吉县至河津高速公路交通轴载谱实测研究

刘力源，李 明，秦世英

（1.山西省交通科学研究院黄土地区公路建设与养护技术交通行业重点实验室，山西 太原 030006；2.山西交通控股集团有限公司 临汾北高速公路分公司，山西 临汾 041000；3.山西交通控股集团有限公司 临汾南高速公路分公司，山西 临汾 041000）

公路结构的主要服务对象是车辆，反过来，这些车辆是造成路面结构损伤的主要因素，也是路面结构设计时必须考虑的重要因素。车辆的轴重及作用次数的多少都会影响路面结构的使用寿命，因为不同轮轴构型的车辆每行驶一次都将造成路面结构的变形和损伤。因此，对于路面设计者和管理者而言，不仅需要掌握交通量的资料，更需要不同大小的轴载在这个车辆组成中所占的比例，即轴载谱的资料[1]。

吉县至河津高速公路是国道G59呼和浩特至北海的组成部分，同时也是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”的重要组成部分。该路段于2016年9月正式通车。为了深入掌握吉河高速公路的交通轴载状况，以便于养护管理部门科学决策，笔者通过实地数据采集，对吉河高速的交通轴载谱进行分析研究。

1 数据概况及分析方法

本文通过吉河高速河津北收费站调研了轴载数据。调研数据包括：进口和出口收费站的名称和时间、轴型组成、限重、总重、轴型及轴重信息等。

根据吉河高速公路建设管理处提供的交通量数据，主要对各车型超限比例、各轴型轴载谱、各断面累计当量轴次和交通量增长率4个方面进行了分析，具体分析方法如下。

1.1 各车型超限比例

不同类型的车辆作用于路面上对路面结构的损坏程度也各不相同。在交通荷载的统计分析时，需要将车型加以区分。这需要结合具体的数据库进行分类，一般来说，1～4分别代表一型客～四型客，11～15分别代表一型货～五型货，21～22分别代表一型集装箱～二型集装箱[2]。分类完成后，计算车型比例、超限车比例、超限车平均超限率。具体计算方法如下[3]：

a）车型比例 由各车型的交通量除以所有车型的总交通量得出。

b）超限车比例 对各车型先分别统计出超限车数量（即总重超过限重的车辆），再用超限车数量除以该车型总交通量得出。

c）超限车平均超限率 对于超限车辆，超限率的计算公式为（车货总重-限载质量）/限载质量，对所有超限车辆的超限率进行评价即得到超限车的平均超限率。

1.2 各轴型轴载谱

轴载谱是指对一定的轴载类型，轴重位于一定轴重区间的轴数量在总轴数量中所占的百分比[4]。它能从整体上准确地描述轴载的重量及所占的比例。

数据库中包含每辆车的轴型组成及轴重数据。轮轴类型主要有9种，轴组类型代码见表1，几种典型轴型示意图见图1[5]。

表1 轴组类型代码

图1 车辆轴型

按照不同的轮轴类型分类，然后对所有轴进行重量的统计，按照轴型归类得到各类轴的轴载谱。

1.3 各断面累计当量轴次

a）根据数据库中车辆的进出口站名，整理出属于每个路段的交通量信息。数据库中双向交通均包括，本次数据处理首先将双向交通统一处理，得到断面交通量。

b）分路段处理轴组信息，得出轴型和轴重一一对应的数据。并分轴型统计得出轴载谱数据和轴载谱图。

c）累计当量轴次换算参考现行规范，按式（1）计算。

式中：N为标准轴载的当量轴次，次；ni为被换算车型的各级轴载作用次数，次；P为标准轴载，kN；Pi为被换算车型的各级轴载，kN；C1为被换算车型的轴数系数；C2为被换算车型的轮组系数；K为被换算车型的轴载级别。

当轴间距大于3 m时，应按单独的一个轴载计算；当轴间距小于3 m时，双轴或多轴的轴数系数换公式（2）计算。

式中：m为轴数。

d）根据道路基本信息和方向系数，换算得出各路段单车道累计当量轴次。

1.4 标准轴次增长率

路面结构设计是以BZZ-100为标准轴载进行轴载换算，求出标准轴载的当量轴次，以交通量增长率为参数，计算设计年限内累计当量轴次，并进行路面结构设计。在此进行标准轴次交通量增长率的计算[6]。

根据交通量增长率的概念，第一年交通量为N1，第T年交通量NT为：

对式（3）两边取对数处理，结果如式（4）：

式（4）中，由于 γ 为定值，则 lg（1+γ）为常数，同时lgN1也为常数，故lgNT与（T-1）为线性关系，由此，令：

根据交通量资料及上式进行回归分析，可求得回归系数A、B；再由B值求得交通量增长率γ。根据3年的累计当量轴次即可计算出增长率。

2 调研结果

按照第1节介绍的方法对吉河高速的轴载状况进行统计分析，下文分别从重货车超限状况、各轴型轴载谱、累计当量轴次3方面以此进行分析。

2.1 重货车超限状况

2.1.1 车型比例

表2是统计得到的吉河高速一周内通车的各车型数量，客1是指7座以下的小轿车，客2是指8～9座的小客车，客3是指20～39座的中型客车，客4是指40座以上的大型客车。货1是指车重在2 t以下的小货车，货2是指车重在2～5 t的货车，货3是指车重在5～10 t的货车，货4是指车重在10～15 t的货车，货5是指车重在15 t以上的大货车。货5即为重货车，对重货车在所有车型中所占的比例进行统计，如图2所示。从图2中可以看出，吉河高速的重货车比例较高，在一周的统计周期内，重货车比例分布在40%～60%之间。

表2 各车型数量

图2 重货车比例

2.1.2 超限车比例

我国规定的各轴型的限载值如表3所示。

表3 我国规定的各轴型限载值 kN

对各车型先分别统计出超限车数量（即总重超过限重的车辆），再用超限车数量除以该车型总交通量得出超限车比例，如图3所示。从图中可以看出，在一周的统计周期内，吉河高速的重车超载率很高，最低超载率为66.67%，最高超载率达到89.64%。

图3 超限车比例

2.1.3 超限车平均超限率

超限车平均超限率的计算公式为（车货总重-限载质量）/限载质量，对所有超限车辆的超限率进行平均即得到超限车的平均超限率。在一周的统计时间内，吉河高速的平均超限率如图4所示。从图中看出，平均超限率在10%～15%之间。

图4 超限车平均超限率

2.2 各轴型轴载谱

调研发现，吉河高速所行驶的货车的轴型有4种，分别是单轴单轮、单轴双轮、双轴双轮、三联轴双轮，如图5所示。

图5 吉河高速的货车轴型种类

对各轴型的轴载谱进行统计分析，如图6～图9所示。

图6 单轴单轮轴载谱

图7 单轴双轮轴载谱

图8 双轴双轮轴载谱

图9 三联轴双轮轴载谱

从图中可以看出，单轴双轮、双轴双轮、三联轴双轮这3种轴载谱可以用两个正太分布加权和的双峰型概率分布表征[7-8]。

拟合结果如表4～表6，图10～图12。

图10 双轴双轮拟合结果图

表4 双轴双轮拟合参数

图11 三联轴双轮拟合结果图

表5 三联轴双轮拟合参数

图12 单轴双轮拟合结果图

表6 单轴双轮拟合参数

从拟合结果来看，单轴双轮、双轴双轮、三联轴双轮的轴载谱均可以用双峰正太分布模型表征，并且拟合优度很高，这可以为吉河高速的交通轴载谱预测提供帮助。

2.3 计算累计当量轴次

根据2.2中得到的轴载谱，按照1.3中的计算方法计算初始年和设计年限内的累计当量轴次，设计年限按照15年计算。计算结果如表7和表8所示。

表7 初始年的累计当量轴次

表8 设计年限内的累计当量轴次

根据表8，分别按照设计年限15年和50年，计算交通增长率分布范围为6.5%～20%内的累计当量轴次，并绘制图13。

图13 累计当量轴次随交通增长率变化的变化趋势

从图中可以看出，在设计年限15年内，当交通增长率为6.5%时，吉河高速的累计当量轴次为3×108次，这一数值为偏低水平。从轴载谱的分布规律来看，重轴所占频率都较小。可以判定吉河高速目前的交通量属于轻交通级别。

3 结论

a）本文分析了吉河高速的重货车超载状况：吉河高速的重货车比例较高，在一周的统计周期内，重货车比例分布在40%～60%之间；吉河高速的重车超载率很高，最低超载率为66.67%，最高超载率达到89.64%；吉河高速的平均超限率在10%～15%之间。

b）本文针对吉河高速的主要轴型，统计各轴型频次，得出了各轴型轴载谱，从轴载谱的分布规律来看，重轴所占频率都较小。

c）本文提出了可以表征单轴双轮，双轴双轮，三联轴双轮轴载谱的双峰正太分布模型，这可以为吉河高速的交通轴载谱预测提供帮助。

d）根据轴载谱，计算得到吉河高速初始年和设计年限内的累计当量轴次，虽然重车比例以及超载率较高，但由于交通量目前较低，因此当前吉河高速的交通量属于轻交通级别。