山東省高速公路橋梁車輛荷載研究

邢振華，周廣利，劉恩廣，侯躍敏

（山東省交通科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250031）

引言

由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的不同，不同區(qū)域高速公路的交通荷載狀況存在一定的差異。我國設(shè)計規(guī)范中并未對以上的差異作明確的區(qū)分，因此，對既有區(qū)域或線路上的車輛荷載進(jìn)行有針對性地研究，不僅可以指導(dǎo)既有橋梁的養(yǎng)護(hù)和維修，而且對橋梁結(jié)構(gòu)的承載力評估和剩余壽命預(yù)測也有重要的指導(dǎo)意義。英國BS5400［1］較早地制定了鋼橋、混凝土橋基結(jié)合橋疲勞設(shè)計方法和疲勞車輛荷載模型，并在實踐中不斷的修正和完善。而我國對疲勞車輛荷載研究起步較晚，童樂為等［2-4］對上海、廣州等城市橋梁疲勞荷載進(jìn)行了研究，交通量調(diào)查采用現(xiàn)場人工或錄像觀測的方法，軸重數(shù)據(jù)通過調(diào)研或查閱車輛技術(shù)手冊的方法，總體樣本量小，信息粗略且難以反映長期效應(yīng)。隨著動態(tài)稱重技術(shù)系統(tǒng)（WIM）的日益成熟，孫守旺等［5-7］基于WIM 獲取的監(jiān)測信息，對城市道路、高速和國省干線橋梁疲勞荷載信息進(jìn)行了更深入的分析，建立了詳細(xì)的車重、車距、車道交通量、軸重和軸距的統(tǒng)計模型，對各種典型車型的疲勞損傷貢獻(xiàn)情況進(jìn)行了研究，并對橋梁的內(nèi)力分布規(guī)律進(jìn)行了研究。周泳濤等［8］以遼寧省的數(shù)據(jù)為例，介紹了規(guī)范制定過程中公路橋梁疲勞車輛標(biāo)準(zhǔn)車的建立方法和過程，確定了44.5 t 的標(biāo)準(zhǔn)車作為遼寧省標(biāo)準(zhǔn)疲勞車式樣。《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［9］增加了汽車疲勞荷載等標(biāo)準(zhǔn)值的規(guī)定，提出了3 種疲勞荷載的計算模型。

選取多個典型收費站，利用計重收費數(shù)據(jù)并結(jié)合路段的交通量觀測點的交通量調(diào)查數(shù)據(jù)，對車輛荷載信息進(jìn)行分析，從而得到區(qū)域性的高速公路車輛荷載信息，《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）修訂時汽車荷載搜集也采用類似的方法［9］。

1 車輛類型的劃分

高速公路車輛通行費以車型作為劃分依據(jù)，根據(jù)《收費公路車輛通行費車型分類》（JTT 489—2003）［10］規(guī)定，山東省高速公路通行中客車和貨車車型分類見表1。

表1 山東省高速公路收費車型分類

山東省內(nèi)高速通常采用軸組稱式計重收費系統(tǒng)，以車輛軸重共稱完成軸組稱重，累加各軸組的重量得到整車重量，同時，軸數(shù)和輪胎識別器可軸組進(jìn)行識別，因此，通過收費站計重數(shù)據(jù)，可直接得到車型、軸數(shù)、車輛總重、軸組類型和對應(yīng)軸重等車輛荷載信息［11］。通過對3 個高速收費站軸型數(shù)據(jù)分析，按照軸型組合對車輛類型分類，山東省內(nèi)高速公路主要存在10 種車型見表2，車輛軸型分類標(biāo)準(zhǔn)［12］見表3。

表2 按照軸組分類的車型編號

表3 車輛軸型分類和說明

2 按車型分類的荷載狀況分析

對3 個收費站出口的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類匯總，對客車和貨車的交通量進(jìn)行分析，表4 給出了3 個收費口客車和貨車的占比情況。3 個收費口車輛組成中，客車均以客1 車型為主，占客車交通量的94.41%～97.70%，貨車以貨5 車型為主，占到了貨車交通量的50.29%～75.48%，但是由于3 個收費站所處的位置不同，客1 和貨5 車型在總交通量的占比有所不同，其中G20 淄博口客1 占比最高，達(dá)69.65%，而對應(yīng)的貨5 車型的占比僅為14.44%，而G20 魯冀界的貨5 占比最高，達(dá)44.66%，而G3 魯蘇界收費站在3 個收費口中，客1 和貨5 的占比均在居中位置。

表4 各車型的交通量及占比

根據(jù)車輛軸數(shù)進(jìn)行的交通量統(tǒng)計結(jié)果見表5，3個收費口均以2 軸車和6 軸車為主，兩者之和占據(jù)了總交通量的91.46%～96.11%，其它車型占比均相對較小。

表5 各軸型車輛的交通量及占比

通過對比客貨車型和軸數(shù)占比可以看出，G20淄博口2 軸車的占比為83.01%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為82.76%，5 軸車和6 軸車總占比14.09%，貨5 占比14.44%；G20 魯冀界二軸車的占比為50.45%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為50.41%，6 軸車和6 軸車總占比44.04%，貨5 占比44.66%；G3 魯蘇界2 軸車的占比為61.77%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為61.44%，5 軸車和6 軸車總占比30.42%，貨5 占比30.59%；以上表明2 軸車基本上涵蓋了客1～4、貨1 和貨2 的交通量和荷載信息，貨車5 基本上包含了6 軸車和5 軸車的交通量和荷載信息。G20 淄博收費口附近高速公路管養(yǎng)部門設(shè)有交通量觀測站，每月 15 日進(jìn)行24 h 的交通量觀測，通過對2015 年全年12 個月的交通量數(shù)據(jù)分析，除2 月份因為春節(jié)原因外的11 個月，大貨、特大貨、拖掛和集裝箱車輛的占比13.44%，和淄博口的貨5占比基本吻合，表明淄博收費口計重的交通量基本上反映了濟(jì)青高速主線的車輛組成狀況。表6 給出3個收費站客貨組成的分析，由于收費站所處位置不同，G20 淄博收費站交通量最大，客車占比較高，而G20 魯冀界和G3 魯蘇界貨車占比較高，除2 月份春節(jié)期間或10 月國慶節(jié)期間客車交通量大，客車交通量大于貨車外，其它月份貨車交通量大于客車，特別是春運期間，客車通行量大幅度提升，導(dǎo)致客貨比顯著提高。

表6 2015 年1—12 月客貨比統(tǒng)計

由于客車荷載主要取決于車輛自重，因此客車荷載較為穩(wěn)定，特對貨車的荷載進(jìn)行了進(jìn)一步分析，2015 年1—12 月的每種車型的平均軸重進(jìn)行了統(tǒng)計，見表7。貨1～貨5 的平均車貨總重在1 a 中有一定變化，但變化幅度較小。G20 淄博口車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-4.60%～6.95%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-2.97%～3.94%；G20 魯冀界車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-8.89%～12.69%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-6.06%～5.53%；G3 魯蘇界車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-8.58%～8.61%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-2.81%～4.03%。分析表明，對于既定的高速收費站出口，1 a 中的不同車型的車重總重較為穩(wěn)定。車貨總重較小的貨1 和貨2 的荷載變化相對較大，而貨4 和貨5 的荷載變化較小。從3 個收費站的平均軸重看出，G20 淄博口的平均軸重相對較小，是由淄博口的車輛載貨量較小或者空載率高引起的，圖1 中可以看出，貨5 的車重呈現(xiàn)明顯的雙峰分布，淄博口的貨5 的低軸重的車輛數(shù)明顯大于高軸重的車輛數(shù)，導(dǎo)致淄博口的平均軸重明顯低于其他兩個收費口。

圖1 貨4 和貨5 的車重統(tǒng)計

表7 貨1～貨5 的車貨總重變化/kN

3 按軸組類型分類的荷載狀況分析

為了進(jìn)一步簡化山東省高速公路橋梁車輛荷載模型，通過對3 個高速口的車輛進(jìn)行統(tǒng)計分析，按照軸組類型進(jìn)行分類，確定C1～C10 共計10 種典型的車型。部分車輛的有效信息在計重收費過程中數(shù)據(jù)丟失，導(dǎo)致C1～C10 的交通量統(tǒng)計信息和實際通行數(shù)據(jù)有一定偏差，一是部分車輛在通行收費口時未進(jìn)行稱重，如客1 車型在節(jié)日期間未進(jìn)行計重，還有部分貨車在計重過程中數(shù)據(jù)存在一定丟失；二是部分軸數(shù)車型較多，占比很小的車型未參與統(tǒng)計，如4 軸車輛中，除參與統(tǒng)計的115 型和125 型外，還有17型軸組類型，但2015 年17 軸型僅有13 輛。統(tǒng)計結(jié)果表明，未參與統(tǒng)計的車輛以節(jié)假日免費通行的小型客車為主，由于小型客車軸重較貨車特別是C9和C10 小，對結(jié)構(gòu)安全性影響或疲勞損傷的貢獻(xiàn)均較小。表8 為參與統(tǒng)計的C1～C10 車型的占比情況。

表8 車輛荷載組成狀況分析

根據(jù)C1～C10 車型的交通量占比，2 軸的C1、C2 和6 軸的C9、C10 占比較高，其它車型占比均在5%以內(nèi)，荷載分析的重點在2 軸車和6 軸車的數(shù)據(jù)分析上。對于2 軸車輛，C1 車型的軸重相對較小，車貨總重大部分在30 kN 以內(nèi)，而對于C2車型，軸重分布較為分散，未呈現(xiàn)明顯的分布規(guī)律。6 軸車輛是高速公路運營過程中的主要車型，C9 和C10 車型的車重顯現(xiàn)明顯雙峰分布，見圖2、圖3。C9 車型第1 和第2 輪組軸重呈明顯的正態(tài)分布，第3 和第4 軸組的軸重呈明顯雙峰分布，C10 車型第1軸組軸重呈明顯正態(tài)分布，第2 和第3 軸組軸重均呈明顯的雙峰分布。

圖2 C9 車型總重分布

圖3 C10 車型總重分布

4 疲勞車輛荷載模型

根據(jù)車輛類型的劃分，按照10 kN 為區(qū)間單位，對車型C1～C10 進(jìn)行車重的區(qū)間統(tǒng)計，求出每個區(qū)間的在該型車中所占的比例，然后按照等效的疲勞損傷原理，求出各個軸組的等效軸重，各個等效軸組的軸重之和即為模型車輛的車輛總重。

等效軸重：

式中：fi—在同一類車輛中的第i 個區(qū)間的車輛的相對頻率；Wij—第i 個區(qū)間車輛的第j 個軸組的軸重，kN；Wej—該類車輛模型中第j 軸組的等效軸重，kN。如C7 車型的軸型組合為157 型，共計3 個軸組，即前軸為單軸（每側(cè)單輪胎），中間軸組為雙聯(lián)軸（每側(cè)雙輪胎），后軸組為三聯(lián)軸（每側(cè)雙輪胎），在計重收費數(shù)據(jù)的軸重信息中，僅有軸組的重量，因此，共計3 個軸組重量，分別代表單前軸、雙聯(lián)軸和三聯(lián)軸，求出各軸組的等效軸重后，除以對應(yīng)軸組的軸數(shù)，如軸型7 對應(yīng)3 個軸，3 個軸間距很小，一般在1.4 m 以內(nèi)，可不考慮3 軸間的重量差異［13］，每個的軸重取值為等效軸組重量的1/3。C1～C10 車輛模型的等效軸重見表9，P1～P6 為從前到后的等效軸重。

表9 C1～C10 等效軸重匯總/kN

為考察每種車型對結(jié)構(gòu)疲勞損傷的貢獻(xiàn)，依據(jù)疲勞累積損傷準(zhǔn)則，按照公式（2）根據(jù)等效總重計算每種車型造成的疲勞損傷占總損傷的比例見表10。

表10 C1～C10 車型的疲勞損傷率

式中：fi—第i 種車型的比例；Wej—第i 種車型的等效軸重，kN；m—S-N 曲線斜率參數(shù)，取3，2015 規(guī)范修訂時也取用了相同的參數(shù)［8-9］。

高速公路行駛的C1 車型軸重相對較小，但部分小型貨車也用了該種軸型，導(dǎo)致G3 魯蘇界等效軸重＞30 kN。但是從C1 車型對疲勞損傷的貢獻(xiàn)率看，不管C1 車型在總交通量中占比最大的淄博口，還是等效軸重最大的G3 魯蘇界，其疲勞損傷的貢獻(xiàn)率均＜0.1%。英國規(guī)范BS5400 中也指出，總重＜30 kN的車輛，對橋梁疲勞損傷影響很小，可忽略不計。

從對疲勞損傷的貢獻(xiàn)率看，C1 和C2 盡管交通量占比較高，但由于等效車重小，實際貢獻(xiàn)很小，均不到1%。6 軸車輛等效車重大，C9 和C10 的等效車重在398.7～505.9 kN，同時6 軸車在總交通量中占比較高，因此，對結(jié)構(gòu)疲勞損傷貢獻(xiàn)值均在90%以上，特別是G20 魯冀界，6 軸車總的貢獻(xiàn)率達(dá)到97.6%，因此6 軸車輛荷載信息需要重點研究。建議以6 軸車為模型車輛建立山東省高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛。

根據(jù)表10 中等效軸重可以看出，G20 淄博口疲勞車等效車重最小，G20 魯冀界居中，G3 魯蘇界最大。G20 淄博口和魯蘇界的等效疲勞車重與《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》（JTG D60—2015）［9］中計算模型II 的44.5 t 的6 軸車模型基本吻合，但G3 魯蘇界的等效疲勞車重要明顯大于規(guī)范中的車重。由于采用的軸載為收費站數(shù)據(jù)，宜采用G3 魯蘇界的6軸疲勞車輛作為山東省高速公路的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。根據(jù)6 軸車輛的軸距資料［7-8］，軸重取值按照向上舍入到5 kN 倍數(shù)方法，確定山東省高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車見表11。山東省高速公路等效的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車M1 和M2 均為6 軸車，車輛總重分別為520 kN 和515 kN，大于規(guī)范［9］中6 軸疲勞車輛，但是小于山東省國省道標(biāo)準(zhǔn)疲勞車重量［14］。疲勞車M1 不管是三聯(lián)軸的軸重還是車輛總重均略大于M2，建議采用疲勞車M1 作為山東省高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。

表11 高速公路橋梁標(biāo)準(zhǔn)疲勞車對比

對于既定軸數(shù)的車輛，疲勞損傷貢獻(xiàn)率主要取決于占比和重量，為分析6 軸車在不同軸重的損傷貢獻(xiàn)情況，統(tǒng)計了以10 kN 區(qū)間的各個軸重段的疲勞損傷貢獻(xiàn)情況，見圖4、圖5。G20 淄博口由于6軸車的空載率較高，導(dǎo)致C10 型車輛對疲勞損傷的貢獻(xiàn)率依舊呈現(xiàn)明顯的雙峰分布。但是對于G20 魯冀界和G3 魯蘇界，靠近空載區(qū)域的低軸重一側(cè)峰值明顯降低，對疲勞損傷貢獻(xiàn)較小，疲勞損傷貢獻(xiàn)率曲線呈現(xiàn)單峰狀態(tài)。

圖4 C9 車型的疲勞損傷貢獻(xiàn)

圖5 C10 車型的疲勞損傷貢獻(xiàn)

5 結(jié)語

山東省高速公路典型路段的車輛中客車均以客1 車型為主，占客車交通量的90%以上，貨車以貨5 車型為主，占到了貨車交通量的50 %以上，且平均車重在1 a 中變化幅度較小。通行車輛以2 軸車和6 軸車為主，兩者之和占據(jù)了總交通量90%以上，2軸車交通量和荷載信息基本上涵蓋了客1～客4、貨1 和貨2 的有效信息；貨車5 基本上涵蓋了5 軸車和6 軸車的交通量和荷載信息。盡管高速路網(wǎng)通行車輛以2 軸車為主，但2 軸車對結(jié)構(gòu)損傷疲勞貢獻(xiàn)率較小，而6 軸車對結(jié)構(gòu)疲勞損傷貢獻(xiàn)值在90%以上。規(guī)范［9］中6 軸標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛的總重和軸重取值偏小，山東省高速公路宜采用6 軸總重為520 kN 的標(biāo)準(zhǔn)疲勞車輛進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗算。

基于典型高速口計重收費數(shù)據(jù)建立標(biāo)準(zhǔn)疲勞荷載車輛是可行的，但車輛荷載對不同跨徑和不同橋型的效應(yīng)需要根據(jù)車距和車道交通量等參數(shù)進(jìn)一步分析，有關(guān)構(gòu)件的疲勞荷載尚需進(jìn)一步研究。