交通擁塞對橋梁結構影響分析及優化組織設計

聶立力，何丹

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430000;2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢430000）

交通擁塞對橋梁結構影響分析及優化組織設計

聶立力1，何丹2

（1.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北武漢430000;2.武漢市政工程設計研究院有限責任公司，湖北武漢430000）

對橋頭銜接道路條件及其交通流量進行調查分析，同時分析車輛荷載超標對橋梁結構的影響。運用VISSIM仿真軟件仿真銜接路口的排隊長度、延誤，指導銜接道路改善方案，減小排隊長度。對優化前后路段運行速度、路口服務水平、橋梁進口道排隊長度進行了對比分析，并提出了相應的交通管理措施，以期對橋頭銜接道路路口的優化設計提供參考。

交通擁塞；橋梁荷載；VISSIM；排隊長度；延誤

0 引言

黃岡市正在實施“東擴北進、跨河發展”的總體發展戰略，城東新區將成為黃岡市區空間拓展的重點區域，三臺河從新老城區之間蜿蜒而過。新老城區主要通過橋梁相連，隨著交通量的不斷增加，原銜接道路的通行能力已無法滿足要求，成為城市交通擁堵的主要發生之地，制約了新區的發展。特別是有些銜接道路為信號控制方式，在高峰期紅燈排隊期間等候排隊的車輛必然會對橋梁結構及承載力產生較大影響，尤其是較多重載車輛通行時，甚至可能引起橋梁結構變形或承載力不夠而造成橋梁坍塌[1]。

鑒于橋上車輛排隊對橋梁的不利影響，運用VISSIM仿真軟件仿真銜接路口的排隊長度、延誤，指導銜接道路改善方案，減小排隊長度，以期對橋頭銜接道路路口的優化設計提供參考。

1 橋頭銜接道路調查與分析

1.1 道路條件調查與分析

三臺河穩健醫療工業園橋（以下簡稱“工業園橋”）是黃岡中心城區與城東新區北部實現聯系的重要過河通道。工業園橋為雙向6車道，機非分離。

工業園橋與赤壁大道相連，赤壁大道是老城南北向的重要交通干路，沿線分布有東城尚品、經濟開發區、東方明珠、東華客運站等交通流量吸引點和發生點。工業園橋接線共與兩處路口相交（工業園路口距離橋頭約340 m，明珠大道路口距離工業園路口約420 m），其中，工業園路路口為讓行路口，明珠大道路口為信號燈控路口，但路口范圍大，交通秩序混亂。特別是距離工業園橋北側約1.1 km的三臺河橋拆遷重建后，原來走路口大道（京廣線）車輛需要繞行工業園橋，導致此路口交通壓力較大，尤其重載貨車占比較高。在早高峰期間車流量較大時，由于橋梁西側紅燈的控制，導致車輛在橋上存在排隊停車等待情況，嚴重時一直擁堵至橋東側交叉口處，且大貨車較多，大部分大貨車存在超載情況。圖1為銜接道路條件情況。

圖1 銜接道路條件情況

1.2 交通流量調查與分析

通過對早晚高峰交通運行狀況進行調查，從表1中可看出，小汽車占比最大，貨車占比次之。

赤壁大道與工業園路路口主要以赤壁大道至新區之間的交通聯系為主，工業園路進出車輛較少（見圖2a）。赤壁大道和明珠大道路口直行方向為主流向（見圖2b），其次為明珠大道北與工業園橋的左轉和右轉流向。

表1 車種比例

圖2 交叉口高峰小時流向與流量圖

根據現狀調查，在早高峰時期，左幅箱梁上3車道基本停滿車輛，最不利時期大貨車約占1/3數量，且大貨車基本處于最外側車道。

1.3 車輛荷載超標對橋梁結構的影響

該橋橋跨布置為48 m+80 m+48 m。主橋主體結構采用預應力混凝土連續梁橋，橋上設置3層疊加圓形拱，采用鋼箱構件。赤壁大道道路等級為Ⅰ級城市主干路，計算行車速度為50 km/h，橋梁寬度為3.0 m（人行道）+3.0 m（非機動車道）+0.5 m（護欄）+11.75 m（行車道）+0.5 m（護欄）+3.5 m（中間帶）+0.5 m（護欄）+11.75 m（行車道）+0.5 m（護欄）+3.0 m（非機動車道）+3.0 m（人行道）=41.0 m。

設計荷載標準：機動車道橋為城—A級，人行非機動車道橋為城—B級，人群按3.5 kN/m2,設計時車道荷載計算考慮了0.78的折減系數。

車輛荷載超標對橋梁的影響主要有以下三點：

（1）使橋梁產生疲勞和變形累積現象，當超限車輛過多時，引起橋面板開裂。

（2）早晚高峰時期，車輛集中在一側，導致橋梁偏載系數較大，對箱梁外側腹板影響較大，可能存在腹板開裂情況。

（3）梁體結構受到損傷，承載力下降，開裂彎矩降低，剛度下降，影響橋梁的耐久性和使用年限。

根據交通現狀調查結果，選取早高峰不利時期車輛荷載形式進行梁體驗算，車道荷載按3車道選取，但不考慮多車道橫向折減系數及縱向折減系數。偏載系數按照1.5考慮。荷載組合按標準組合考慮。頂板上緣應力結果如圖3所示。

圖3 板上緣應力分析

根據計算結果，在中墩處頂板和邊跨跨中頂板均產生拉應力，其中拉應力最大值為-2.28 MPa，超過規范要求短期效應組合下1.855 MPa。考慮到貨車存在超載情況，實際車輛荷載可能比本次計算采用值要大，對梁體會產生更加不利的影響。

2 改善思路

在調查、分析該交叉口現狀幾何尺寸及交通流量特性的基礎上，對交叉口進行渠化設計，對信號配時方案進行優化，并用VISSIM仿真軟件對渠化設計以及配時方案進行仿真，以控制橋頭銜接進口道排隊長度。路口整體延誤作為主要控制目標對渠化設計、信號配時進行優化調整，盡量減少車輛排隊對橋梁結構及承載力的影響和路口延誤。以路口通行能力和服務水平滿足交叉口交通需求為前提，盡量減小銜接路口橋頭進口道車輛排隊長度，并以最優方案優化路口[2，3]。圖4為橋頭銜接路口交通組織優化方案設計流程。

圖4 橋頭銜接路口交通組織優化方案設計流程圖

3 橋頭銜接道路優化方案

3.1 銜接道路交通組織和信號配時設計

3.1.1 道路交通組織優化設計

明珠大道赤壁大道路口根據道路的線形、交叉口尺寸和交通流量等特征對交叉口進行交通組織優化設計，其中，赤壁大道工業園路口調整為右進右出，設置人行過街紅綠燈，也作為工業園橋交通的緩沖；赤壁大道明珠大道路口進行渠化設計。圖5、圖6為通過仿真結果篩選出的最優方案。

圖5 明珠大道赤壁大道路口渠化圖

圖6 赤壁大道工業園路路口渠化圖

3.1.2 信號配時方案

根據交叉口渠化設計方案及實際交通量調查數據，對交叉口進行信號配時方案設計，包括相位、相序、最佳周期時長、各相位綠燈時間及黃燈時間的確定。信號配時方案如圖7、圖8所示。

圖7 赤壁大道明珠大道路口信號配時方案

圖8 赤壁大道工業園路路口信號配時方案

3.2 VISSIM仿真分析

3.2.1 仿真結果

針對赤壁大道（工業園橋橋頭—明珠大道）段的交通組織設計以及信號配時方案，對此段的交通運行狀況進行仿真。由于該段與工業園橋銜接，橋面上的排隊長度是設計主要考慮因素，因此選取路口延誤和赤壁大道工業園路路口排隊長度作為該信號交叉口的評價指標。

赤壁大道（明珠大道—工業園橋橋頭）段的運行速度為30.1 km/h，提速82%。赤壁大道明珠大道路口的每車延誤為41 s，比優化前延誤縮短了26 s；赤壁大道工業園路路口的每車延誤為27 s，比優化前延誤縮短了24 s，服務水平由原來的D及提升至C級。赤壁大道工業橋西進口道最大排隊程度為320 m，比優化前最大排隊長度縮短了92 m。優化前后對比見表2～表4。

表2 路段運行速度

表3 路口服務水平

表4 赤壁大道工業園橋西進口道排隊長度

3.2.2 分析結果

根據仿真結果，以赤壁大道工業園橋西進口最大排隊長度和交叉口平均延誤最小為目標，篩選出優化的最終方案。結論如下：

（1）通過渠化沿線路口，有效規范了交通秩序，提高了通行效率，服務水平均比原來提高1個等級。其中，赤壁大道-明珠大道路口由原來的E級提升至D級，赤壁大道-工業園路路口由原來的D級提升至C級。

（2）通過減少赤壁大道-工業園橋路口相位，并與相鄰路口（赤壁大道-明珠大道路口）形成協調控制，有效減小了西進口的排隊長度，避免了重載車輛排隊至工業園橋上。

3.3 交通管理措施

（1）設置標線標牌，明確大車在最右側車道行駛，保證重型荷載基本在箱梁中間，對結構更為有利。

（2）建議設置超載檢測站，防止超載車過橋（改裝車、軸載特別大的、軸載不超過15 t）。

（3）加強橋梁運營監控，采用設置應變片，測量撓度等措施。

（4）在早晚高峰期間采取限時禁貨措施。

4 結語

在調查分析赤壁大道（明珠大道—工業園橋橋頭）交通組織方式、交通流量的基礎上，分析了荷載對橋梁結構的不利影響，進行了交通組織優化設計，并進行相應的信號控制方案的設計。利用VISSIM仿真軟件對各方案進行仿真，以赤壁大道工業園橋路西進口道最大排隊長度最小和交叉口平均延誤最小為目標，選取最優方案，避免排隊至工業園橋，對橋梁結構產生破壞性影響。

[1] 郭建鋼,張文星,陳必太,等.基于VISSIM的橋頭交叉口改造優化設計[J].2013（1）：44-47.

[2] 伍安國,余征云,鄂德軍.城市橋梁改造中的橋頭交叉口典型問題及對策[J].2009(10):88-92.

[3] 姚世瑞,郭建鋼,李乃境,等.基于環境及排隊長度的橋頭交叉口信號配時優化[J].2016，11（10）：2179-2182.

U491.2+65；U441+.2

A

1009-7716（2017）11-0033-03

2107-07-05

聶立力（1983-），男，湖北武漢人，碩士，工程師，從事橋梁設計工作。

10.16799/j.cnki.csdqyf h.2017.11.009