高速公路桥梁收费站前拥堵车辆荷载评估

陈 攀

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海200092）

0 引言

某高速公路特大桥南引桥（25m跨）拟改、扩建为收费广场，根据以往经验，收费广场排队使得引桥段汽车间距减小，桥梁全宽、全长满布荷载及行车集中制动的概率大大增加，即实际运营状态的汽车荷载分布模式与规范规定的荷载有很大区别。为此有必要对收费广场部分桥梁的荷载标准（模式）开展评估，对旧桥改造和新建拼宽结构的实际交通状况进行深入分析，提出荷载标准（模式），以此作为旧桥改造和新建拼宽结构的设计标准。

该特大桥建于1996年，按汽车-超20级，挂车-120设计。引桥上部结构为25 m预应力混凝土先简支后连续T梁（滩孔），下部结构采用双柱式墩，基础为Ф1.8 m和Ф1.5 m钻孔灌注桩。桥面宽33.5 m，原横断面如图1所示。因规划需要，拟将收费站搬迁至该特大桥南岸，平面布置见图2所示。新收费站需占用该特大桥南引桥长度277.8 m，约11跨结构。出口侧桥面加宽宽度为27.73 m（左幅第一联）、47.20 m（左幅第二联），入口侧桥面加宽宽度为16.10 m（右幅第一联）。扩建后的横断面（右幅第1联）如图3所示。

1 拥堵车辆条件桥梁荷载影响因素

收费站排队，拥堵条件下，荷载评估主要考虑了以下几方面因素：

（1）出入口排队差异。收费站设置对左、右幅桥影响不同，需区别考虑。出口侧汽车在路堤排队，桥上则接近正常行驶，需考虑交通量的增长对其整体活载状况有不利影响及拼宽后横断面的变化引起结构受力的变化。而入口侧汽车会在桥上排队，汽车荷载分布模式与正常行驶条件差别较大，交通量增长、汽车荷载横、纵向布置模式、汽车制动力与改建前均有较大差异。此外，拼宽后横断面的变化也会引起结构受力变化。

（2）远景交通增长。实际调查发现，交通量偏大或频繁通行大吨位车、超重运输严重的重载交通桥梁，其实际汽车荷载与设计荷载分布模式之间有差别。参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》，考虑未来交通量增长及重载交通增加等因素，以活载修正系数的方式，反映交通量、大吨位车辆混入率（重载交通、超载车辆）和轴荷分布（轴重）对桥梁的不利影响。

（3）汽车荷载横向分布系数。收费广场排队状态下，多车道横向最不利布载出现的概率与正常行驶条件下的概率是不同的。同时桥面改造成为宽桥，原荷载横向分布系数计算方法对其可能不再适用。

（4）汽车纵向布置。收费广场汽车荷载的纵向分布间距（车距）、车队组成成分（轴间距、轴重）与常态荷载轴间距分布有差异。

（5）汽车制动力。收费广场的汽车会同时或集中制动，其概率明显高于规范标准。应考虑汽车集中制动对桥梁的不利影响，对汽车荷载的制动力进行调整。

2 活载模式评估

2.1 活载影响修正系数确定

参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》，汽车荷载分布特征主要表现在交通量、大吨位车辆量混入率和轴荷分布三个方面。

2.1.1 对应于交通量的活载影响修正系数分析

交通量的活载修正系数通常是远景年预测交通量与设计交通量的比例系数。而大桥现场调查期的实际日标准交通量（50579 pcu，折算为标准交通量）大于2030年的预测日标准交通量（36317 pcu）。实际交通量与设计交通量之比为Qm/Qj=50579/50000=1.012，计算得到的活载影响修正系数为ξq1=1.002。

2.1.2 对应于大吨位车辆混入率的活载影响修正系数分析

以重力超过汽车检算荷载主车（20t）的大吨位车辆交通量与实际交通量的比值确定该系数。根据交通量监控数据，见表1所列 。参考《公路桥梁承载能力检测评定规程》计算得到大吨位车辆混入率的活载影响修正系数为ξq2=1.012。

表1 收费站出口交通量车辆荷载汇总表

2.1.3 对应于轴荷分布的活载影响修正系数分析

实际车辆的轴荷分布情况调查以货车为主，统计了轴重超过汽车检算荷载最大轴重（14t）的比例为74.7%。根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，对应于轴荷分布的活载影响修正系数为ξq3=1.40。

2.1.4 活载影响修正系数的推定

根据《公路桥梁承载能力检测评定规程》，以交通量、大吨位车辆混入率和轴荷分布分析为基础，推定活载影响修正系数为：

2.2 汽车荷载横向分布修正

2.2.1 考虑实际情况的多车道横向折减系数分析

多行车队的横向折减系数主要是考虑随着横向布置车队数的增加，各加载车道上的车辆荷载同时处于最不利位置的概率减小。各车道上车辆同时处于最不利位置是一种随机性事件，对一般桥梁而言，各车道上的车辆荷载可认为是互不相关的。对于该特大桥南引桥而言，收费站的设置使荷载横向分布特性发生变化，其横向各车道同时出现最不利荷载的概率大为增加。基于以上因素的考虑，参考《公路工程技术标准》（JTG B01-2003）规定，其荷载横向分布系数应对多车道横向折减系数适当提高，如表2所列。

表2 多行车队横向折减系数表

2.2.2 合适的荷载横向分布系数计算方法

一般梁式桥的荷载横向分布系数计算采用刚接梁法（方法一）或采用空间梁格系有限元法（方法二）计算。对改造前桥梁的宽跨比合适条件下采用刚接梁法较为合适，为此采用MIDAS软件（空间梁格计算模型见图4），建立空间梁格系有限元模型（未拼宽部分和拼宽16.10m部分），计算不同工况下的主梁内力，确定其对应的荷载横向分布系数。将两方案计算结果进行比较，仅以右幅第一联（加宽 16.10 m）荷载横向分布系数采用两种方法计算的结果为例 （其余案例略），见图5～图7所示。

计算表明，少车道中梁采用空间梁格法计算的荷载横向分布系要稍大，随着车列数的增加，两种方法计算得到的横向分布系数结果趋于一致；边梁采用两种方法计算得到的荷载横向分布系数基本一致。为简单计算，刚接板梁法可用于该宽桥横向分布系数的计算，对于支点截面横向分布系数，可仍按“杠杆法”计算。横向布载宽度可仍按规定布载。

2.3 汽车荷载纵向分布模式调整

出口侧汽车在路堤上排队，在桥上则接近正常行驶状态，可延用原规范的规定。入口侧汽车在桥上排队，汽车荷载纵向分布模式与正常行驶条件下的差别较大，应以实地调查数据为基础，考虑概率特征，确定右幅桥的汽车荷载纵向分布模式。《公路工程技术标准》（JTJ 001-97）中对汽车纵向间距的确定是以样本数据按皮尔逊-Ⅲ型曲线整理得出。鉴于汽车排队状态下纵向间距的分布，有别于汽车正常行驶状态下的纵向间距分布，其概率密度分布函数可能不同。

收费广场汽车排队纵向车间距调查地点以收费站（旧址）为对象，实测汽车在收费广场排队状态下的纵向间距。连续三个调查日内，调查车距共320组，其中标准车与标准车纵向间距183组，加重车与标准车间距137组。根据样本数据绘制其统计直方图，标准车与标准车纵向车距的分布区间为〔3.4 m，12.9 m〕，加重车与标准车纵向车距的分布区间为〔3.3 m，13.5 m〕，其统计直方图如图8、图9 所示，数值特征见表3所列。

表3 样本数据的数字特征一览表

从图8、图9及表3可以看出，两组样本数据均为不对称单峰分布，标准车与标准车纵向间距平均值小于加重车与标准车纵向间距平均值，标准车和标准车纵向间距样本数据的偏度和峰度均大于加重车和标准车样本数据的计算结果。因此，对两种纵向车距应区别对待，分别采用不同的概率密度函数拟合其分布特征。

以皮尔逊曲线族对样本数据进行概率密度分布拟合，标准车与标准车纵向间距符合皮尔逊－Ⅵ型分布，如图10所示，加重车与标准车纵向间距符合皮尔逊－Ⅰ分布，如图11所示。从拟合结果可以看出，排队状态下，汽车纵向间距的分布函数与正常行车条件下不同。

根据概率累积曲线，超越概率为95%时的标准车与标准车纵向间距为4.0 m，超越概率为95%时的加重车与标准车纵向间距为4.8 m。根据以上分析，入口侧的汽车车队纵向排列图式如图12所示，而出口侧（左幅）的汽车车队纵向排列图式可按原规范规定考虑。

2.4 汽车制动力修正

一般情况下，汽车制动力约为0.2 QQQW左右（W为汽车总重力）。而车队行驶时，需保持一定间距，其停车、起动都受到限制，因此，车队行驶时每辆车的制动力比单车行驶时小。同时，由于上部构造的惯性、制动力部分消耗在上部构造（包括支座）和桥墩的变形上，所以传递到桥墩的上制动力约为全部制动力之半，即0.1 W。《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89） 和 《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）均以此为标准确定汽车制动力。

当车队由正常行车状态驶向收费广场时，汽车纵向间距接近正常行车条件下的纵向间距，但汽车集中制动的概率比正常行车条件下大；而当汽车在收费广场排队时，汽车纵向间距比正常行车条件下的小，此时车速较低，其停车、起动都受到限制，但横向满布荷载的概率比正常行车条件下大。对于出口侧桥梁，汽车上桥后有一个加速的过程，对桥梁结构产生一个与行车方向相反的水平力，其作用与车队驶向收费广场时的制动力相似。

2.4.1 车队从正常行驶状态驶向收费站时的制动力

入口侧（右幅）当车队从正常行驶状态驶向收费站时，其纵向车距接近正常行驶条件下的纵向车距。根据《道路交通标志和标线》（GB 5768-1999）内容，驶向收费车道的车辆减速度约为1.8 m/s2。按此减速度计算一行汽车－超20级车队在该特大桥南引桥5跨一联上的制动力为195 t×1.8 m/s2=351 kN。出口侧（左幅）汽车上桥后处于加速阶段，其对桥梁的反向水平力可按此方法计算，并考虑多车道横向折减。

2.4.2 车队在收费广场排队时的制动力

入口侧收费广场排队汽车纵向间距小，车速低，集中制动的概率较正常行车大。此处参考规范对汽车制动力的计算标准，按汽车总重力的10%计算其制动力。根据图12，按一行车队总重的10%计算其汽车制动力为328kN。

2.4.3 汽车制动力比较

按《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）计算南引桥5跨一联内一行车队的制动力为1750 kN×10%=175 kN；按 《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规定，一个车道上汽车制动力按车道荷载标准值在加载长度上计算总重力的10%，即(10.5 kN/m×125 m+260 kN)×10%=157.25kN， 但小于标准值165kN要求，制动力取165 kN。

比较认为该收费站不同联长的桥梁制动力计算可参考上述方法分别计算。偏安全考虑，取最大值合适。

2.5 汽车荷载冲击系数计算

汽车的冲击系数是汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数。冲击作用有车体的振动和桥跨结构自身的变形和振动。按“04”规范规定，可利用有限元模型计算得结构基频，再计算得各幅桥梁冲击系数方法，该工程计算结果见表4所列。而当无更精确方法计算时，规范也给出了估算方法。按上述计算规定分别进行了荷载冲击系数计算，见表5所列。

表4 估算方法计算各幅桥梁结构基频与冲击系数一览表

表5 按估算公式计算各幅桥梁结构基频与冲击系一览表

根据《公路桥涵设计通用规范》（JTJ 021-89）计算，汽车荷载冲击系数仅为μ=0.15。与《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）规范比较，后者的计算方法直接反映了冲击系数与桥梁结构振动特性之间的关系，该方法更科学、合理。

3 结论

（1）桥梁因收费站拥堵、排队或其他因素拥堵（多发），其车辆荷载较正常荷载标准变化较大，应予以修正。

（2）对于宽跨比过大的预制拼装T梁桥其荷载横向分布系数按刚接梁法计算，其精度可满足工程需要。

（3）改造桥梁使用一定年限后其自身质量状况必然有所降低，应开展全面质量检测，进行其现状承载力能力评定，参考该评估的标准，作为桥梁加固或设计的验算荷载。

[1]JTJ 021-89，公路桥涵设计通用规范[S].

[2]JTG D60-2004，公路桥涵设计通用规范[S].

[3]JTG B01-2003，公路工程技术标准[S].

[4]JTJ 001-97，公路工程技术标准[S].

[5]公路桥梁承载能力检测评定规程[Z].北京：交通运输部公路科学研究院，2005.

[6]高速公路xx收费站搬迁工程xx特大桥南引桥荷载标准 （模式）评估[Z].北京：交通部公路科学研究所，2009.