基于WIM的錫澄運(yùn)河大橋車道荷載參數(shù)研究

李 寧，楊澤剛

（1.江蘇沿江高速公路有限公司，江蘇 常熟 215500；2.江蘇華通工程檢測(cè)有限公司，江蘇 南京 210014）

車道荷載是橋梁設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，但卻不適用于既有橋梁的安全評(píng)估。對(duì)于既有橋梁的安全評(píng)估，應(yīng)根據(jù)實(shí)際采集的車輛數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，得到更貼合實(shí)際的車道荷載參數(shù)。近幾年，隨著動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)（Weigh-in-motion,WIM）的應(yīng)用普及，業(yè)內(nèi)已經(jīng)開展了很多基于WIM實(shí)測(cè)車輛數(shù)據(jù)建立實(shí)際運(yùn)行車輛荷載模型的研究[1]。比如Obrien等[2]基于若干條高速公路車輛監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了具有代表性的重點(diǎn)橋梁車輛荷載參數(shù)；Oswaldo等[3]基于WIM數(shù)據(jù)，同時(shí)引入貝葉斯網(wǎng)絡(luò)算法，建立了既有橋梁車道荷載模型。“公路橋梁車輛荷載研究”課題組[4]在交通調(diào)查之后，基于實(shí)際車輛荷載參數(shù)，分析得到了“公路-I級(jí)”和“公路-II級(jí)”2級(jí)車道荷載。由此可見，基于WIM實(shí)測(cè)車輛數(shù)據(jù)，計(jì)算既有橋梁汽車荷載參數(shù)的技術(shù)路線已較為成熟，在路橋養(yǎng)護(hù)行業(yè)也得到了廣泛的認(rèn)可。

1 極值理論

2 車道荷載參數(shù)研究技術(shù)路線

文章提出技術(shù)路線如圖1所示。首先建立錫澄運(yùn)河大橋有限元模型得到關(guān)鍵截面內(nèi)力影響線；然后將WIM系統(tǒng)采集到的車輛數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成集中力序列施加到影響線上，即可獲得大量?jī)?nèi)力樣本值；接著采用GEV模型分析出實(shí)際內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值；最后將實(shí)際內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值和規(guī)范荷載作用下的內(nèi)力值的比值乘以規(guī)范車道荷載參數(shù)，即可得到實(shí)際車道荷載參數(shù)。

3 錫澄運(yùn)河大橋內(nèi)力影響線

3.1 工程背景

圖1 技術(shù)路線

錫澄運(yùn)河大橋位于江蘇沿江高速公路，主橋?yàn)橹骺?4m鋼管混凝土系桿拱，采用“剛性拱、剛性系桿”體系，拱軸線為二次拋物線，矢跨比為1∶5，矢高14m。橋梁設(shè)計(jì)荷載等級(jí)為汽車超20級(jí)，掛車120級(jí)。為監(jiān)測(cè)該橋?qū)嶋H承受交通狀況，2015年12月安裝了雙向6車道動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 錫澄運(yùn)河大橋動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)

3.2 基于Midas的有限元模型建立

基于Midas軟件建立錫澄運(yùn)河大橋有限元模型，該模型由梁?jiǎn)卧丸旒軉卧M成，然后基于有限元模型得到錫澄運(yùn)河大橋拱肋1/2截面軸力影響線。

4 錫澄運(yùn)河大橋車道荷載

4.1 荷載效應(yīng)時(shí)程值計(jì)算

WIM系統(tǒng)測(cè)得的車輛數(shù)據(jù)包含了每輛車的總重、各軸重、各軸距、車間距等50多個(gè)參數(shù)。通過計(jì)算機(jī)自編程序?qū)?shí)測(cè)車輛數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成車隊(duì)，然后抽象為集中力序列，以固定步長(zhǎng)施加到拱頂軸力影響線上，即可得到拱頂軸力的時(shí)程值。值得指出的是，對(duì)于錫澄運(yùn)河大橋這種影響線較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)而言，每輛車的各車軸布局對(duì)整車荷載效應(yīng)計(jì)算結(jié)構(gòu)的影響較小，因此在將車流抽象為集中力序列的過程中，可僅考慮車輛總重和總軸距，而不需要考慮各軸重和軸距。

4.2 荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值

在荷載效應(yīng)時(shí)程中取每天的最大值，那么各最大值可以認(rèn)為是獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量，然后建立由這些最大值組成的區(qū)組最大值樣本庫。根據(jù)極值理論，這些區(qū)組最大值可以認(rèn)為符合廣義極值分布。廣義極值分布擬合分布函數(shù)如下：

擬合效果如圖3所示。

圖3 廣義極值分布擬合

由于車輛荷載效應(yīng)是可變作用產(chǎn)生的，因此可以看作平穩(wěn)二項(xiàng)隨機(jī)過程，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T內(nèi)荷載效應(yīng)最大值的概率分布函數(shù)FT(x)可按下式計(jì)算：

式中：Fj(x)為荷載效應(yīng)的截口概率分布函數(shù)；m為荷載效應(yīng)在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T內(nèi)的平均出現(xiàn)次數(shù)。

若Fj(x)=H(x)，那么設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期取為100年時(shí)[5]，m=100×365，則FT(x)可表示為

4.3 基于荷載效應(yīng)比的車道荷載參數(shù)

要想得到實(shí)際車道荷載參數(shù)，應(yīng)首先選用規(guī)范公路-I級(jí)進(jìn)行加載，按照3車道取橫向折減系數(shù)0.78[6]。需要注意的是，WIM系統(tǒng)所測(cè)車重不包括車輛對(duì)橋面的沖擊力，因此計(jì)算規(guī)范荷載作用下的拱頂軸力時(shí)，應(yīng)只考慮車道荷載標(biāo)準(zhǔn)值的作用，而不需要計(jì)入沖擊系數(shù)。通過兩種途徑計(jì)算出荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值即可得到荷載效應(yīng)比，將比值乘以規(guī)范車道荷載參數(shù)即可得到實(shí)際車道荷載參數(shù)。最終得到錫澄運(yùn)河大橋?qū)嶋H運(yùn)行車道荷載參數(shù)，如表1所示。

表1 車道荷載參數(shù)

5 結(jié)論

（1）GEV模型對(duì)模擬每天內(nèi)力最大值的分布具有較好的效果，在數(shù)據(jù)量不足時(shí)可以采用每小時(shí)最大值等代替。

（2）基于WIM系統(tǒng)實(shí)測(cè)車輛數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)有限元模型可以較為準(zhǔn)確地得到既有橋梁實(shí)際運(yùn)行車道荷載參數(shù)。從計(jì)算結(jié)果來看，錫澄運(yùn)河大橋受力狀況基本在安全范圍內(nèi)，但需加強(qiáng)日常養(yǎng)護(hù)管理。

（3）錫澄運(yùn)河大橋各車道及兩個(gè)方向的荷載都存在一定差異，對(duì)于橋梁和路面養(yǎng)護(hù)可以采取差異化對(duì)待，以期降低全壽命期成本并提高養(yǎng)護(hù)效率。