山東省高速公路橋梁車輛荷載研究

邢振華，周廣利，劉恩廣，侯躍敏

（山東省交通科學研究院，山東 濟南 250031）

引言

由于經濟發展水平和產業結構的不同，不同區域高速公路的交通荷載狀況存在一定的差異。我國設計規范中并未對以上的差異作明確的區分，因此，對既有區域或線路上的車輛荷載進行有針對性地研究，不僅可以指導既有橋梁的養護和維修，而且對橋梁結構的承載力評估和剩余壽命預測也有重要的指導意義。英國BS5400［1］較早地制定了鋼橋、混凝土橋基結合橋疲勞設計方法和疲勞車輛荷載模型，并在實踐中不斷的修正和完善。而我國對疲勞車輛荷載研究起步較晚，童樂為等［2-4］對上海、廣州等城市橋梁疲勞荷載進行了研究，交通量調查采用現場人工或錄像觀測的方法，軸重數據通過調研或查閱車輛技術手冊的方法，總體樣本量小，信息粗略且難以反映長期效應。隨著動態稱重技術系統（WIM）的日益成熟，孫守旺等［5-7］基于WIM 獲取的監測信息，對城市道路、高速和國省干線橋梁疲勞荷載信息進行了更深入的分析，建立了詳細的車重、車距、車道交通量、軸重和軸距的統計模型，對各種典型車型的疲勞損傷貢獻情況進行了研究，并對橋梁的內力分布規律進行了研究。周泳濤等［8］以遼寧省的數據為例，介紹了規范制定過程中公路橋梁疲勞車輛標準車的建立方法和過程，確定了44.5 t 的標準車作為遼寧省標準疲勞車式樣?！豆窐蚝O計通用規范》（JTG D60—2015）［9］增加了汽車疲勞荷載等標準值的規定，提出了3 種疲勞荷載的計算模型。

選取多個典型收費站，利用計重收費數據并結合路段的交通量觀測點的交通量調查數據，對車輛荷載信息進行分析，從而得到區域性的高速公路車輛荷載信息，《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）修訂時汽車荷載搜集也采用類似的方法［9］。

1 車輛類型的劃分

高速公路車輛通行費以車型作為劃分依據，根據《收費公路車輛通行費車型分類》（JTT 489—2003）［10］規定，山東省高速公路通行中客車和貨車車型分類見表1。

表1 山東省高速公路收費車型分類

山東省內高速通常采用軸組稱式計重收費系統，以車輛軸重共稱完成軸組稱重，累加各軸組的重量得到整車重量，同時，軸數和輪胎識別器可軸組進行識別，因此，通過收費站計重數據，可直接得到車型、軸數、車輛總重、軸組類型和對應軸重等車輛荷載信息［11］。通過對3 個高速收費站軸型數據分析，按照軸型組合對車輛類型分類，山東省內高速公路主要存在10 種車型見表2，車輛軸型分類標準［12］見表3。

表2 按照軸組分類的車型編號

表3 車輛軸型分類和說明

2 按車型分類的荷載狀況分析

對3 個收費站出口的數據進行分類匯總，對客車和貨車的交通量進行分析，表4 給出了3 個收費口客車和貨車的占比情況。3 個收費口車輛組成中，客車均以客1 車型為主，占客車交通量的94.41%～97.70%，貨車以貨5 車型為主，占到了貨車交通量的50.29%～75.48%，但是由于3 個收費站所處的位置不同，客1 和貨5 車型在總交通量的占比有所不同，其中G20 淄博口客1 占比最高，達69.65%，而對應的貨5 車型的占比僅為14.44%，而G20 魯冀界的貨5 占比最高，達44.66%，而G3 魯蘇界收費站在3 個收費口中，客1 和貨5 的占比均在居中位置。

表4 各車型的交通量及占比

根據車輛軸數進行的交通量統計結果見表5，3個收費口均以2 軸車和6 軸車為主，兩者之和占據了總交通量的91.46%～96.11%，其它車型占比均相對較小。

表5 各軸型車輛的交通量及占比

通過對比客貨車型和軸數占比可以看出，G20淄博口2 軸車的占比為83.01%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為82.76%，5 軸車和6 軸車總占比14.09%，貨5 占比14.44%；G20 魯冀界二軸車的占比為50.45%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為50.41%，6 軸車和6 軸車總占比44.04%，貨5 占比44.66%；G3 魯蘇界2 軸車的占比為61.77%，客1～4、貨1 和貨2 的總占比為61.44%，5 軸車和6 軸車總占比30.42%，貨5 占比30.59%；以上表明2 軸車基本上涵蓋了客1～4、貨1 和貨2 的交通量和荷載信息，貨車5 基本上包含了6 軸車和5 軸車的交通量和荷載信息。G20 淄博收費口附近高速公路管養部門設有交通量觀測站，每月 15 日進行24 h 的交通量觀測，通過對2015 年全年12 個月的交通量數據分析，除2 月份因為春節原因外的11 個月，大貨、特大貨、拖掛和集裝箱車輛的占比13.44%，和淄博口的貨5占比基本吻合，表明淄博收費口計重的交通量基本上反映了濟青高速主線的車輛組成狀況。表6 給出3個收費站客貨組成的分析，由于收費站所處位置不同，G20 淄博收費站交通量最大，客車占比較高，而G20 魯冀界和G3 魯蘇界貨車占比較高，除2 月份春節期間或10 月國慶節期間客車交通量大，客車交通量大于貨車外，其它月份貨車交通量大于客車，特別是春運期間，客車通行量大幅度提升，導致客貨比顯著提高。

表6 2015 年1—12 月客貨比統計

由于客車荷載主要取決于車輛自重，因此客車荷載較為穩定，特對貨車的荷載進行了進一步分析，2015 年1—12 月的每種車型的平均軸重進行了統計，見表7。貨1～貨5 的平均車貨總重在1 a 中有一定變化，但變化幅度較小。G20 淄博口車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-4.60%～6.95%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-2.97%～3.94%；G20 魯冀界車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-8.89%～12.69%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-6.06%～5.53%；G3 魯蘇界車貨總重較輕的貨1 和貨2 的較平均軸重的變化幅度為-8.58%～8.61%，車貨總重較重的貨4 和貨5 的變化幅度為-2.81%～4.03%。分析表明，對于既定的高速收費站出口，1 a 中的不同車型的車重總重較為穩定。車貨總重較小的貨1 和貨2 的荷載變化相對較大，而貨4 和貨5 的荷載變化較小。從3 個收費站的平均軸重看出，G20 淄博口的平均軸重相對較小，是由淄博口的車輛載貨量較小或者空載率高引起的，圖1 中可以看出，貨5 的車重呈現明顯的雙峰分布，淄博口的貨5 的低軸重的車輛數明顯大于高軸重的車輛數，導致淄博口的平均軸重明顯低于其他兩個收費口。

圖1 貨4 和貨5 的車重統計

表7 貨1～貨5 的車貨總重變化/kN

3 按軸組類型分類的荷載狀況分析

為了進一步簡化山東省高速公路橋梁車輛荷載模型，通過對3 個高速口的車輛進行統計分析，按照軸組類型進行分類，確定C1～C10 共計10 種典型的車型。部分車輛的有效信息在計重收費過程中數據丟失，導致C1～C10 的交通量統計信息和實際通行數據有一定偏差，一是部分車輛在通行收費口時未進行稱重，如客1 車型在節日期間未進行計重，還有部分貨車在計重過程中數據存在一定丟失；二是部分軸數車型較多，占比很小的車型未參與統計，如4 軸車輛中，除參與統計的115 型和125 型外，還有17型軸組類型，但2015 年17 軸型僅有13 輛。統計結果表明，未參與統計的車輛以節假日免費通行的小型客車為主，由于小型客車軸重較貨車特別是C9和C10 小，對結構安全性影響或疲勞損傷的貢獻均較小。表8 為參與統計的C1～C10 車型的占比情況。

表8 車輛荷載組成狀況分析

根據C1～C10 車型的交通量占比，2 軸的C1、C2 和6 軸的C9、C10 占比較高，其它車型占比均在5%以內，荷載分析的重點在2 軸車和6 軸車的數據分析上。對于2 軸車輛，C1 車型的軸重相對較小，車貨總重大部分在30 kN 以內，而對于C2車型，軸重分布較為分散，未呈現明顯的分布規律。6 軸車輛是高速公路運營過程中的主要車型，C9 和C10 車型的車重顯現明顯雙峰分布，見圖2、圖3。C9 車型第1 和第2 輪組軸重呈明顯的正態分布，第3 和第4 軸組的軸重呈明顯雙峰分布，C10 車型第1軸組軸重呈明顯正態分布，第2 和第3 軸組軸重均呈明顯的雙峰分布。

圖2 C9 車型總重分布

圖3 C10 車型總重分布

4 疲勞車輛荷載模型

根據車輛類型的劃分，按照10 kN 為區間單位，對車型C1～C10 進行車重的區間統計，求出每個區間的在該型車中所占的比例，然后按照等效的疲勞損傷原理，求出各個軸組的等效軸重，各個等效軸組的軸重之和即為模型車輛的車輛總重。

等效軸重：

式中：fi—在同一類車輛中的第i 個區間的車輛的相對頻率；Wij—第i 個區間車輛的第j 個軸組的軸重，kN；Wej—該類車輛模型中第j 軸組的等效軸重，kN。如C7 車型的軸型組合為157 型，共計3 個軸組，即前軸為單軸（每側單輪胎），中間軸組為雙聯軸（每側雙輪胎），后軸組為三聯軸（每側雙輪胎），在計重收費數據的軸重信息中，僅有軸組的重量，因此，共計3 個軸組重量，分別代表單前軸、雙聯軸和三聯軸，求出各軸組的等效軸重后，除以對應軸組的軸數，如軸型7 對應3 個軸，3 個軸間距很小，一般在1.4 m 以內，可不考慮3 軸間的重量差異［13］，每個的軸重取值為等效軸組重量的1/3。C1～C10 車輛模型的等效軸重見表9，P1～P6 為從前到后的等效軸重。

表9 C1～C10 等效軸重匯總/kN

為考察每種車型對結構疲勞損傷的貢獻，依據疲勞累積損傷準則，按照公式（2）根據等效總重計算每種車型造成的疲勞損傷占總損傷的比例見表10。

表10 C1～C10 車型的疲勞損傷率

式中：fi—第i 種車型的比例；Wej—第i 種車型的等效軸重，kN；m—S-N 曲線斜率參數，取3，2015 規范修訂時也取用了相同的參數［8-9］。

高速公路行駛的C1 車型軸重相對較小，但部分小型貨車也用了該種軸型，導致G3 魯蘇界等效軸重＞30 kN。但是從C1 車型對疲勞損傷的貢獻率看，不管C1 車型在總交通量中占比最大的淄博口，還是等效軸重最大的G3 魯蘇界，其疲勞損傷的貢獻率均＜0.1%。英國規范BS5400 中也指出，總重＜30 kN的車輛，對橋梁疲勞損傷影響很小，可忽略不計。

從對疲勞損傷的貢獻率看，C1 和C2 盡管交通量占比較高，但由于等效車重小，實際貢獻很小，均不到1%。6 軸車輛等效車重大，C9 和C10 的等效車重在398.7～505.9 kN，同時6 軸車在總交通量中占比較高，因此，對結構疲勞損傷貢獻值均在90%以上，特別是G20 魯冀界，6 軸車總的貢獻率達到97.6%，因此6 軸車輛荷載信息需要重點研究。建議以6 軸車為模型車輛建立山東省高速公路橋梁標準疲勞車輛。

根據表10 中等效軸重可以看出，G20 淄博口疲勞車等效車重最小，G20 魯冀界居中，G3 魯蘇界最大。G20 淄博口和魯蘇界的等效疲勞車重與《公路橋涵設計通用規范》（JTG D60—2015）［9］中計算模型II 的44.5 t 的6 軸車模型基本吻合，但G3 魯蘇界的等效疲勞車重要明顯大于規范中的車重。由于采用的軸載為收費站數據，宜采用G3 魯蘇界的6軸疲勞車輛作為山東省高速公路的標準疲勞車。根據6 軸車輛的軸距資料［7-8］，軸重取值按照向上舍入到5 kN 倍數方法，確定山東省高速公路橋梁標準疲勞車見表11。山東省高速公路等效的標準疲勞車M1 和M2 均為6 軸車，車輛總重分別為520 kN 和515 kN，大于規范［9］中6 軸疲勞車輛，但是小于山東省國省道標準疲勞車重量［14］。疲勞車M1 不管是三聯軸的軸重還是車輛總重均略大于M2，建議采用疲勞車M1 作為山東省高速公路橋梁標準疲勞車。

表11 高速公路橋梁標準疲勞車對比

對于既定軸數的車輛，疲勞損傷貢獻率主要取決于占比和重量，為分析6 軸車在不同軸重的損傷貢獻情況，統計了以10 kN 區間的各個軸重段的疲勞損傷貢獻情況，見圖4、圖5。G20 淄博口由于6軸車的空載率較高，導致C10 型車輛對疲勞損傷的貢獻率依舊呈現明顯的雙峰分布。但是對于G20 魯冀界和G3 魯蘇界，靠近空載區域的低軸重一側峰值明顯降低，對疲勞損傷貢獻較小，疲勞損傷貢獻率曲線呈現單峰狀態。

圖4 C9 車型的疲勞損傷貢獻

圖5 C10 車型的疲勞損傷貢獻

5 結語

山東省高速公路典型路段的車輛中客車均以客1 車型為主，占客車交通量的90%以上，貨車以貨5 車型為主，占到了貨車交通量的50 %以上，且平均車重在1 a 中變化幅度較小。通行車輛以2 軸車和6 軸車為主，兩者之和占據了總交通量90%以上，2軸車交通量和荷載信息基本上涵蓋了客1～客4、貨1 和貨2 的有效信息；貨車5 基本上涵蓋了5 軸車和6 軸車的交通量和荷載信息。盡管高速路網通行車輛以2 軸車為主，但2 軸車對結構損傷疲勞貢獻率較小，而6 軸車對結構疲勞損傷貢獻值在90%以上。規范［9］中6 軸標準疲勞車輛的總重和軸重取值偏小，山東省高速公路宜采用6 軸總重為520 kN 的標準疲勞車輛進行橋梁結構設計和驗算。

基于典型高速口計重收費數據建立標準疲勞荷載車輛是可行的，但車輛荷載對不同跨徑和不同橋型的效應需要根據車距和車道交通量等參數進一步分析，有關構件的疲勞荷載尚需進一步研究。