基于WIM的北京市G103国道车辆荷载模型研究

近年来，随着汽车工业和交通运输行业的迅速发展，车辆荷载较以往发生了很大的变化。车辆超载的问题日益突出，对既有的道路与桥梁工程安全造成很多隐患。车辆荷载是桥梁设计中最重要的活荷载，超载现象将降低桥梁的使用寿命，而且在其使用年限内的安全性也大大降低，甚至可能引起桥梁的灾难性破坏[1-3]。在我国，车辆超载现象较为普遍，现行规范[4，5]所推荐的车辆荷载模型是根据城市典型干道上的车辆荷载情况确定的[6]，与我国现阶段道路桥梁实际车辆荷载标准不相符。此外，我国幅员辽阔，经济发展不平衡导致地区之间的车辆荷载差别性较大。建立地方化的桥梁评估或限载标准是既考虑地方车辆荷载的特殊性，又能考虑该地区车辆荷载的一般性的可行性选择。关于地方化车辆荷载模型，国内外学者已经做了一些研究工作。许肇峰等[7]基于广东省5条具有代表性的高速公路实测交通轴载数据，拟定了符合广东省实际交通状况的车辆荷载参数。颜丹青等[8]通过对合肥市内几座代表性超载桥梁的实地调查，得出以超载车辆荷载最大值分布的0.95分位值作为合肥市桥梁验算车辆荷载标准；孙守旺等[9]基于北京市六环路的实测数据，建立了6种主要车型的参数统计模型和等效模型车辆；Nowak[10-11]在典型公路上通过动态称重系统WIM（WeightinMotion）采集了大量轴载数据，并根据相关概率分布，应用外推法预测了各种跨径桥梁在75年的设计基准期内的车辆荷载产生的最大弯矩和剪力；Fu[12]根据美国纽约部分超载现象严重的交通要道车流统计资料，建立了包括超载车辆的活载模型；Miao[13-15]通过香港小跨径桥梁WIM数据，得到了车辆荷载的轴距、轴重、车重分布类型和统计参数，建立了香港地区标准车辆荷载和车道荷载模型；Fu和You[16，17]基于我国3个省份大量的WIM实测数据，提出了更为可靠的评估用车辆荷载模型参数，并外推至桥梁的设计年限。笔者根据北京市G103国道上实际交通流状况，通过WIM实测数据，对公路桥梁车辆荷载进行统计分析，拟定了北京市G103国道实际交通流状况下的车辆荷载参数，并建立车辆荷载模型。该模型可用于现役桥梁结构安全性能评估。1桥梁概况及WIM系统布置大柳树2号桥横跨凤港减河，桥梁全长61.62m，上部结构为五跨钢筋混凝土简支梁，桥面设双向4车基于WIM的北京市G103国道车辆荷载模型研究卢九章（北京市政路桥管理养护集团有限公司，北京100097）摘要：为了评估北京市G103国道上在役桥梁的承载能力，需要对实际交通流作用下的公路桥梁车辆荷载模型进行研究。笔者基于动态称重系统WIM实测的交通轴载数据，结合JTGD60—2004《公路桥涵设计通用规范》和JTJD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》中车辆荷载模型的建立方法，对车辆总重、轴重等参数进行统计分析，拟定符合北京市G103国道实际交通状况的车辆荷载参数，并提出了2-1-3轴型的典型6轴重型车辆荷载模型。在此基础上，分别采用实测车辆荷载模型和规范车辆荷载模型对大柳树2号桥梁的车辆活载效应进行分析，结果表明：实测车辆荷载模型各参数均与规范建议值有较大差异，其车辆活载效应比规范车辆荷载模型的计算结果增加了20%～50%，超重车辆对在役桥梁安全性能存在较大威胁。关键词：公路桥梁；车辆荷载模型；动态称重系统；统计分析；承载能力中图分类号：U441.2文献标志码：B文章编号：1009-7767（2015）02-0058-05ResearchonWIMBasedVehicleLoadModelofNationalHighwayG103inBeijingLuJiuzhang桥梁工程道。2013年4月，对该桥安装车辆WIM系统，每车道安装2条压电称重传感器及1个地感应圈，并与路边传感器相连，见图1。2车辆总重统计分析对实测的所有车辆总重进行单独统计分析，可分别得到实测车辆总重的概率密度曲线和累积频率曲线，并与规范[4，5]建议的总重荷载统计结果进行对比，见图2、3。由图3和图4可知：1）总重在20kN以下的车辆，实测车辆荷载最大概率出现时的车辆总重比规范车辆总重要小，总累积频率达到0.506，显著超过规范统计的结果（0.128），说明公路上有较多的轻型车辆，这种车辆主要为私家车等小型客车。2）总重在20～200kN的车辆，实测统计其出现的累积频率为0.321，较规范统计结果（0.824）小，该范围内车辆主要以小型货车或空载大型货车为主。3）总重在200kN以上的车辆，为载重货车的主要特征，实测统计其出现的累积频率为0.173，规范的统计结果为0.0489，说明实际公路上载重货车出现得明显比规范统计多，且总重分布范围更广。4）根据实测的所有车辆总重统计，该国道上通行的最大载重货车的总重达1245kN，远远大于规范中550kN的限值。可见，桥梁上的实际荷载可能远比规范的设计荷载大。5）根据设计规范的荷载标准确定原则，设计规范统计结果中200kN的标准车对应的累积频率（95%）在实测曲线中对应的车重为421kN；而设计规范统计结果中550kN的重车对应的累积频率（99.7%）在实测曲线中对应的车重为757kN。各设计标准总重及实测总重在相同分位值的对比见表1。3车辆轴重统计分析对实测的所有车辆轴重进行单独统计分析，可分别得到实测车辆轴重的概率密度曲线和累积频率曲线，并与设计规范给出的轴重荷载统计结果进行对比，见图4、5。由图4和图5可知：1）轴重在10kN以下的车辆，实测总累积频率达到0.341，超过规范统计的结果（0.257），说明实际公路上出现较多轴重较小的车辆，这种车辆应该为小型客车。2）轴重在10～50kN的车辆，实测统计其出现的累积频率为0.420，明显比规范统计结果（0.603）小，主图1WIM系统布置图2总重概率密度曲线图3总重累积频率曲线设计标准总重/kN设计规范统计的分位值实测车辆总重/kN1001502003005500.77810.89250.95000.98550.9970149313421571757表1设计标准总重与实测总重对比桥梁工程要以公路上出现的少量轻型货车或空载重型货车为主。3）轴重在50kN以上的车辆，为载重货车轴重的主要特征之一，实测统计其出现的累积频率为0.239，规范的统计结果为0.140。4）根据监测数据统计，在3个月内实测该国道上实际通行的载重货车最大轴重为255kN，而规范中汽车设计荷载轴重为140kN，实测轴重远大于规范设计轴重。5）设计标准轴重及实测轴重在相同分位值的对比见表2。由表2可知，实测轴重均大于设计规范给定值，这说明实际桥梁上出现的轮轴重量普遍较设计规范的标准大。4车辆荷载模型拟定现行JTGD60—2004《公路桥涵设计通用规范》中规定的车辆荷载模型与JTJD62—2004《公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范》一致，均采用的是总重为550kN的标准5轴车，轴型的立面布置和平面布置见图6。结合上述关于实测车辆总重和轴重的分析结果，拟定实测车辆荷载的重车模型和主车模型，包括车辆的总重、轴重以及轴距的拟定。在保证实测总重统计分位值与规范设计总重（550kN）所对应的分位值相同的前提下，取实测总重为760kN的车辆作为重车模型。统计结果显示，总重达到760kN的车辆绝大部分为6轴车辆，若采用规范[4，5]建议的车型作为实测的重车模型是明显不合理的，然而现有规范中并没有6轴车辆荷载模型。因此，为了得到与总重相匹配的车辆荷载模型，笔者针对所有6轴车型进行统计分析，并确定最后的重车模型。尽管在此次交通荷载调查统计中将所有6轴车型进行了归类统计，但是该类型车辆的轴重以及轴距等参数也不完全一致。笔者结合实际统计的6轴车型具体参数，并查阅大量的车型资料[19]，得到2种典型的6轴车型，见图7。图4车辆轴重概率密度曲线图5车辆轴重累积频率曲线设计标准轴重/kN设计规范统计的分位值实测车辆轴重/kN3070861201301400.69280.92260.95000.97760.98190.985241100114136142148表2设计标准轴重与实测轴重对比图6现行规范建议的车辆荷载模型（m）a）1-2-3轴型b）2-1-3轴型图7典型6轴车型桥梁工程统计结果表明，在监测到的172529辆6轴车中，1-2-3轴型的车辆仅有36511辆，占21.16%；其余均为2-1-3轴型的车辆。由实测2-1-3轴型的6轴车辆各轴距散点分布图可知，在轴型相同的情况下，除了轴距3的变化范围较大之外，其余轴距都相对比较集中，离散程度不大。而轴距3通常反应的是挂车的长度，具体参数也是因车而异的，因此变化范围较大。轴距4和轴距5都是比较接近的，两轴距的散点几乎重叠。基于以上对轴距的分析，各轴距相对集中的特点决定了2-1-3轴型的6轴车辆荷载模型的轴距取各个轴距的平均值是合理的，具体参数见表3。为得到总重为760kN的2-1-3轴型的6轴车辆的轴重模型，对该类型车辆总重在760kN左右的6轴车进行统计分析。和轴距类似，轴重的离散性很小，故取其各自的平均值作为该类车辆模型的轴重，见表4。因此，拟定2-1-3轴型的6轴车辆荷载模型，见图8。5实测车辆荷载模型与规范车辆荷载模型对比分析大柳树2号桥为连续桥面的宽腹T型简支梁桥，单跨跨径11.39m。梁间横向联系包括端部一共5道横隔梁。计算时忽略连续桥面的作用将T型梁支点简化为简支边界。鉴于大柳树2号桥跨径短、横隔梁较多且联系可靠，采用梁格法建模，忽略桥面板的横向联系作用，横向联系只考虑横隔梁。图9为规范车辆荷载模型与实测车辆荷载模型作用下桥梁变形对比。从图9中可以看出，在规范车辆荷载模型作用下，桥梁的最大变位为2.785mm，而在实测车辆荷载模型作用下的最大变位为4.187mm，为前者的1.5倍。也就是说，实际桥梁运营过程中，桥梁的实际变位比设计情况要大得多。将规范中的汽车-超20级车辆荷载模型和实测车辆荷载模型（2-1-3轴型的6轴车辆荷载模型）分别作用于大柳树2号桥上，并将其结果进行对比。实测车辆荷载模型作用在大柳树2号桥上的活载效应普遍比规范所建议的汽车-超20级车辆荷载模型大。其中边梁中点和二号梁中点处的弯矩增大了50%；边梁支点截面处的剪力增大了45%；各主要截面的活载效应比值的平均值约增加30%。6结语我国幅员辽阔，地区发展不平衡，桥梁设计规范难以准确描述各地区车辆荷载的实际运行状况。加上车辆超载现象严重，与规范制定时的车辆运营状况存在多方面的差异。笔者以G103国道实测轴载数据为基础，统计得出符合该国道实际交通运营状况的车辆荷载模型，并将其车辆活载效应与规范建议的车辆荷载效应进行了对比分析，得出如下结论：1）实测统计的总重和轴重中等的车辆（主要为小型载重货车和空载大型货车）明显比规范统计得要少，而实测统计的总重和轴重都较大的车辆（主要为大型载重货车，包括超载车辆）明显比规范统计要多很多，既有桥梁的承载能力安全性存在较大威胁。2）得到了与设计规范分位值一致的当前G103国道实际车辆的总重和轴重，建立了总重为760kN的2-1-3轴型6轴车辆荷载模型，可作为当前规范建议的车辆荷载模型的一个补充。3）对既有简支梁桥的上部结构主梁进行了原设计2-1-3轴型6轴车辆轴距1轴距2轴距3轴距4轴距5170260570130130表32-1-3轴型6轴车各轴距拟定cm2-1-3轴型6轴车辆轴重1轴重2轴重3轴重46070180150轴重5轴重6150150表42-1-3轴型6轴车各轴重拟定kN图82-1-3轴型6轴车辆荷载模型（m）a）规范荷载作用下桥梁变形b）实测荷载作用下桥梁变形图9规范荷载与实测荷载作用下桥梁变形对比桥梁工程（上接第49页）机的行走速度为2～4m/min，经试验段确定该工程中乳化沥青冷再生混合料松铺系数为1.30[4]。7.2碾压根据试验段确定压路机组合方式和碾压程序。碾压方案为：初压采用双钢轮压路机静压、振压各1遍；复压采用22t单钢轮压路机振压4遍，30t胶轮压路机碾压8遍；终压采用双钢轮压路机静压2遍。7.3开放交通及跟踪监测乳化沥青冷