(jìn)行分析；基于馬爾科夫鏈隨機(jī)過(guò)程理論，建立多車道車輛流荷載效應(yīng)計(jì)算模型，利用提取的重車動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)(車輛到時(shí)、行駛速度和車道數(shù))，還原車輛在橋跨上的相對(duì)位置，計(jì)算其疊加荷載效應(yīng)并與規(guī)范進(jìn)行對(duì)比.

1 超重車輛定義及其特性分析

1.1 超重車判別標(biāo)準(zhǔn)

我國(guó)交通部規(guī)定將車輛總長(zhǎng)、總重或軸重作為超重車判別標(biāo)準(zhǔn)，供交通管理或管制時(shí)稱量使用.這種簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)點(diǎn)在于方便快捷，但對(duì)于研究分析超重車荷載特性工作來(lái)說(shuō)，顯得過(guò)于簡(jiǎn)化和粗略.美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)AASHTO規(guī)定，除聯(lián)邦政府規(guī)定的基本合法載重外，各州交通廳DOT可根據(jù)實(shí)際交通情況制定許可載重標(biāo)準(zhǔn)，包括不限制通行載重、年度許可通行載重和臨時(shí)許可通行載重三類.相關(guān)研究表明，只要車輛軸間距分布得當(dāng)，即使總重較大的車輛也可以安全地通行.為此美國(guó)聯(lián)邦法律引入了聯(lián)邦橋梁公式(federal bridge formula,FBF)，用來(lái)判斷車輛是否超重，并規(guī)定只要軸重和軸距分布合理，那么重車就可以合法地不受限通行，不會(huì)導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變及變形超過(guò)設(shè)計(jì)值[6].FBF規(guī)定滿足以下四個(gè)要點(diǎn)即為非超重車：①車輛單個(gè)軸重不超過(guò)20 000 lb；②車輛任何兩個(gè)雙聯(lián)型車軸，每個(gè)軸重不超過(guò)34 000 lb；③車輛總重不超過(guò)80 000 lb；④將多根軸順次組合起來(lái)，逐個(gè)計(jì)算其總重是否均小于最大允許載重，最大允許載重計(jì)算公式為

(1)

式中：W為最大允許載重，lb；L為車輛任意兩個(gè)相鄰車軸的間距，ft；N為所組合的車軸數(shù)目.

顯然，除車輛總重會(huì)對(duì)橋梁產(chǎn)生影響外，重載在橋跨上的分布也十分重要，只要車軸間距分布得當(dāng)，滿足FBF要求，車輛便可最大限度地載重通行.從荷載構(gòu)成和空間分布角度來(lái)看，F(xiàn)BF公式更為科學(xué)合理，因此本文將使用該公式作為超重車與普通車的分類標(biāo)準(zhǔn).

1.2 超重車荷載特性分析

本文收集到2011-2013年美國(guó)加州2座橋梁(95站點(diǎn)和96站點(diǎn))和我國(guó)新疆1座公路橋梁實(shí)測(cè)WIM共108個(gè)月數(shù)據(jù)包.上述橋梁均位于工業(yè)開發(fā)區(qū)，屬當(dāng)?shù)亟煌ㄒ?，詳?xì)地理位置可參閱美國(guó)加州州交通廳官網(wǎng)規(guī)劃圖.為保證交通流量穩(wěn)定性和代表性，以年度為單位，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行初始處理，按照FBF公式逐個(gè)判斷每輛車是否超重，分析不同車型的超重荷載分布及特點(diǎn).本文用自行編制開發(fā)的FORTRAN及MATLAB程序分析了美國(guó)加州站點(diǎn)交通荷載及超重車分布情況見表1～2，中國(guó)新疆站點(diǎn)見表3.

表1 美國(guó)加州95站點(diǎn)交通荷載及超重車分布 輛

表2 美國(guó)加州96站點(diǎn)交通荷載及超重車分布 輛

由表1～3可知，加州及我國(guó)橋梁上出現(xiàn)最多的均為2軸和5軸車，其中以5軸車超重最為突出，其次為3軸、4軸車；2軸車雖然出現(xiàn)頻率最高，但超重不明顯.從年超重率來(lái)看，位于重工業(yè)區(qū)的橋梁不但車流量大，而且超重車通行較多.圖1給出了加州95站點(diǎn)各類型超重車總重分布情況，圖中橫坐標(biāo)以5 kN為直方圖統(tǒng)計(jì)單位，縱坐標(biāo)表示車輛總重落入各重量區(qū)間的頻率.圖中9軸和10軸車最大重量高達(dá)1 000 kN左右，超重頻率最高的5軸車主要集中在300～400 kN之間.限于篇幅，正文不再給出另外2個(gè)站點(diǎn)的詳圖，總體情況類似，但中國(guó)WIM數(shù)據(jù)中沒有監(jiān)測(cè)到6軸以上的車輛，故最大重量約700 kN左右.另外從超重車通行時(shí)間及行駛速度的分析來(lái)看，主要集中在晚上19:00—24:00之間，尤其是22:00左右，且行駛速度一般在50 km/h左右.

表3 中國(guó)新疆站點(diǎn)交通荷載及超重車分布 輛

2 考慮多車道車輛并行荷載效應(yīng)計(jì)算方法

圖2 多車道車輛荷載效應(yīng)影響線計(jì)算方法示意圖

研究表明，可更新的馬爾科夫鏈較適宜于模擬多車輛并行隨機(jī)過(guò)程[7].本文用影響線加載方法編譯FORTRAN程序，連續(xù)讀入N輛車組成一個(gè)車隊(duì)，將中間那輛車(下稱主車Tm)置于彎矩或剪力影響線最不利位置，計(jì)算出主車的最大荷載效應(yīng)Em，其余車輛按照到時(shí)順序及與主車的車頭距依次排放在影響線上，再根據(jù)橋跨的計(jì)算長(zhǎng)度來(lái)判斷與主車在同一跨長(zhǎng)內(nèi)并行的車輛.根據(jù)車輛行使的車道數(shù)，分為同車道前后并行和異車道橫向并行兩種情況,見圖2.Tb與主車Tm同車道前后并行，Ta和Tc和Td則與Tm異車道橫向并行.在計(jì)算多車道總荷載效應(yīng)時(shí)，應(yīng)將各車產(chǎn)生的荷載效應(yīng)Ex乘以分布系數(shù)[8]疊加至主車荷載效應(yīng)Em上；在計(jì)算單車道上的荷載效應(yīng)，則只需疊加該車道上車輛荷載值.然后將車隊(duì)順勢(shì)延后，即讀入一輛新車并釋放原車隊(duì)的第一輛車，組成一個(gè)新的車隊(duì)，主車變?yōu)樵o跟Tm那輛車，車隊(duì)其余車輛不變.以此類推，直到車流中的每一輛車都輪流做一次主車來(lái)進(jìn)行計(jì)算，最后排序所有車隊(duì)引起的荷載效應(yīng)找出其中最大值.

3 超重車輛荷載效應(yīng)計(jì)算

按照上節(jié)荷載效應(yīng)影響線計(jì)算方法，讀入提取的超重車WIM數(shù)據(jù)，計(jì)算其產(chǎn)生的荷載效應(yīng)，并與現(xiàn)行規(guī)范進(jìn)行對(duì)比.鑒于文中數(shù)據(jù)主要采集自普通簡(jiǎn)支梁橋，故本文按照簡(jiǎn)支梁橋影響線方法計(jì)算重車荷載效應(yīng)，見圖3～5.由圖3～5可知，與文獻(xiàn)[9]中規(guī)定的公路-I級(jí)荷載相比，無(wú)論是美國(guó)還是中國(guó)，由超重車造成的荷載效應(yīng)都遠(yuǎn)大于規(guī)范值.隨著跨長(zhǎng)的增大，跨中彎矩及剪力都有明顯增大趨勢(shì).充分說(shuō)明長(zhǎng)跨橋上重車并行概率增加，引起的疊加荷載效應(yīng)十分突出.因此，對(duì)處于重工業(yè)區(qū)且常用重型車輛通行的橋梁，無(wú)論在設(shè)計(jì)還是承載力評(píng)估時(shí)都應(yīng)適當(dāng)考慮重載通行造成的影響.

圖3 加州95站點(diǎn)超重車荷載效應(yīng)與公路I級(jí)荷載對(duì)比

圖4 加州96站超重車荷載效應(yīng)與公路I級(jí)荷載對(duì)比

圖5 中國(guó)新疆超重車荷載效應(yīng)與公路I級(jí)荷載對(duì)比

4 結(jié) 論

1) 加州及我國(guó)橋梁上出現(xiàn)最多的均為2軸和5軸車，其中以5軸車超重最為突出，其次為3軸、4軸車；2軸車雖然出現(xiàn)頻率最高，但超重不明顯.

2) 超重車的通行時(shí)間主要集中在晚上19:00～24:00之間，高峰出現(xiàn)在22:00左右，且行駛速度較為緩慢，大約在50 km/h左右.

3) 從年超重率來(lái)看，位于重工業(yè)區(qū)的橋梁不但交通流量大，而且超重車通行較多.其中最大重量高達(dá)1 000 kN左右，超重頻率最高的5軸車主要集中在300～400 kN之間.

4) 與現(xiàn)行規(guī)范對(duì)比結(jié)果表明，無(wú)論是美國(guó)還是中國(guó)，由超重車造成的荷載效應(yīng)都遠(yuǎn)大于規(guī)范設(shè)計(jì)值，且跨長(zhǎng)越長(zhǎng)，該趨勢(shì)越明顯.

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A WIM-based Analysis of Characteristics of Overload Trucks and Their Load Effects

LIU Lang1,2,3)REN Qingyang2)TANG Guangwu3)

(StateKeyLaboratoryBreedingBaseofMountainBridgeandTunnelEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)1)(SchoolofCivilEngineering,ChongqingJiaotongUniversity,Chongqing400074,China)2)(StateKeyLaboratoryofBridgeEngineeringStructuralDynamic,Chongqing400074,China)3)

In order to analyze the characteristics of overload trucks as well as their load effects induced by the entire process of running on bridges, Weight-in-Motion data are collected from two bridges located in industrial areas of California and one bridge in Xinjiang, China. The American Federal Bridge Formula is selected as a reference to filter the WIM data and then the types and distribution of overload trucks are analyzed. Furthermore, based on the theory of random process, a new computation model is proposed, considering the multiple load effects caused by overload trucks running on different lanes. Compared with highway Class I design load specified in the bridge code, the multiple load effects induced by overload trucks are much larger, which becomes more significant when the span length increases.

highway bridges; characteristics of overload trucks; load effect computation; WIM

2017-06-19

*中國(guó)博士后科學(xué)基金 (2015M582751XB)、重慶市博士后項(xiàng)目(Xm2016013)、山區(qū)橋梁與隧道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地開放基金(CQSLBF-Y16-2)、橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(201505)資助

U442.5

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.04.006

劉浪(1985—)：女，博士，講師，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄嚎煽慷?、車輛荷載、橋梁抗震