武漢市集群橋梁車輛荷載特點分析與應用

李 成 鐘繼衛(wèi) 王亞飛 張文斌 陳文林

(橋梁結(jié)構(gòu)健康與安全國家重點實驗室1) 武漢 430034) (中鐵大橋科學院研究院有限公司2) 武漢 430034)

(武漢市城市橋梁隧道事務中心3) 武漢 430034)

0 引 言

目前國內(nèi)外關(guān)于公路車輛荷載方面的研究主要包括：①車橋耦合振動、橋梁疲勞，以及車輛荷載識別等基礎理論研究，多集中在理論推導和數(shù)值仿真．韓萬水等[1]對風-車-橋耦合振動國內(nèi)外學術(shù)研究進展和熱點前沿進行綜述，并探討相關(guān)研究不足和發(fā)展趨勢；余嶺等[2]采用冗余字典和稀疏正則化技術(shù)識別車輛荷載．②通過實測數(shù)據(jù)建立車輛荷載譜，開展橋梁結(jié)構(gòu)效應極值分布、疲勞分析，以及可靠度分析．Bin[3]根據(jù)四個等級高速公路實測動態(tài)稱重(WIM)數(shù)據(jù)，建立了車輛速度、重量統(tǒng)計模型；張明等[4]基于實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計出車輛荷載參數(shù)，建立分時段隨機車流荷載模型，并采用極值外推得到三跨連續(xù)梁橋的荷載最大效應；袁偉璋等[5]基于京珠、粵贛、渝湛三條高速公路車輛荷載動態(tài)稱重實測數(shù)據(jù)，采用蒙特卡羅法生成隨機車流，分析運營車輛荷載情況下既有橋梁結(jié)構(gòu)的可靠度．③車輛荷載建模、隨機車流、車輛模擬和車流量特征統(tǒng)計等．Soheil[6]基于中長跨度橋梁車橋交互簡化模型，利用隨機車流對橋梁結(jié)構(gòu)進行加載；陳智成[7]基于視頻信息實現(xiàn)橋上車輛荷載識別與建模；韓大章等[8]利用元胞自動機(CA)模擬車流及荷載參數(shù)，并將其加載橋梁結(jié)構(gòu)響應．

集群橋梁由于其分布較為分散、體量巨大、橋型眾多，需考慮集群化橋梁車輛荷載特點、時-空分布規(guī)律等展開研究．張冠華[9]探討了集群橋梁監(jiān)測方法；王亞飛等[10]基于武漢市智慧橋梁系統(tǒng)集群化監(jiān)測技術(shù)經(jīng)驗，對未來發(fā)展方向進行探討．

文中利用武漢市城市橋梁智慧管理系統(tǒng)(以下簡稱“智慧橋梁”)中的車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)，獲得了武漢市車輛荷載特點．通過定義超重車隊，提出了超重車隊上橋風險評估方法．針對集群橋梁超載車輛時-空分布特點，基于“智慧橋梁”科技治超成功經(jīng)驗，提出了車輛區(qū)域源頭治理、信用治超等理念，實現(xiàn)城市重載交通的智慧管控．

1 武漢市車輛荷載特點

武漢市三環(huán)線是客、貨混運的城市主干道，由20多座大型互通立交和高架橋梁組成，交通壓力大、車輛組成復雜．為提升城市集群橋梁重載交通智慧化管理水平，武漢市于2018年建成“智慧橋梁”，其中包含92處車輛自動監(jiān)測測站，覆蓋三環(huán)線上28座重點橋梁上橋匝道，測站分布見圖1，目前系統(tǒng)已穩(wěn)定運營3年，采集了海量的車輛位置、車速、車重、軸重、軸數(shù)、車長、車牌等車輛信息．

圖1 “智慧橋梁”車輛監(jiān)測站點分布圖

1.1 車流量分布規(guī)律

圖2為近3年來各測站小時平均車流量，區(qū)間為70～1 200輛/h．除法定節(jié)假日外，工作日車流量呈雙峰狀態(tài)，早高峰集中在07:00—08:00，晚高峰集中在17:00—18:00，早晚高峰峰值流量800～1 200輛/h．春節(jié)假期及非工作日，車流量明顯減少，其中2020年1月23日—4月8日武漢“新冠肺炎”疫情封城期間，平均每天車流量不足100輛/h．

圖2 各測站小時平均車流量/(輛·h-1)

1.2 車型組成分析

車型按照用途可分為客車、貨車和專業(yè)運輸車，按照車軸可分為兩軸車、三軸車、四軸車、五軸車、六軸車等．車型組成可由車型比例、客貨比、主力車型進行描述．表1為武漢市車輛類型組成，各監(jiān)測站客貨比平均值8∶1，表明武漢市三環(huán)線主要以客運為主的城市主干道路．其中兩軸小客車、三軸貨車為主力車型．

表1 武漢市車輛類型組成

1.3 車長與總重聯(lián)合概率密度

表2和圖3為各車型和六軸車的車長(車重)峰值分布情況，呈多峰分布，車長與車輛載重能力呈正相關(guān)．車長(車重)概率分布可分別由各種典型車長(車重)組成，符合混合高斯分布，為

表2 各車型車長及車重峰值分布

圖3 六軸車車長及車重概率密度圖

(1)

式中：fi(x)為第i種典型車長(車重)的正態(tài)分布函數(shù)，服從fi(x)～N(μ,σ2)；x為車長(或車貨總重)；μ為x的期望；σ為x的方差．其中車輛荷載尾部分布(超載車輛荷載)服從極值Ⅰ型分布，該部分車輛荷載對橋梁危害最大，需重點關(guān)注．

1.4 軸重占比分析

城市中小跨徑橋梁由于恒活載比例較小，除了限制車輛總重，還需要對軸重進行限重，軸重對路面及橋梁結(jié)構(gòu)局部安全有較大影響．同時軸重占比是車輛荷載譜中重要參數(shù)，表3和圖4分別為各種車型軸重占比和其中三軸車各軸重占比分布情況，可看出軸重占比離散性低、分布集中．

圖4 三軸車各軸軸重占比分布擬合情況

表3 各車型軸重占比

1.5 車間距概率模型

車輛荷載分布密度嚴重影響結(jié)構(gòu)受力．不同橋梁、不同時間段內(nèi)車流量密度差別較大，車輛間距較難測量，采用車輛通過時刻t和車輛速度v來計算車輛間距，即

l=(t2-t1)×v1

(2)

式中：t2為后車的通過時刻；t1為前車通過時刻；v1為前車通過速度．

由“智慧橋梁”所有測站監(jiān)測到的100多萬輛車輛行駛數(shù)據(jù)得到車輛間距概率分布模型.

(3)

車間距x服從對數(shù)正態(tài)分布X～lgN(x,σ2)，μlnx=4.29為車間距x對數(shù)的期望值，σlnx=1.12為車間距x對數(shù)的方差．車間距極大似然值為72.96 m，平均車間距為746.91 m．

2 超載車輛時-空分布規(guī)律分析

2.1 超載車輛構(gòu)成及超載水平

根據(jù)交通部《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》(交通運輸部令2016年第62號)，不同車型超限車輛具體認定標準見圖5．引入超載車輛比例、超載率兩個參數(shù)對超載指標進行量化：

(4)

(5)

由各監(jiān)測站近3年實測車輛數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到的超載車比例、超載率見圖6．

圖6 超載車輛占比及超載水平

2.2 超載車輛分時分布規(guī)律

圖7為2020年11月—2021年2月篩查出的76 097輛·次總重超過55 t的超載車輛分時圖，超載車輛夜間出行數(shù)量占比77.5%，并且在凌晨03:00—05:00范圍內(nèi)分布集中．

圖7 超載車輛分時分布規(guī)律

2.3 超載車輛空間分布規(guī)律

超載車輛空間分布情況直接影響附近橋梁結(jié)構(gòu)的安全，武漢市超載車輛空間分布主要集中在青山鋼鐵化工、關(guān)山、堤角、古田物流、白沙洲工業(yè)區(qū)，由此可見三環(huán)線是串聯(lián)各工業(yè)區(qū)的主要通道和入城環(huán)路，區(qū)域資源及貨運需求旺盛，貨運車輛載重較大，對附近橋梁結(jié)構(gòu)帶來安全隱患．此外，從超載車輛車牌分布情況來看，湖北省籍車輛16 799輛，占比67%，其次是河南省、山東省、安徽省、河北?。?/p>

3 超重車隊過橋風險概率評估

單車超載一般不會導致橋梁結(jié)構(gòu)超載，僅影響橋梁耐久性和疲勞損傷，但由多輛超載車輛組成超重車隊同時過橋風險極大，嚴重時會導致橋梁結(jié)構(gòu)整體破壞或傾覆．

根據(jù)車頭時距分布情況、現(xiàn)場調(diào)查取證，以及司機剎車反應時間，確定車隊車頭時距T<5 s．三環(huán)線匝道橋梁多為1～2車道的連續(xù)梁橋，跨度20～30 m，按照2車道30 m跨徑橋梁，其設計車道荷載為103 t，基于此本文定義超重車隊為前后車單車質(zhì)量均>55t的條件．若行駛車隊同時滿足上述條件即可認定為超重車隊．

通過超重車隊過橋的頻次和人類認知角度出發(fā)，以其出現(xiàn)頻次為1/103和1/104為界，將風險水平劃分為高風險、中風險和低風險，并以此評判指標對風險進行評估．

三種風險水平為

高風險：

(6)

中風險：

(7)

低風險：

(8)

利用“智慧橋梁”中近5 000萬輛車輛監(jiān)測數(shù)據(jù)，得到各橋風險水平見圖8．

圖8 超重車隊過橋風險概率分布

4 重載車輛科技治超及智慧管控建議

目前，武漢市通過“智慧橋梁”進行科技治超的流程見圖9．流程目前已實現(xiàn)全流程打通，但由于涉及跨部門溝通協(xié)調(diào)、人員調(diào)配等問題，導致現(xiàn)場治超覆蓋面仍不足，另外由于缺乏相關(guān)法律依據(jù)，僅對部分車輛進行約談，仍未實施相關(guān)懲戒措施．雖然，科技治超仍面臨巨大挑戰(zhàn)，但智慧管控的大趨勢并未改變，后續(xù)建議政府職能部門之間建立順暢的溝通渠道，將聯(lián)合執(zhí)法常態(tài)化．

圖9 “智慧橋梁”系統(tǒng)科技治超流程圖

5 結(jié) 論

1) 武漢市三環(huán)線是以客運為主的城市主干道路，客貨比為8∶1，其中兩軸小客車和三軸大貨車為主力車型．車長、車重呈多峰分布，符合混合高斯分布，車間距符合對數(shù)正態(tài)分布．

2) 武漢市車輛超載仍屬于普遍現(xiàn)象，六軸車和四軸車為主力超載車型，占比為96%．三軸以上的中型貨車超載率均在25%以上，六軸車平均超載率達到41%，車輛超載率隨車輛軸數(shù)增加而增大，表明軸數(shù)越多的車輛越容易超載．

3) 超載車輛夜間出行數(shù)量占比77.5%，在凌晨03:00—05:00范圍內(nèi)分布集中，其空間分布區(qū)域與武漢市各大工業(yè)區(qū)分布位置高度吻合．

4) 提出了超重車隊定義條件，以其出現(xiàn)頻次定義風險，并將風險劃分為高風險、中風險、低風險三個水平，并用于橋梁結(jié)構(gòu)超重風險排序．