泰州大橋鋼橋面鋪裝輪載譜研究

李洪濤，潘友強(qiáng)，張志祥

(1.江蘇省長(zhǎng)江公路大橋建設(shè)指揮部，江蘇泰州 225321;2.江蘇省交通科學(xué)研究院，南京 211112;3.同濟(jì)大學(xué)，上海 201804)

1 前言

鋼橋面鋪裝是一個(gè)世界性難題，特別是國(guó)內(nèi)高溫重載條件更加劇了鋼橋面鋪裝的早期破壞。交通荷載條件是影響橋面鋪裝最終使用性能的關(guān)鍵因素之一。為了準(zhǔn)確研究國(guó)內(nèi)鋼橋面鋪裝的使用條件，為泰州大橋鋼橋面鋪裝研究和設(shè)計(jì)提供支撐，筆者對(duì)江蘇省內(nèi)主要跨江大橋的交通量和交通荷載進(jìn)行了詳細(xì)地調(diào)研研究。

交通荷載是路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中最重要的參數(shù)之一，在傳統(tǒng)的路面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法中交通荷載是用當(dāng)量軸載作用次數(shù)來(lái)表征的。采用當(dāng)量軸次的方式將各種交通量按照一定的關(guān)系進(jìn)行換算，這種轉(zhuǎn)換關(guān)系往往無(wú)法真正地反映荷載對(duì)鋼橋面鋪裝的影響，而使用輪載譜的方式來(lái)描述交通荷載，可以有效地避開(kāi)當(dāng)量軸載換算可能帶來(lái)的誤差，對(duì)交通荷載的描述更加全面和客觀，同時(shí)利用輪載譜的方法比當(dāng)量軸載作用次數(shù)的方法可以更精確地分析交通荷載對(duì)路面的破壞作用［1，2］。

目前江蘇省已建成通車跨江大橋7座，在建大橋兩座，分別為泰州大橋和南京四橋。目前潤(rùn)揚(yáng)大橋、江陰大橋和蘇通大橋主要承擔(dān)了連接上海、蘇州、無(wú)錫、常州以及浙江東部地區(qū)的交通量，該斷面年平均日交通量在9.5萬(wàn)輛左右(未考慮長(zhǎng)江各渡口交通量)。泰州大橋位于潤(rùn)揚(yáng)大橋和江陰大橋之間，建成后將主要分擔(dān)該區(qū)域過(guò)江交通。

筆者通過(guò)分析潤(rùn)揚(yáng)大橋、江陰大橋和蘇通大橋近年的交通量和交通荷載調(diào)研數(shù)據(jù)，形成江蘇省內(nèi)跨江大橋貨車交通量典型輪載譜，為泰州大橋鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)。

2 跨江大橋軸載類型的分析

在美國(guó)NCHRP1－37A力學(xué)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法中，車輛分類采用美國(guó)聯(lián)邦公路局(FHWA)的車輛分類系統(tǒng)［3］，但是我國(guó)的車輛組成和美國(guó)有較大的區(qū)別。我國(guó)以前傳統(tǒng)的方法是將車輛分成6類，但這種分法過(guò)于粗糙，會(huì)將荷載特性差別較大的車型歸到一類中。從我國(guó)高速公路車流組成調(diào)查情況看，目前我國(guó)高速公路上主要有7種軸型［4］，見(jiàn)表1。

Tabl表e 11 A軸xl載e l類oa型d type

考慮到國(guó)內(nèi)交通類型的多樣性，按照軸載進(jìn)行考慮無(wú)法準(zhǔn)確反映荷載特別是貨車對(duì)鋼橋面鋪裝受力特點(diǎn)的影響。為了更為準(zhǔn)確地反映各類型貨車交通荷載，將貨車交通荷載以單輪載進(jìn)行表征，即采用實(shí)際的軸數(shù)和輪載重量表征貨車對(duì)鋪裝的影響。

3 交通量分析

近年來(lái)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，江蘇省內(nèi)幾座跨江大橋的交通量逐年增加。對(duì)江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋2007—2010年平均日交通量進(jìn)行調(diào)研統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖1所示。江陰大橋2010年的年平均日交通量接近45 000輛，蘇通大橋超過(guò)30 000輛，潤(rùn)揚(yáng)大橋超過(guò)20 000輛。

圖1 年平均日交通量Fig.1 Annual average daily traffic

交通量隨時(shí)間的變化對(duì)鋪裝結(jié)構(gòu)的使用性能有很大的影響，因?yàn)殇佈b材料的性能也隨時(shí)間會(huì)產(chǎn)生較大的變化。在白天或夏季，鋪裝結(jié)構(gòu)溫度較高，瀝青混合料的模量降低。如果在某個(gè)時(shí)間段內(nèi)，鋪裝結(jié)構(gòu)的整體強(qiáng)度因環(huán)境因素的影響而下降，而這一時(shí)間段交通又較為集中，則鋪裝結(jié)構(gòu)在這一時(shí)間段內(nèi)發(fā)生的破壞將遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其他的時(shí)間段［5，6］。筆者分析了三座跨江大橋2007—2010年每年每個(gè)月份的日平均交通量。通過(guò)分析可知:三座長(zhǎng)江大橋的日交通量均每年都在迅速增長(zhǎng)，每年的2月、3月和10月都會(huì)迎來(lái)一個(gè)日交通量的高峰期，與國(guó)內(nèi)的主要假期時(shí)間基本吻合。

4 貨車軸載譜分析

4.1 貨車交通量分析

重載交通是影響鋼橋面鋪裝的主要因素，貨車尤其是重載、超載貨車對(duì)橋面鋪裝的損害非常大。按照經(jīng)典的路面力學(xué)分析，荷載重與路面使用壽命的影響是“4次方”的關(guān)系［7］，而對(duì)于鋼橋面鋪裝，該系數(shù)可能更大。因此，對(duì)貨車荷載的準(zhǔn)確分析是鋼橋面鋪裝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。在調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋交通量中貨車所占的比重相當(dāng)大，2007—2010年三座大橋貨車交通量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖2和圖3。

圖2 貨車交通量Fig.2 Truck traffic

圖3 貨車交通量所占比例Fig.3 Truck traffic proportion

潤(rùn)揚(yáng)大橋至蘇通大橋一線過(guò)江斷面2010年斷面貨車交通量為3.1萬(wàn)輛/日，約占三座大橋總過(guò)江交通量的32.5%，近年來(lái)貨車交通量基本保持不變。從圖4中也可以看出，三座大橋每年的貨車交通量占總交通量的比例都超過(guò)了30%，2007年潤(rùn)揚(yáng)大橋的貨車交通量比例甚至超過(guò)了50%，重載比例大。

4.2 貨車輪載分布情況分析

不同的輪載對(duì)鋼橋面鋪裝的破壞情況不同，輪載分布可以給出不同輪載區(qū)間的輪載個(gè)數(shù)的比例，可以按累積破壞的原則精確地分析混合交通對(duì)路面的破壞作用，避免進(jìn)行當(dāng)量軸載換算帶來(lái)的誤差。江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋的貨車典型軸載分布圖見(jiàn)圖4。

圖4 貨車典型輪載分布圖Fig.4 Typical truck wheel load distribution

從圖4中可以看出潤(rùn)揚(yáng)大橋的輪載集中在1.5 ～2.5 t，比例占到 56.40%。江陰大橋的輪載集中在1～2 t，比例占到54.10%。蘇通大橋輪載集中在 0.5 ～1.5 t，比例占到 55.28%。

根據(jù)典型輪載的分析結(jié)果，筆者統(tǒng)計(jì)了江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋2007—2010年每年的貨車輪載分布情況，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)圖5、圖6和圖7。

圖5 江陰大橋年貨車輪載分布Fig.5 Annual truck wheel load distribution of Jiangyin Bridge

圖6 潤(rùn)揚(yáng)大橋年貨車輪載分布Fig.6 Annual truck wheel load distribution of Runyang Bridge

從以上可以看出:

1)江陰大橋0.5～1.0 t的輪載最多，每年都在18%以上。比較2.5 t以上(不含2.5 t)輪載比例發(fā)現(xiàn)，從2007年呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

圖7 蘇通大橋年貨車輪載分布Fig.7 Annual truck wheel load distribution of Sutong Bridge

2)潤(rùn)揚(yáng)大橋2.0～2.5 t的輪載最多，每年都在20%以上。比較2.5 t以上(不含2.5 t)的輪載比例發(fā)現(xiàn)，從2007年呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。

3)蘇通大橋0.5～1.0 t的輪載最多，每年都接近20%。比較2.5 t以上(不含2.5 t)輪載比例發(fā)現(xiàn)，每年超過(guò)2.5 t的輪載相差不大。

貨車輪載譜確立以后，可以選定典型貨車輪載和典型輪載的比例，并依據(jù)貨車的數(shù)量，最終確定鋼橋面鋪裝的設(shè)計(jì)荷載參數(shù)和室內(nèi)試驗(yàn)參數(shù)。論文推薦的江蘇省內(nèi)典型貨車輪載和典型輪載比例見(jiàn)表2。

表2 江蘇省典型貨車輪載和典型輪載比例Table 2 Typical truck wheel load and distribution in Jiangsu Province

4.3 超載車輛情況分析

重載車特別是超載后的重載貨車是造成橋面鋪裝早期病害的最主要原因，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)軸載BZZ100對(duì)應(yīng)的輪載為2.5 t，單輪載超過(guò)2.5 t即為超載，以此為判據(jù)各個(gè)大橋輪載超載情況統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表3，各貨車軸型超載比例見(jiàn)圖8。

表3 輪載超載情況統(tǒng)計(jì)表Table 3 Overload proportion

圖8 超載軸型占總軸數(shù)的百分比Fig.8 Overload axle as a percentage of total axles

從以上結(jié)果可以看出，三座大橋的超載情況都是很嚴(yán)重的，超載比例占貨車總數(shù)的14% ～22%，平均超載比例為17.52%。從超載車型分析可以看出，單軸雙輪組車輛是當(dāng)前超載的主要車型，其次是單軸單輪組車型，再次是雙軸雙輪組。

5 結(jié)語(yǔ)

筆者利用輪載譜，結(jié)合調(diào)研所得的交通量和交通荷載的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到如下結(jié)論:

1)從我國(guó)高速公路車流組成調(diào)查情況看，目前我國(guó)高速公路上主要有7種軸型，從對(duì)鋼橋面鋪裝使用性能的影響角度，建議采用輪載和軸數(shù)即輪載譜進(jìn)行分析。

2)江陰大橋、潤(rùn)揚(yáng)大橋和蘇通大橋2007—2010年的交通量每年都呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，江陰大橋2010年的年平均日交通量接近45 000輛，蘇通大橋超過(guò)30 000輛，潤(rùn)揚(yáng)大橋超過(guò)20 000輛。

3)近年來(lái)貨車交通量基本保持不變，潤(rùn)揚(yáng)大橋至蘇通大橋一線過(guò)江斷面2010年斷面貨車交通量為3.1萬(wàn)輛/日，約占三座大橋總過(guò)江交通量的32.5%。三座跨江大橋每年的貨車交通量占總交通量比例都超過(guò)了30%。

4)從貨車輪載譜分析結(jié)果來(lái)看，潤(rùn)揚(yáng)大橋的輪載集中在1.5 ～2.5 t，比例占到 56.40%。江陰大橋的輪載集中在1～2 t，比例占到54.10%。蘇通大橋輪載集中在 0.5 ～1.5 t，比例占到 55.28%。

5)江蘇省跨江大橋貨車平均超載比例為17.52%，其中以潤(rùn)揚(yáng)大橋超載最為嚴(yán)重，超載比例達(dá)到22.25%。

6)超載軸型分析可以發(fā)現(xiàn)，單軸雙輪、單軸單輪和雙軸雙輪是江蘇省內(nèi)過(guò)江大橋主要的超載軸型。

［1］趙延慶，王家杰，何昌軒，等.江蘇省高速公路交通軸載譜的調(diào)查研究［R］.南京:江蘇省交通科學(xué)研究院，2007.

［2］ARA.Guide for Mechanistic－ empirical Design［R］.National Cooperative Highway Research Program 1－ 37A，Transpiration Research Board，March 2004.

［3］American Association of State Highway and Transportation Officials.AASHTO Guide for Design of Pavement Structure［M］.Washington D.C.:AASHTO，1993.

［4］趙延慶，王家杰，何昌軒，等.利用軸載譜確定高速公路瀝青路面當(dāng)量軸載換算系數(shù)［J］.重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(5):736－739.

［5］趙延慶，賈 渝，曹榮吉，等.交通荷載軸載譜參數(shù)的確定及分析［J］.中外公路，2007，27(2):185 －188.

［6］趙延慶，王家杰，劉 偉.適合我國(guó)高速公路交通荷載特性的軸載譜參數(shù)分析［J］.華東公路，2008，2:34－37.

［7］中華人民共和國(guó)交通部.JTG D 50—2006，公路瀝青路面設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.