基于動態(tài)稱重系統(tǒng)的交通需求特征及超載分析

收稿日期：2023-11-08

作者簡介：田靜靜（1997—），女，研究生，工程師，從事交通工程、交通規(guī)劃相關(guān)工作。

摘要 隨著智慧交通的發(fā)展，交通大數(shù)據(jù)的應(yīng)用越來越廣泛，是研究交通量、超載的重要基礎(chǔ)。文章基于埃塞俄比亞某典型公路的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)，通過不同維度的分析，探究公路交通的交通需求特征及超載特征，分析交通荷載對路面設(shè)計的影響，并提出相應(yīng)的改善建議。結(jié)果表明：交通量及當(dāng)量軸次的增長對路面性能的影響較大，特別是對瀝青混合料層的疲勞開裂、永久變形的影響程度較大?？梢娭剌d及超載使得路面結(jié)構(gòu)受力狀況與設(shè)計狀態(tài)差異較大，應(yīng)及時采取一定的措施。

關(guān)鍵詞 埃塞俄比亞；動態(tài)稱重系統(tǒng)；交通需求特征；超載；當(dāng)量軸次

中圖分類號 U418.8文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）01-0014-03

0 引言

隨著公路運輸?shù)拇笮突椭匦突?，對公路的性能提出了更高的要求，交通荷載參數(shù)因交通量大、軸型多，軸載分布區(qū)間等原因，成為公路路面設(shè)計中重要的設(shè)計參數(shù)[1-3]。大中型貨車、特大型貨車的增加使得重載、超載現(xiàn)象頻發(fā)，由此帶來嚴重的路面損害情況，許多國家都面臨著道路交通管理的嚴重挑戰(zhàn)[4]，因此對公路交通需求及超載的分析顯得尤為重要[5]。

以往文獻中對路面在車輛荷載情況下的應(yīng)力及應(yīng)變進行了大量的研究，但對真實數(shù)據(jù)的分析深度不足。研究基于埃塞俄比亞某典型公路的動態(tài)稱重數(shù)據(jù)，從不同維度分析公路交通需求及超載交通的特征，并研究交通荷載對路面結(jié)構(gòu)的影響，為類似項目的規(guī)劃設(shè)計、運營管理和維護提供相應(yīng)的技術(shù)參考。

1 概況

公路采用我國相關(guān)設(shè)計規(guī)范，技術(shù)等級為一級公路，雙向6車道，主線設(shè)計速度為100 km/h，全長35 km，已開通運營十年，路面交通已基本趨于穩(wěn)定，對檢測數(shù)據(jù)的分析具有一定的代表性。

研究數(shù)據(jù)采用運營單位提供的稱重系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集時段為24 h，采集數(shù)據(jù)均為統(tǒng)一編碼格式，包含車輛編號、載重、超載等信息。在初步分析的基礎(chǔ)上提取4個具有代表性觀測點的采集數(shù)據(jù)，分別記為P1、P2、P3、P4。

2 交通需求分析

2.1 交通量分布

如圖1所示，表示日均交通量在一天內(nèi)的時間分布，由圖1可見四個觀測點的日均交通量分布趨勢基本一致，日間交通量明顯高于夜間交通量，日間存在兩個較為明顯的峰值，分別在11：00—12：00和17：00—18：00，基本與一般統(tǒng)計規(guī)律吻合。

車道分布系數(shù)[6]是指道路上不同車道的流量分布情況，根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析，四個監(jiān)測點上90%左右的車輛都分布在1號車道（內(nèi)側(cè)車道）和2號車道（中間車道）上，車輛在各車道上分布不均勻，最外側(cè)車道未得到充分利用，車輛均不足10%。

車輛類型分布系數(shù)[7]是指道路上不同類型車輛的流量分布情況，該公路上車輛根據(jù)軸數(shù)可分為二軸、三軸、四軸、五軸、六軸五種類型，根據(jù)采集數(shù)據(jù)分析，二軸類型的車輛最多，四個觀測點的二軸車輛均超過了85%，三軸和六軸車輛占比超10%，四軸和五軸車輛最少。

2.2 速度分布

項目設(shè)計速度為100 km/h，如圖2所示，表示各觀測點車輛速度的分布頻率[8]，經(jīng)統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)，實際上絕大多數(shù)車輛的速度分布在30～75 km/h，其中速度在50～55 km/h附近的車輛最多，大多數(shù)車輛并未在設(shè)計速度附近行駛，說明公路的通暢性受到一定限制，應(yīng)結(jié)合其他相關(guān)分析制定相應(yīng)的優(yōu)化措施。

由于該次采集數(shù)據(jù)中超載數(shù)量較多，為分析超載車輛可能同時存在超速情況，對超載車輛的速度分布進行分析，發(fā)現(xiàn)超載車輛的速度分布整體趨勢與圖2基本一致，與所有車輛的速度分布相比，超載車輛的速度分布峰值有所左移，即超載車輛的速度峰值有所降低，峰值在40～50 km/h附近。

2.3 載重分布

重載交通是交通荷載對路面造成損壞的關(guān)鍵因素，為在路面設(shè)計和運營管理中更準(zhǔn)確地分析和考慮車輛載重對路面的影響，就需要獲得實際的載重數(shù)據(jù)，掌握載重的分布規(guī)律。

載重分布頻率是指各種軸型的車輛在不同載重區(qū)間出現(xiàn)的百分比，為了方便，該文每隔5 t設(shè)置一個載重區(qū)間。為了清晰反映車輛載重的分布規(guī)律，統(tǒng)計出各載重區(qū)間的累計分布頻率，如圖3所示。由圖3可知，四個觀測點的總體載重分布趨勢一致，絕大多數(shù)車輛載重均在25 t以內(nèi)，其中載重在10 t以下的占比最大，占比80%左右。

2.4 超載分布

車輛超載是造成公路路面損壞的重要因素之一，車輛超載越嚴重，對公路的破壞越嚴重。超載檢測系統(tǒng)可檢測車輛的實際載重及最大限制重量，根據(jù)《超限運輸車輛行駛公路管理規(guī)定》（2021修正），二軸、三軸、四軸、五軸、六軸車輛超限標(biāo)準(zhǔn)分別為18 t、27 t、36 t、43 t、49 t。系統(tǒng)檢測到的各種軸型車輛的實測最大載重，如表1所示。

由表1可以看出，在四個觀測點上，實測最大載重均大于對應(yīng)的最大限制重量，其中二軸、三軸車輛超出最大限制程度最高，在四個觀測點的實測最大載重幾乎為超限標(biāo)準(zhǔn)的兩倍。

超載分布頻率是指某一類型車輛中超載車輛數(shù)占該類型車輛總數(shù)的比例，如表2所示，表示四個觀測點的車輛的總體超載水平，其中P2、P3兩個觀測點的超載分布頻率較高，P2觀測點的超載分布頻率接近10%，已達到相當(dāng)高的超載水平。

為探究超載車輛的超載程度，分析了車輛的超載率[9]，超載率表示車輛超出超限標(biāo)準(zhǔn)的重量占超限標(biāo)準(zhǔn)的比值，可表示為（車輛實測載重－超限標(biāo)準(zhǔn)）/超限標(biāo)準(zhǔn)×100%。一般情況下，超載率超過30%即為嚴重超載，以超載率30%為例，二軸車輛超限標(biāo)準(zhǔn)為18 t，實測載重超過23.4 t即為嚴重超載；三軸車輛超限標(biāo)準(zhǔn)為27 t，實測超過35.1 t為嚴重超載，以此類推。

對四個觀測點的超載率分布情況進行統(tǒng)計分析，四個觀測點超載率分布情況整體趨勢類似，略有差異。其中，二軸超載車輛中超載率主要集中在30%以下，占比85%以上，大多屬于一般超載；三軸車輛整體超載率較高，60%以上超載車輛的超載率在30%以上，即60%以上三軸超載車輛屬于嚴重重載，應(yīng)著重對三軸超載車輛加強管控；四軸車輛超載率在不同觀測點存在些許差異，在P1～P3觀測點，70%以上超載車輛的超載率在30%以下，大多數(shù)屬于一般超載，而P4觀測點屬于嚴重超載的車輛占比較高，約占40%；五軸車輛75%以上均屬于一般超載；六軸車輛超載率在四個觀測點差異較大，P1、P4觀測點大多數(shù)超載車輛為一般超載，而P2觀測點約60%的超載車輛為嚴重超載。在后續(xù)采取超限管控措施時，可根據(jù)超載的分布特征有針對性地管控。

3 路面結(jié)構(gòu)影響分析

道路交通由大量多種類型車輛組成，不同類型的車輛對路面性能的影響程度不同，主要體現(xiàn)在施加在路面上的交通荷載不同。在路面設(shè)計中，通常采用軸載等效換算的方法將車輛對路面的影響轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)軸的當(dāng)量軸載，即將各級軸載的作用次數(shù)換算成標(biāo)準(zhǔn)軸載（100 kN）作用的軸載作用次數(shù)[10]。由于路面結(jié)構(gòu)設(shè)計是基于標(biāo)準(zhǔn)軸載確定的，車輛軸載的增加會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)變化和壽命的縮減[11]，為進一步確定路面病害產(chǎn)生的原因，對路面承受的荷載進行深入的分析。

車輛超載對公路的危害主要體現(xiàn)在公路病害急劇增加、公路使用壽命縮短、公路養(yǎng)護成本增加等方面。車輛超載的嚴重程度會通過交通荷載的變化施加到路面結(jié)構(gòu)上，會導(dǎo)致路表最大剪應(yīng)力、拉應(yīng)力及拉應(yīng)變的線性增大。

根據(jù)前述采集數(shù)據(jù)的分析預(yù)測，得到未來年交通量，與設(shè)計文件中交通量對比，如表3所示。

路面設(shè)計依據(jù)《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》（JTG D50—2017）相關(guān)規(guī)定進行設(shè)計，路面結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)如表4所示。

在路面設(shè)計中，驗算瀝青混合料層疲勞開裂和永久變形、無機結(jié)合料穩(wěn)定層疲勞開裂、路基頂面豎向壓應(yīng)變采用的累計當(dāng)量軸次存在差異，四種情形下累計當(dāng)量軸次的對比情況見表5。與設(shè)計文件相比，基于實測數(shù)據(jù)預(yù)測的交通量在不同情形下的累計當(dāng)量軸次均有所增長，增長率40%左右，其中對疲勞開裂和永久變形的影響最大。在實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)公路已存在少量的裂紋，建議定期進行養(yǎng)護，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題，防止裂紋進一步擴大。

4 結(jié)論與建議

（1）由交通量的統(tǒng)計分析得知，高峰時段主要集中在兩個時段，上午11：00—12：00和下午17：00—18：00，高峰時段與國內(nèi)交通規(guī)律存在一定差異，也與貨運車輛占比高有關(guān)，進行超載管控時應(yīng)重點對這三個時段進行管控。

（2）90%以上的車輛均在內(nèi)側(cè)和中側(cè)車道行駛，外側(cè)車道未得到有效利用，建議對占用外側(cè)車道行為進行處罰，并通過電子信息或指示牌等行駛指引車輛向最外側(cè)車道行駛。

（3）85%以上的車輛均為二軸車輛，在行車指引、超載管控過程中應(yīng)以此類車輛為主。

（4）二軸超載車輛大多數(shù)均屬于一般超載，但由于二軸車輛基數(shù)大，一般超載的車輛多，應(yīng)給予一定的重視；三軸車輛整體超載率較高，60%以上超載車輛的超載率在30%以上，屬于嚴重超載，危險性較高，應(yīng)著重對三軸超載車輛加強管控。

（5）基于實測數(shù)據(jù)預(yù)測的交通荷載對路面疲勞開裂和永久變形的影響較大，建議定期進行養(yǎng)護，及時發(fā)現(xiàn)并解決問題。

參考文獻

[1]郭宗昌. 濟青高速公路擴建工程路基施工技術(shù)研究[D]. 濟南：山東大學(xué)， 2018.

[2]謝波. 高速公路改擴建工程路基路面拼寬技術(shù)研究[J]. 山東交通科技， 2017（3）： 62+71.

[3]公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)： JTG B01—2014[S]. 北京：人民交通出版社股份有限公司， 2014.

[4]胡斯然， 周博聞， 張?zhí)煊? 基于交通大數(shù)據(jù)的超限超載車輛時空分析[J]. 公路， 2020（8）： 349-359.

[5]李佳， 任桂嬌. 基于軸載交通量調(diào)查的瀝青路面使用壽命分析[J]. 交通科技與經(jīng)濟， 2020（4）： 67-70+80.

[6]曾維樵. 基于軸載譜的路面結(jié)構(gòu)性能[J]. 沈陽大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）， 2015（6）： 495-502.

[7]孫小男， 趙曉川， 高棟. 基于動態(tài)稱重的山東省高速公路典型軸載譜分析[J]. 山東交通科技， 2016（3）： 109-112.

[8]牛樹云， 孫榮山， 張海林， 等. 面向路網(wǎng)管理應(yīng)用的車輛軸載數(shù)據(jù)分析研究[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2010（3）： 189-191.

[9]吳正光， 王超， 沈燕， 等. 基于實測的高速公路重載交通軸載分析[J]. 科學(xué)技術(shù)與工程， 2017（27）： 303-308.

[10]公路瀝青路面設(shè)計： JTG D50—2017[S]. 北京：人民交通出版社， 2017.

[11]白冰. 高速公路瀝青路面軸載分析及疲勞壽命預(yù)測研究[D]. 長沙：長沙理工大學(xué)， 2019.