基于汽車荷載適宜性的公路橋梁設(shè)計(jì)方法

張倪健

(上海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200040)

橋梁工程

基于汽車荷載適宜性的公路橋梁設(shè)計(jì)方法

張倪健

(上海工程勘察設(shè)計(jì)有限公司，上海 200040)

總結(jié)了我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展歷程及其研究背景，在我國(guó)目前汽車超載和重載問(wèn)題非常普遍的現(xiàn)實(shí)條件下，提出結(jié)合實(shí)測(cè)汽車荷載信息開(kāi)展橋梁設(shè)計(jì)的思路，探討了不同跨徑橋梁的汽車荷載效應(yīng)分析方法，討論了車輛限載的影響，從而歸納了公路橋梁設(shè)計(jì)的汽車荷載適宜標(biāo)準(zhǔn)，為更加準(zhǔn)確的橋梁設(shè)計(jì)與評(píng)估提供參考。

橋梁設(shè)計(jì)；汽車荷載；活載標(biāo)準(zhǔn)；安全性

1 我國(guó)公路橋梁設(shè)計(jì)的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)

汽車荷載反應(yīng)了目前社會(huì)上運(yùn)營(yíng)車輛的荷載水平和等級(jí)，當(dāng)車輛類型不過(guò)，車輛載重完全按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，汽車荷載的標(biāo)準(zhǔn)就是根據(jù)這些運(yùn)營(yíng)車輛提取的單個(gè)車輛或者一個(gè)車隊(duì)，我國(guó)1989年《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTJ 021-89)中的荷載模型就是通過(guò)市場(chǎng)調(diào)研及相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)獲得，其55 t車輛荷載模型就是通過(guò)基于市面上運(yùn)輸?shù)淖畲筝d重車輛確定，其車隊(duì)荷載模型中各種噸位的車輛(10 t、15 t、20 t 、30 t、55 t)也都是通過(guò)對(duì)市場(chǎng)運(yùn)營(yíng)車輛載重大量調(diào)查獲取的，代表了當(dāng)時(shí)車輛的載重狀況。

然而，當(dāng)車輛運(yùn)輸存在顯著的隨機(jī)性時(shí)，特別是在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的刺激下，車輛運(yùn)輸荷載具有很大不確定性，很多原本只能裝載20 t的車輛經(jīng)過(guò)各種改裝能夠裝載100 t以上，這使得市面上運(yùn)輸?shù)能囕v荷載不確定，因此汽車荷載模型不再是根據(jù)荷載本身進(jìn)行定義，而是根據(jù)汽車荷載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的效應(yīng)進(jìn)行反演計(jì)算，我國(guó)2004規(guī)范的汽車荷載模型就是基于這一思路確定。《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG D60-2004)車輛荷載模型建立采用的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)是北方207、328、305、101四條國(guó)道連續(xù)5個(gè)白天測(cè)量結(jié)果，分一般運(yùn)營(yíng)狀態(tài)和密集運(yùn)營(yíng)狀態(tài)將實(shí)測(cè)車輛組成車隊(duì)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響線(簡(jiǎn)支梁、連續(xù)梁等)加載計(jì)算，通過(guò)樣本的K-S檢驗(yàn)說(shuō)明了效應(yīng)的截尾分布模型，并以此確定一定保證率水平下(設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期95%最大值保證率)的荷載響應(yīng)作為設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

隨著我國(guó)超載重載問(wèn)題越來(lái)越嚴(yán)重，多起因?yàn)檐囕v超載導(dǎo)致的橋梁垮塌事故也驗(yàn)證了這一點(diǎn)，2007年10月23日包頭市民族東路高架橋引橋垮塌事故由3輛151.05 t, 153.715 t, 151.48 t超載汽車并排序行駛所致，2012年8月24日哈爾濱陽(yáng)明灘大橋引橋垮塌由4輛149.7 t, 163.6 t, 153.3 t, 18.2 t重車排隊(duì)行駛造成，這些事故說(shuō)明橋梁實(shí)際運(yùn)營(yíng)的荷載水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)規(guī)范值，因此研究設(shè)計(jì)人員已經(jīng)意識(shí)到目前橋梁汽車荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)中小橋梁的不適宜性，新版《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTG-D60 2015)將原來(lái)的車道荷載集中力由5 m 180 kN提高到5 m 270 kN，此外許多地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范采用更大的荷載標(biāo)準(zhǔn)，以考慮地域貨運(yùn)的差別。

2 基于實(shí)測(cè)汽車荷載信息的橋梁設(shè)計(jì)

隨著傳感與計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)發(fā)展了諸多技術(shù)手段可以獲得橋梁或公路特定地點(diǎn)的荷載信息，其中動(dòng)態(tài)稱重(Weigh in Motion, WIM)技術(shù)大力發(fā)展。WIM技術(shù)是通過(guò)在道路表面埋設(shè)線圈和壓力傳感器，測(cè)試經(jīng)過(guò)的車輛序列，包含其車重、軸重、車長(zhǎng)、軸距、車速等車輛信息和車輛時(shí)距、交通流量、車輛跟馳等車流信息。經(jīng)過(guò)壓力傳感技術(shù)的發(fā)展，目前的WIM設(shè)備在不同道路狀況和行駛條件下，測(cè)試的參數(shù)誤差可達(dá)±3%，滿足不同條件下的車輛信息研究，也為適宜的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)提供了研究基礎(chǔ)。

通過(guò)WIM系統(tǒng)測(cè)試的汽車荷載數(shù)據(jù)，就可以提供該區(qū)域內(nèi)的車輛運(yùn)輸?shù)幕粳F(xiàn)狀，將車重、軸重、軸距、車速、車輛到達(dá)等信息建立數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)隨機(jī)車流模擬仿真任意給定時(shí)間內(nèi)的橋梁隨機(jī)加載車流，通過(guò)車流與橋梁影響線的計(jì)算分析，確定任意結(jié)構(gòu)效應(yīng)的荷載響應(yīng)，為汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)建立基礎(chǔ)。

2.1 汽車荷載效應(yīng)

汽車荷載針對(duì)中小橋梁和大橋顯著不同，由于超載車輛的作用，再加上中小橋梁上能夠排布的車輛數(shù)量不多，因此重車往往控制中小橋梁的設(shè)計(jì)，在目前的超載重載情勢(shì)下，需要根據(jù)實(shí)測(cè)車重信息確定合理的汽車荷載車重荷載等級(jí)，圖1是某一WIM系統(tǒng)測(cè)試的車重?cái)?shù)據(jù)，可以看到車重分布為顯著的多峰特性，且超過(guò)100 t以上車重的數(shù)量很多，說(shuō)明超載非常嚴(yán)重。因此對(duì)于中小橋梁的設(shè)計(jì)，就需要以這些采集的車重?cái)?shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行建模，分析橋梁荷載響應(yīng)，并截取荷載效應(yīng)尾部作為橋梁設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。

圖1 六軸車車重測(cè)試分布圖

大跨徑橋梁不利的車輛荷載作用是交通擁堵，因此需要模擬交通擁堵情況下的車輛荷載響應(yīng)，主要方法也是通過(guò)WIM測(cè)試獲得的車輛數(shù)據(jù)，通過(guò)交通仿真分析，引入微觀交通模擬方法，準(zhǔn)確地模擬車輛的跟馳、換道等行為，使得復(fù)雜交通環(huán)境下能夠模擬出重車排隊(duì)行駛等問(wèn)題，更加準(zhǔn)確地計(jì)算分析橋梁荷載響應(yīng)。

2.2 車輛限載問(wèn)題

由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的刺激效應(yīng)，車輛超載問(wèn)題非常嚴(yán)重，因而不可能完全按照超載汽車荷載進(jìn)行橋梁設(shè)計(jì)，這將使得超載變得合法合理，會(huì)進(jìn)一步刺激超載問(wèn)題，是一個(gè)惡性社會(huì)循環(huán)問(wèn)題。因此，需要進(jìn)行車輛限載分析。

車輛限載也是涉及多方面的復(fù)雜問(wèn)題，如果限載水平較低，則使得車輛通行受到的限制很大，不能發(fā)揮公路的建設(shè)要求；如果限載水平很高，則可能達(dá)不到保護(hù)橋梁使用壽命的要求。具體的限載噸位，一方面需要根據(jù)橋梁的使用功能確定其日交通量運(yùn)營(yíng)水平，另一方面結(jié)合區(qū)域交通特定確定現(xiàn)在噸位，最后根據(jù)橋梁可靠度分析方法，在獲得一致目標(biāo)可靠度的情況下明確車重限載的合理性。在車輛限載的基礎(chǔ)上，通過(guò)前述車流模擬方法，重新計(jì)算分析橋梁荷載響應(yīng)。

2.3 基于汽車荷載的橋梁設(shè)計(jì)

由于汽車荷載顯著的地域性，需要根據(jù)特定地點(diǎn)獲取的車輛荷載信息，確定合理適宜的汽車荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和等級(jí)，為橋梁設(shè)計(jì)與評(píng)估提供直接的參考?？梢灶A(yù)見(jiàn)，不同的服役交通量、重車水平、限載標(biāo)準(zhǔn)下，橋梁的汽車荷載響應(yīng)也有顯著差別，因此科學(xué)合理的汽車荷載設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該在考慮諸多影響因素下的結(jié)果，未來(lái)的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該是如下公式

Qk=η1η2…ηmqk

式中：qk是基本的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)，其型式就是目前D60規(guī)范的車輛荷載取值；η1η2…ηm是考慮特定地點(diǎn)特性的各種修正系數(shù)，例如考慮日均服役交通量不同、重車比率差異、限載標(biāo)準(zhǔn)不同等，而Qk則是設(shè)計(jì)和評(píng)估采用的汽車荷載標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

隨著研究與設(shè)計(jì)人員對(duì)橋梁車輛荷載作用認(rèn)識(shí)的深入，在目前我國(guó)車輛超載和重載問(wèn)題非常普遍的情況下，可以通過(guò)深入的橋梁車輛荷載作用分析，改善汽車荷載的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，為橋梁車輛荷載的設(shè)計(jì)與評(píng)估提供科學(xué)評(píng)估。

[1] 張作勝. 公路橋梁設(shè)計(jì)的荷載標(biāo)準(zhǔn)值適用性分析[J]. 湖南交通科技, 2015，(3): 110-114,157.

[2] 劉偉. 從汽車荷載適用性角度研討公路橋梁設(shè)計(jì)的方法[J]. 工程建設(shè)與設(shè)計(jì), 2016，(7): 144-146.

[3] 阮欣, 周軍勇, 石雪飛. 中法高速公路車流及荷載特性對(duì)比[J]. 同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 41(9): 1392-1397.

Adissertationondesignmethodofhighwaybridgebasedonsuitabletrafficloadstandard

ZHANG Ni-jian

(Shanghai Engineering Survey and Design Co., Ltd., Shanghai 200040，China)

The development of traffic load standard and their research background for bridge design is summarized. Based on the situation of vehicle overloaded and heavy-loaded, a new concept of bridge design based site-specific traffic load information is proposed. The traffic load effects of different bridge span lengths are analyzed and the impact of truck weight limit on load effects is also studied. Finally, the suitable traffic load standard for bridge design are concluded and discussed, which provides much accurate basis for bridge design and assessment.

bridge design;traffic load; live load standard; safety

2017-04-09

張倪健(1990-)，男，江蘇啟東人，助理工程師，從事橋梁設(shè)計(jì)與橋梁結(jié)構(gòu)抗震工作。

U442

A

1008-3383(2017)10-0093-02