福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載模型研究

■劉少輝顏全哲，2楊佳毅趙曉杰黃俊宇劉淦彬

(1.福州大學土木工程學院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載模型研究

■劉少輝1顏全哲1，2楊佳毅1趙曉杰1黃俊宇1劉淦彬1

(1.福州大學土木工程學院，福州350116；2.福建省公路管理局，福州350004)

疲勞荷載模型是進行公路橋梁疲勞設計和可靠性評估的重要基礎。利用布設在福建省內(nèi)2個典型重載交通公路路段上的動態(tài)稱重(W IM)系統(tǒng)，實測典型的、具有代表性的日常運營車輛荷載?；趯崪y的207590條有效車輛荷載數(shù)據(jù)，根據(jù)等效疲勞損傷原理，將實測的車輛荷載頻值譜簡化為由疲勞荷車輛組成的荷載頻值譜。通過計算各車型造成的疲勞損傷比例，建立了適用于福建省重載交通公路橋梁的車輛疲勞荷載模型。該模型可供福建省公路橋梁疲勞壽命分析或疲勞設計時參考。

公路橋梁動態(tài)稱重系統(tǒng)重載交通疲勞設計疲勞荷載模型

0 引言

公路橋梁承受車輛荷載的重復作用，在反復應力的作用下，很容易引起結(jié)構的累積損傷，最終導致疲勞破壞?；趯е聵蛄浩谄茐脑?，疲勞荷載不能采用最不利情況下的靜力強度設計標準活荷載，而應選取典型的、具有代表性的日常運營車輛荷載[1]。

國外較早開展公路橋梁疲勞荷載的研究工作。英國早在20世紀70年代就制定出用于鋼橋、混凝土橋及結(jié)合橋疲勞設計的車輛荷載譜[2]，并結(jié)合實際情況對疲勞荷載計算模型不斷進行修正；美國、日本等國也結(jié)合自己的國情，開展了公路橋梁疲勞荷載譜的研究工作，并在各自的橋梁設計規(guī)范中，給出了疲勞設計荷載譜或疲勞車輛荷載模型[3-4]。

童樂為和沈祖炎等(1997)[1]在國內(nèi)首次開展城市道路鋼橋的疲勞荷載譜研究；他們采用現(xiàn)場人工觀測方法，對上海市內(nèi)某橋進行了交通車輛調(diào)查，并將實測的車輛荷載譜簡化為由6類代表車組成的車輛荷載譜。王榮輝等(2004)[5]也采用類似方法，對廣州市內(nèi)環(huán)線恒福路段交通情況進行實地調(diào)查；基于交通量調(diào)查結(jié)果，提出了適用于廣州市高架橋疲勞設計的疲勞車輛模型及其荷載譜值。趙秋等(2016)[6]采用錄像觀測法，對福州市城市橋梁交通荷載和運營車輛的裝載情況進行調(diào)查；基于疲勞荷載調(diào)查結(jié)果，提出了適用于福州市城市鋼橋疲勞設計的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型。然而，這些研究工作均存在調(diào)查方法比較粗糙、調(diào)查時間較短或數(shù)據(jù)樣本空間過小等不足，導致車輛荷載信息的精確性、全面性無法得到保證。

近年來，動態(tài)稱重(WIM)技術在國內(nèi)逐漸被用于交通荷載的統(tǒng)計調(diào)查。利用WIM系統(tǒng)進行長時間的數(shù)據(jù)采集，可得到通行車輛數(shù)量、車型、車輛軸重、軸距等統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從而給疲勞荷載譜研究提供了有效的技術手段。孫守旺和孫利民(2012)[7]利用布設在北京六環(huán)某路段上WIM系統(tǒng)獲取的運營交通基本信息，建立了6種不同車型的疲勞等效模型車輛。李星新和任偉新等(2012)[8]根據(jù)貴州壩陵河大橋WIM系統(tǒng)收集的交通荷載數(shù)據(jù)，提出一個適用于西南山區(qū)高速公路橋梁的3軸標準疲勞車模型。夏葉飛和宗周紅等(2014)[9]基于京滬高速沂淮段新沂河大橋布設的WIM系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，建立了新沂河大橋?qū)嶋H運行車輛的疲勞荷載譜，并提出一種基于WIM實測數(shù)據(jù)得到公路橋梁車輛疲勞荷載譜的方法。

與國外相比，我國公路橋梁設計長期缺乏可用于疲勞設計的荷載模型。周泳濤等(2010)[10]依托交通部公路工程標準制修訂項目“公路橋梁疲勞設計荷載標準”，首次在全國范圍內(nèi)進行高速公路交通車輛荷載的實地調(diào)查；基于調(diào)查結(jié)果，建立了公路鋼橋疲勞設計標準車輛荷載模型，為我國相關標準制定提供了依據(jù)。

近年來，隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，公路交通量和負荷逐年增加，使得橋梁結(jié)構的疲勞問題日益突出。盡管我國現(xiàn)行橋梁設計規(guī)范[11]已頒布了疲勞荷載計算模型，然而，考慮到我國大陸幅員遼闊，各地交通荷載現(xiàn)狀存在較大差異，因此，根據(jù)各地公路交通實際狀況，研究并制定相適應的疲勞荷載模型具有現(xiàn)實意義。本文依托福建省交通運輸科技發(fā)展重點項目“基于實測車輛荷載模型的在役橋梁使用性能評估與多階段管養(yǎng)對策研究”，首次在福建省典型重載交通公路路段上布設WIM系統(tǒng)，對日常運營車輛荷載進行長時間的數(shù)據(jù)采集；基于WIM系統(tǒng)實測車輛荷載數(shù)據(jù)，建立適用于福建省重載交通公路橋梁的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型，供福建省公路橋梁疲勞設計參考。

1 車輛荷載數(shù)據(jù)采集

1.1 WIM系統(tǒng)布設

制定的疲勞車輛荷載譜及疲勞車輛荷載模型正確與否，是否適合各地實際、方便用于疲勞設計或疲勞分析，取決于所收集基礎資料(包括典型公路橋梁日常運營車輛荷載的軸重、軸距、車型等數(shù)據(jù))的深度、廣度以及所收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的正確性。因此，收集車輛荷載資料的基礎工作尤為重要。

考慮到WIM系統(tǒng)較為昂貴，如果在全省各地市普通公路上都展開交通荷載調(diào)查，將導致調(diào)查工作量及費用過大。根據(jù)近年來福建省典型重載交通公路的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，本次調(diào)查選擇漳州市華安縣S208線139K+820處的割掘大橋橋頭和泉州市永春縣S306線158K+500處的青溪大橋橋頭處分別布設1個WIM系統(tǒng)，進行現(xiàn)場交通荷載調(diào)查。圖1和圖2為WIM系統(tǒng)的具體布設位置。

1.2 車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

在各測點利用高速WIM系統(tǒng)連續(xù)測量并記錄實際通過的車輛及其各項相關參數(shù)，包括車重、軸重、軸數(shù)、軸間距及通過測點時刻等數(shù)據(jù)。本文對調(diào)查路段WIM系統(tǒng)記錄的自2016年10月至2017年3月共6個月的實測車輛荷載數(shù)據(jù)進行分析，這段時間WIM系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示共記錄了214570條原始車輛荷載數(shù)據(jù)。在進行數(shù)據(jù)分析之前，按車輛類型和軸數(shù)將車輛類型劃分為7類：小型客車、大型客車、二軸貨車、三軸貨車、四軸貨車、五軸貨車和六軸貨車。由于實際交通中車輛行為的復雜性，WIM系統(tǒng)會記錄一些錯誤數(shù)據(jù)。通過對車輛荷載數(shù)據(jù)進行篩選整理，刪除記錄錯誤數(shù)據(jù)，并按車型剔除對車輛荷載研究無影響的無效數(shù)據(jù)，最終得到列207590條有效的車輛荷載數(shù)據(jù)。表1列出了實測車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總情況，表中“平均值”和“最大值”均指各型車輛的總重。從表1中可以發(fā)現(xiàn)：

(1)基于WIM系統(tǒng)采集的車輛數(shù)據(jù)量大，總計207590條車輛荷載數(shù)據(jù)，從統(tǒng)計意義上看已具備足夠多的數(shù)據(jù)樣本空間。

(2)從車流量比例角度看，小型客車、四軸貨車和六軸貨車的車流量比例分別達到29.13%、17.10%、26.68%，大型客車、三軸貨車和五軸貨車車流量則相對較小。

(3)從車輛車重角度看，實測的三軸、四軸、五軸和六軸貨車的最大車重分別為107.40t、74.75t、105.89t和117.63t，超載量高達397.78%、207.64%、246.26%和240.06%，重型貨車超載情況均十分嚴重；其中，二軸貨車和三軸貨車的超載比例分別達到10.49%和17.19%。

從2個WIM系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)的情況看，2個測點的車流量大，重載貨車比例高，超載情況十分嚴重?？梢姡{(diào)查結(jié)果具有較強的代表性，完全可以應用于福建省重載交通公路橋梁疲勞荷載研究。因此，下文以福建省典型重載交通公路實測的日常運營車輛荷載數(shù)據(jù)為基礎，對車輛疲勞荷載模型進行研究。

圖1 漳州市華安縣S208線139K+820處測點

圖2 泉州市永春縣S306線158K+500處測點

2 實測車輛疲勞荷載模型

2.1 簡化的疲勞車輛荷載譜

由于WIM系統(tǒng)實測的車輛荷載數(shù)據(jù)中車輛種類較多，因此，為便于統(tǒng)計和分析，需要將其簡化，并提出一組實用的車輛荷載頻值譜。具體簡化方法如下[12]：

(1)對WIM系統(tǒng)實測出現(xiàn)的車輛類型進行分類，根據(jù)實際情況可忽略不需要的數(shù)據(jù)。參考英國橋規(guī)BS5400[3]，輕小型客貨車總重小于30kN對橋梁疲勞損傷的影響很小，可忽略不計。將相同軸數(shù)的車輛合并在同一類，按車輛類型和軸數(shù)將車輛類型劃分為六類車型：客車、二軸貨車、三軸貨車、四軸貨車、五軸貨車和六軸貨車。

表1 實測車輛荷載數(shù)據(jù)統(tǒng)計匯總

(2)按等效疲勞損傷原理，求出每種車輛模型中各軸的等效軸重，各等效軸重之和即為模型車輛的等效軸重。等效軸重按下式計算：

式中，fi為第i輛車在所有統(tǒng)計車輛中所占的頻率(下同)，Wij為第i車輛的第j個軸的軸重，Wej為該類車輛模型第j軸的等效軸重。

(3)以歸于同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對頻率為權數(shù)，按軸距的加權平均值求出該類車輛模型的各個軸距。各軸距按下式計算：

式中，Aij歸為同一類車輛中的第i輛車的第j個軸距，Aj為該類車輛模型的第j軸距。

從疲勞損傷角度來分析，綜合考慮車輛比例和疲勞損傷比例兩個因素，選擇合適的車輛模型作為標準疲勞車輛荷載參考模型。根據(jù)公式(1)計算得到等效車重，按照標準疲勞車輛模型的軸型將該等效車重按比例分配到各軸，得到標準疲勞車輛荷載模型的各軸軸重，從而推導出標準疲勞車輛荷載頻值譜。

按照上述的方法，將各類車輛按照軸型類別進行分類統(tǒng)計，并計算出各類車輛模型的參數(shù)，最終得到對橋梁疲勞損傷有重要作用的六類疲勞荷載頻值譜，如表2所列。為使得模型車輛的荷載參數(shù)便于統(tǒng)計和應用，車輛軸重均取5kN的倍數(shù)，軸距均取100mm的倍數(shù)。

2.2 標準疲勞車輛荷載模型

對于橋梁橋面系構件，一般采用單車形式的車輛模型對其進行疲勞驗算，故可進一步分析疲勞荷載頻值譜的車輛荷載，最終得到一輛標準疲勞車輛模型。根據(jù)疲勞累計損傷準則，由下列公式計算按照等效總重計算得到各車型造成疲勞損傷占總損傷的比例。

式中，fi為第i種車型的比例；Wei為第i種車型的等效車重；m為表示S-N曲線斜率參數(shù)，本文取為3。

按照上述方法計算各車型疲勞損傷比例，表3列出了各車型疲勞損傷比例的匯總情況。從表3中所列數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)：C3、C4和C6車型疲勞損傷比例較大，其中，C6車型造成的疲勞損傷比例最大為73.10%，而且其流量比例為26.68%，在各個車型中也是最大的。C3車型和C4車型的疲勞損傷比例分別為11.63%和8.18%；從車流量來看，其流量比例分別為6.84%和17.10%，相比于C6車型，其疲勞損傷比例和流量比例均相差較大?？梢?，根據(jù)建省典型重載交通公路橋梁日常運營車輛荷載實際情況，選擇C6車型作為標準疲勞車輛荷載參考模型較為合適。按C6車型將該等效車重按比例分配到各軸，可得到標準疲勞車輛荷載模型的各軸軸重，從而推導出適用于福建省重載交通公路橋梁的車輛疲勞荷載模型，如圖3所示。

表2 車輛荷載模型荷載頻值譜

圖3 福建省重載交通公路橋梁標準疲勞荷載模型

表3 各車型疲勞損傷比例匯總

表4 本文標準疲勞車輛荷載模型與規(guī)范模型對比

表4列出了本文所建立的標準疲勞車輛荷載模型與我國現(xiàn)行規(guī)范[11]中的疲勞荷載計算模型的對比情況。從表4中可以看出，與我國現(xiàn)行規(guī)范的疲勞荷載計算模型相比，本文所建立的標準疲勞車輛荷載模型在總重、單軸軸重及軸距等方面均有所不同；本文模型比規(guī)范疲勞荷載計算模型的總重小23.5%，說明我國現(xiàn)行規(guī)范的疲勞荷載計算模型具有較高的可靠度和前瞻性。

3 結(jié)論

本文基于福建省典型重載交通路段布設的WIM系統(tǒng)的實測車輛荷載數(shù)據(jù)，研究適合福建省實際的標準疲勞車輛荷載模型，得出以下結(jié)論：

(1)福建省典型重載交通公路重型貨車超載情況十分嚴重，最大超載量高達397.78%，二軸貨車和三軸貨車的超載比例分別達到10.49%和17.19%。

(2)基于WIM系統(tǒng)實測車輛荷載數(shù)據(jù)，得到對橋梁疲勞損傷有重要影響的六類疲勞荷載頻值譜。

(3)綜合考慮車輛車流量比例和疲勞損傷比例兩個因素，提出了適用于福建省典型重載交通公路橋梁的標準疲勞車輛荷載模型。

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福建省交通運輸科技發(fā)展項目（201414），國家大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目（201610386015）