福州市城市桥梁疲劳荷载研究

赵 秋, 陈长俊, 汪文堃

(福州大学土木工程学院， 福建 福州　350116)



福州市城市桥梁疲劳荷载研究

赵 秋, 陈长俊, 汪文堃

(福州大学土木工程学院， 福建 福州350116)

通过对福州市城市桥梁交通荷载和运营车辆的装载情况调查， 得到由32类日常典型的运营车辆组成的荷载频值谱， 以及货运车辆的空载率. 根据等效疲劳损伤原理将所得到的荷载频值谱简化为由6辆疲劳荷载模型组成的具有实用性的荷载频值谱. 进一步分析得到一辆适宜验算桥面系构件的标准疲劳车辆荷载模型. 所得到的疲劳荷载频值谱和疲劳车辆荷载模型， 可以供城市钢桥疲劳损伤验算参考.

城市钢桥； 桥梁疲劳； 车辆荷载模型； 荷载频值谱； 福州市

0　引言

桥梁日复一日承受着车辆荷载的作用， 在反复应力的作用下， 很容易引起钢桥的累积损伤， 最终导致疲劳破坏. 基于导致钢桥疲劳破坏原因， 疲劳荷载不能采用最不利情况下的静力强度设计标准活荷载， 而应选取具有代表性的、 典型的日常运营车辆荷载. 目前我国对钢桥疲劳设计的车辆荷载谱的研究还不够深入， 具体的分析基本上是参考其他国家的相关规范进行. 然而对于国外规范中所给出的标准疲劳车辆荷载是根据本国的交通情况所确定， 这样的车辆荷载跟我国的实际交通荷载情况不符. 近年来， 虽然我国公路桥梁疲劳荷载的研究取得了一些成就， 但针对城市道路桥梁疲劳荷载的研究发展缓慢. 目前， 有童乐为等[1]、 陈惟珍等[2]和王春生等[3]等对上海市进行了城市道路桥梁疲劳荷载的研究， 以及王荣辉等[4]对广州市进行了城市道路桥梁疲劳荷载的研究， 但是这些研究均是十年前的成果. 本文通过对福州市城市道路桥梁疲劳荷载进行调查， 得出适用于福州市城市钢桥疲劳设计的疲劳车辆荷载谱及疲劳车辆荷载模型， 供城市桥梁疲劳验算参考.

1　疲劳荷载调查断面选择与调查方法

1.1调查断面选择

福州地区河水系发达， 闽江、 乌龙江穿越福州城区， 两江之上共有17座桥梁, 使被江分割的城区连结在一起. 其中鼓山大桥是一座独塔自锚式钢悬索桥， 且没有对车辆进行特殊限行， 该桥位于福州闽江北港的江面上， 主桥与接线工程南起南二环路与则徐大道交叉口， 并往东北方向延伸， 分别与林浦路、 南江滨路立体交叉， 而后通过鼓山大桥跨越闽江和江滨大道， 再继续跨光明港， 终点止于鳌港路， 接机场高速公路二期国货互通立交， 鼓山大桥距上游鳌峰大桥约2 500 m， 距下游魁浦大桥约3 000 m. 综合各方面因素， 选择鼓山大桥作为疲劳荷载调查地点.

1.2疲劳荷载调查方法

采用录像观测法进行疲劳荷载的调查， 即利用录像机作为便携式记录设备， 通过一定时间段内的连续录像， 记录车流量的详细资料， 并由专业人员通过录像对车辆进行分类统计. 调查内容除了统计车辆的类型外， 还需要获得车辆的轴数、 轴重和轴距等车辆荷载参数. 根据现场观察的车辆类型， 将车辆细分为轻型客车、 中型客车、 大型客车等32小类(用代号V1～V32表示)作为分类统计的依据， 再根据《中国汽车车型手册》[5]获取各类车的轴型、 轴重和轴距等数据， 具体如表1～2所示.

表1　疲劳荷载调查车辆轴重Tab.1　Axle load of vehicles for investigation of fatigue load　(kN)

注： 表中()里的轴重是空载情况下的车辆轴重

表2　疲劳荷载调查车辆轴距Tab.2　Wheel base of vehicles for investigation of fatigue load

实际车辆的装载情况只有两种情况[6]: 一是空载， 对绝大数非封闭的车箱， 调查时可观察到并加以记录， 各生产厂家都有统一的基本标准， 每一类别的车辆虽然有不同的车型， 但是它们的车辆轴重和轴距基本上不会有太大的差别. 二是非空载， 包括欠载、 满载和超载三种情况. 虽然超载属于交通违章， 但实际上是较普遍存在的， 可以认为各个类别的非空载车辆荷重在满载的额定值上下波动， 因此作为简化处理， 对调查时观测到的各类非空载车辆按名义上的额定荷重取值， 基本上代表了各类车辆荷重总体上的平均情况. 通过以上的方法所得到的车辆参数虽然与实际情况有所出入， 但还是适用的.

2　疲劳荷载调查结果与分析

对鼓山大桥进行三次连续观测和一次复核观测. 第一次观测于2012年8月23日18时至24日12时， 天气阴天转小雨. 第二次观测于2012年8月26日16时至27日8时， 天气晴. 第三次观测于2012年9月1日9时至19时， 天气晴. 最后一次复核观测于2013年1月26日8时至18时， 天气晴.

鼓山大桥双向八车道， 车道编号如图1所示. 由仓山进入鼓山方向行车道依行车方向由左到右依次为1、 2、 3、 4车道； 由鼓山进入仓山方向行车道依行车方向由左到右依次为5、 6、 7、 8车道. (为了表达简洁， 下文将仓山进入鼓山方向行车道简述为进鼓山车道， 鼓山进入仓山方向行车道简述为出鼓山车道).

2.1空载率调查

第一次交通调查过程中， 现场对非封闭车厢比例较大的车型V6、 V7、 V12、 V23进行了空载调查， 调查结果如表3所示. 空载率在33%～49%之间， 平均值为40.89%. 这和日本桥梁交通调查得到的各类车辆的空车率基本一致[6]. 本文使用40%作为非客车车辆的空载比例.

表3车辆空载率

Tab.3No-load ratio of vehicles

注： 对于V6-V32这 27种车型采用40%的空车比率; V2-V5客运车辆考虑到客车的营运目的全部采用满载情况

2.2日交通量分析

在第一次共19 h的观测中， 双向车辆总数为43 005辆， V1轻型车辆数为34 130辆， 占双向总车辆数比率的79.36%. 其余31类对钢桥疲劳损伤有较大影响的车辆总数为8 875辆， 占双向总车辆数比率的20.64%. 其中方向不均系数为22 190/43 005=0.52. 其余三次观测的具体结果如表4所示.

由表4中可以看出方向不均匀系数基本不变， 这说明进出鼓山的交通量分布较为稳定. 在三次观测中， V1类车辆占总数的平均值为80.26%， 比其他车辆的总数还多. 其他类型车辆中货车和客车居多， 而货车的车流量是客车的两倍多， 货车流量中最主要的还是轻型货车， 其次是重型货车， 客车中中型客车占的比例最大. 同时通过调查表明8:00-10:00和18:00-19:00这两个时间段是高峰期.

表4观测结果数据

Tab.4Observed data

以第一次交通调查为准， 其调查时段包括了早高峰和晚高峰时段， 而平峰时段的交通量变化不大， 同时结合三次的调查数据， 根据各类车辆双向交通量的比例关系和《城市道路工程设计规范》中关于道路通行能力和服务水平的相关规定， 将各类车辆的双向交通量换算成24 h的双向交通量， 进而得到各类车辆双向交通量的构成比率， 见表5.

表5车辆荷重和构成比例

Tab.5Vehicle load and component ratio

注：n24 h表示24小时双向车辆总数；F总表示车辆总荷载

3　标准疲劳车辆荷载模型

3.1简化的疲劳车辆荷载谱

由于表5所示的车辆荷载谱中车辆种类较多， 不适用于钢桥的疲劳验算， 所以需要将其进行简化并提炼出一组比较实用的车辆荷载频值谱. 具体方法如下：

1) 对表5中的V2-V32共31种类型车辆重新分类， 将相同轴数的车辆合并在同一类， 分别对重新确定的每一类建立一种车辆模型. V1类的轻小型客货车及摩托车， 因总重小于30 kN， 对钢桥疲劳损伤的影响很小， 可忽略不计， 英国桥规BS5400[7]也采用了这一处理方法.

2) 按照等效的疲劳损伤原理， 求出每种车辆模型中各个轴的等效轴重， 各个等效轴重之和即为模型车辆的等效轴重， 等效轴重公式为：

(1)

式中： fi为归在同一类车辆中的第i辆车的相对频率， 即第i辆车在所有统计车辆中所占的频值数(以下类同)； Wij为第i车辆的第j个轴的轴重； Wej为该类车辆模型第j轴的等效轴重.

3) 以归于同一类的每种车辆出现的相对频率为权数， 按轴距的加权平均值求出该类车辆模型的各个轴距， 采用的公式为：

(2)

式中： Aij归为同一类车辆中的第i辆车的第j个轴距； Aj为该类车辆模型的第j轴距.

按照上述的方法， 将表5中轴数相同的各类车辆合并， 重新分为六个类别， 并计算出各类车辆模型的参数， 最终得到对桥梁疲劳损伤有重要作用的六类疲劳荷载模型, 如表6所示. 表6中的车辆荷载按前述分析已考虑了车辆的装载情况. 其中C2和C3两种模型虽然都是3轴， 但是C2的前轴和中轴的距离较远， 而C3的前轴和中轴的距离较近， 在进行钢桥疲劳验算时这两者所产生的应力幅值以及应计算的循环数有较大的区别， 所以加以区别分类.

表6　车辆模型荷载频值谱Tab.6　Frequency value spectrum of model vehicle load

注： 为使得模型车辆的荷载参数较为简洁和应用上的方便， 车辆的等效轴重均取5 kN的倍数， 轴距均取100 mm的倍数；F总表示车辆总荷载；F轴表示轴的荷载;n日交通表示各模型车辆的日交通量

3.2标准疲劳车辆荷载模型

对于桥梁桥面系构件， 宜采用单车形式的车辆模型对其进行疲劳验算， 故可进一步分析表6中的车辆荷载， 最终得到一辆标准疲劳车辆模型. 根据疲劳累计损伤准则， 由公式(3)按照等效总重计算得到各车型造成疲劳损伤占总损伤的比例， 如表7所示.

(3)

式中: fi为第i种车型的比例； Wei为第i种车型的等效车重； m为表示S-N曲线斜率的参数， 在此取3.

表7　各车型的疲劳损伤比例Tab.7　Fatigue damage ratio of different vehicle models

注：F等效表示等效车重

从疲劳损伤角度来看， C1、 C4、 C6车型造成的损伤的比例较大， 其中C6最大. 从所占流量比例来看C1最大， 比其他5类车辆的总数还多. 虽然车型C6造成的疲劳损伤最大但其数量较少， 还不到总量的1%， 而C1的损伤比例虽比C6小， 但其所占流量比例是C16的20多倍、 C4的30多倍. 综上所述选择C1作为标准疲劳车辆荷载参考模型比较合适.

进一步对表6数据根据公式(1)计算得到等效车重为165 kN， 按照C1轴型将该等效车重按比例分配到各轴， 得到标准疲劳车辆荷载模型的各轴轴重. 从而推导出福州市钢桥的标准疲劳车辆荷载模型如表8所示， 表中与国内外的研究成果进行比较分析.

表8　标准疲劳车与国内外研究成果对比Tab.8　Comparison of standard fatigue vehicle and research results in domestic and foreign

从表8中可以看出, 对于公路桥梁而言， 由于其交通服务的性质和能力， 所承受的车辆荷载都比较大， BS5400和AASHTO疲劳车总重都在300 kN以上. 而对于城市桥梁来说， 由于城市的特殊性， 通过城市桥梁的车辆荷载要比公路桥梁的小的多， 广州市高架桥的疲劳累计损伤主要车辆的总重为110 kN， 本文所得到的疲劳车辆模型的总重为165 kN. 从轴距看， 本文两轴轴距为3.7 m， 而广州市高架桥轴距为4.4 m， 相比略小些.

4　结语

1) 对福州市城市桥梁进行交通荷载调查， 得到了日常运营车辆的疲劳荷载频值谱. 依据等效疲劳损伤原理将日常运营车辆简化为一组由六类疲劳车组成的疲劳荷载谱， 其中C1占日交通量总数的18.11%， 总重为90 kN， 是考虑疲劳影响车辆中所占比例最高的一类疲劳荷载车.

2) 小于3 t的轻小型客货车及摩托车占车辆总数的80.26%， 非封闭车厢货车空载率在33%～49%之间， 平均值为40.89%.

3) 依据疲劳损伤累计准则， 确定前轴轴重为55 t， 后轴轴重为110 t， 轴距为3.7 m的疲劳车辆荷载模型为福州城市钢桥的标准疲劳车辆荷载模型.

[1] 童乐为, 沈祖炎, 陈忠延.城市道路桥梁的疲劳荷载谱[J]. 土木工程学报, 1997, 30(5)： 20- 27.

[2] 陈惟珍, 王春生, 徐磊.上海市外白渡桥剩余寿命与使用安全[J] . 桥梁建设, 2002(2)： 6-10.

[3] 王春生, 陈艾荣, 陈惟珍.铆接钢桥剩余寿命与使用安全评估实例[J]. 同济大学学报(自然科学版), 2006, 34(4): 461-466.

[4] 王荣辉, 池春, 陈庆中, 等. 广州市高架桥疲劳荷载车辆模型研究[J]. 华南理工大学学报(自然科版)， 2004, 32(5): 94-96.

[5] 中国汽车工业总公司, 中国汽车技术研究中心. 中国汽车车型手册[M]. 济南: 山东科学技术出版社, 2010.

[6] 日本道路协会. 钢道路桥的疲劳设计指针[M]. 钱冬生， 译. 东京: 三美印刷株式会社, 1989： 1.

[7] 英国标准协会. 钢桥混凝土桥及结合桥： BS5400[S]. 佚名， 译. 成都: 西南交通大学出版社, 1987.

[8] AASHTO．AASHTO LRFD bridge design specifications[S]．Washington： American Association of State Highway and Transportation Officials， 2007．

(责任编辑： 林晓)

Research on the fatigue load spectrum for steel bridge in Fuzhou

ZHAO Qiu， CHEN Changjun， WANG Wenkun

(College of Civil Engineering, Fuzhou University, Fuzhou, Fujian 350116, China)

Through investigating the traffic loads of city bridge and loading conditions of vehicle operators in Fuzhou, obtained a load frequency value spectrum which including 32 types of daily vehicle operators and the empty-loading ratio. According to the theory of equivalent fatigue damage, we can simplified the frequency value spectrum to the practical one by 6 consists of the fatigue load models. After further analysis of vehicle load, we can set up a standard fatigue-loaded vehicle model which is suitable for checking component of deck system. This can be used as

for bridge fatigue damage calculation or fatigue design of other steel bridges in Fuzhou.

City steel bridge; bridge fatigue; vehicle model of load; load spectrum; Fuzhou City

10.7631/issn.1000-2243.2016.01.0097

1000-2243(2016)01-0097-07

2014-06-07

赵秋(1976-), 副教授, 工学博士, 主要从事桥梁工程研究, zhaoqiu@fzu.edu.cn

国家自然科学基金资助项目(51478120; 51108087)

U448.36

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