拥堵交通环境下桥梁安全风险及其极端车辆荷载模型研究

王杰钊

摘  要：近20年我国交通运输产业井喷式发展，车辆运输荷载等级、交通组成状况、交通流量等都发生了显著变化，现有规范体系的车辆荷载模型难以准确表达大跨径桥梁的设计需求。以芜湖长江公路二桥为依托工程，采用MSCA微观车流模拟技术，分析了交通拥堵情况下的桥梁各类构件响应特性和行为，对桥梁构件进行安全评估，建立结构安全评估用车辆荷载模型。

关键词：桥梁;大跨径;随机车流;车辆荷载

中图分类号：U441.2        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）27-0051-03

Abstract： In recent 20 years， China's transportation industry has been developed in a dramatic speed， the grade of vehicle load， the structure of transportation system and traffic flows have been changed significantly. Therefore， the existing vehicle load standard could not meet the long-span bridge design requirement. The research is based on Wuhu Yangtze River Highway Second Bridge project， which uses MSCA micro-vehicle flow simulation technology to analyze the stress characteristics of different parts of the bridge under traffic congestion situation. The purpose of the research is to evaluate the safety of the bridge structure and build the vehicle load model for structure safety assessment.

Keywords： bridge; long span; random traffic flow; vehicle load

引言

车辆荷载是桥梁可变作用的重要组成，提高车辆荷载的计量精度对大跨径桥梁作用响应特性的研究分析，对于优化结构设计、增加运营管理、避免突发桥梁状态都具有重要意义。

Nowak等人根据实测的卡车荷载数据，分析车辆荷载对中小跨径桥梁结构的响应特征，建立了基于可靠度的抗力与荷载分项系数设计方法[1]。随后，Nowak通过多组WIM数据分析了现行HL-93荷载模式对于大跨径桥梁的适用性[2]。韩国学者Hwang基于等效荷载的方式建立了大跨径桥梁的车辆荷载模型[3]。O'Brien和Caprani 等采用微观车流模拟技术形成桥梁上各种状态的拥挤交通流[4]。Enright用实测WIM数据形成拥堵交通流，研究了实际交通对大跨径斜拉桥和悬索桥影响[5]。阮欣等研究了大跨径多塔缆索承重桥梁的车辆荷载效应规范[6]。随着研究的推进，发现大跨径桥梁的车辆荷载仍存在较多的不确定性。本研究采用MSCA微观车流模拟技术，仿真芜湖长江公路二桥在运营使用过程中所有可能面临的各种交通拥堵问题，建立满足极端交通作用下的评估用车辆荷载模型。

1 桥梁交通拥堵与极端车辆荷载

1.1 交通拥堵类型及其发生概率

交通事故、天气状况、道路施工等易引发非周期性交通拥堵，此时货车比例较高，往往对桥梁安全产生很大的威胁。本研究仿真交通事故情况下在桥面形成的拥堵情形，根据我国高速公路事故统计资料，选取最大的事故发生概率，根据单项三车道日均交通量40000，假定包含桥梁在内的道路5km内拥堵影响桥上荷载分布，得到一年发生49.28次交通事故，严重拥堵次数为41次。

1.2 拥堵交通的微观车流模拟

通过在桥梁末端设置限速5km/h方式推定拥堵情况（图1），每次交通拥堵时长模拟1天。

模拟道路长度2000m，桥梁长度1622m，模拟道路前部分的左右各189m作为模拟车辆的过渡区域，在MSCA中拥堵及正常行车情况下参数取值如表1所示。

共模拟100天的交通拥堵，采用每天荷载效应的最大值进行广义极值分布GEV模型拟合，图2为某天内中跨主梁弯矩效应时程曲线图。

2 拥堵交通环境下桥梁极端车辆荷载响应

2.1 双主梁体系荷载响应规律

通过GEV拟合分析，日均交通流量40000veh/d情况下，外推的弯矩效应大约为规范的0.7倍;日均交通流量达到60000veh/d時，外推的弯矩效应接近规范效应;日均交通流量达到100000veh/d时，外推的弯矩效应为规范的1.07～1.24倍。采用分段函数对交通流量影响进行表述：

2.2 四索面拉索的荷载响应特性

通过GEV拟合分析中，当日均交通量40000veh/d，实际车流作用下的索力效应大约为规范的0.6倍左右;日均交通流量达到60000veh/d时，实际车流作用下的索力效应在规范0.9倍左右，日均交通流量高达100000veh/d，实际车流作用下的索力超过规范的1.2倍。从偏于保守角度，可采用统一的函数表达日均交通流量对预测极值效应的影响，可回归如下函数：

（2）

2.3 柱式塔结构的荷载响应行为

通过GEV拟合分析柱式塔塔底纵向弯矩效应和横向弯矩效应，得出在日均交通流量40000veh/d、100000veh/d情况下，外推的弯矩效应分别为规范的0.5、0.8倍左右。可用统一函数表述预测极值效应与交通流量的关系：

（3）

3 基于桥梁安全的极端车辆荷载模型

3.1 荷载形式与加载模式

根据芜湖二桥结构效应影响面的分析：柱式塔的效应，可以考虑仅采用布线荷载的荷载形式;双主梁、拉索的效应，需要考虑均布线荷载+集中荷载的荷载形式。

3.2 荷载取值

定义荷载取值为三车道总和结果，基于80000veh/d反推的均布荷载取值如表2所示。由于日均交通流量对于桥梁结构的受力特性影响显著，因此需要将日均交通流量对本桥评估用车辆荷载模型取值进行修正，公式如下：

（4）

式中：q-需要计算的三车道荷载型式取值。

qk-表2中荷载取值。

ηAADT-日均交通流量修正系数，用ηAADT=0.075A

ADT+0.4计算，单位万辆/天。

3.3 对桥梁运营的管理建议

对于芜湖二桥的拉索体系和主梁纵向弯矩问题，需要加强对超载重车车流的惩罚力度，降低超重车同时出现的概率，同时需要对拉索和主梁结构进行定期检查，保障桥梁结构的运营安全。

4 结束语

本文研究了拥堵交通状况下桥梁关键构建体系的安全性问题，并基于实际车流作用响应推到了桥梁安全评估用车辆荷载模型。研究发现在日均交通流量达到60000veh/d时，主梁弯矩和拉索索力效应将超过规范;柱式塔弯矩效应始终低于规范水平。研究推导的车辆荷载模型，可以用于芜湖二桥后期运营使用过程中双主梁、四索面的柱式塔的车辆荷载效应计算，为评估梁结构安全性提供参照标准。

参考文献：

[1]Nowak A S. Load Model for Highway Bridges[J]. Structural Safety， 1993，13（1）：53-66.

[2]Allen T M. Development of the WSDOT Pile Driving Formula and Its Calibration for Load and Resistance Factor Design （LRFD）[J]. Empirical Methods， 2005，15（Oct 15）：2-7.

[3]Kim D Y， Lee K T， Hwang E S. Modelling of Truck Traffic for Long Span Bridges[J]. Iabse Congress Report， 2012，18（14）：1112-1119.

[4]Caprani C C， Obrien E J. The use of predictive likelihood to estimate the distribution of extreme bridge traffic load effect[J]. Structural Safety， 2010，32（2）：138-144.

[5]Carey C， Caprani C C， Enright B. A pseudo-microsimulation approach for modelling congested traffic loading on long-span bridges[J]. Structure & Infrastructure Engineering， 2018：1-14.

[6]周軍勇，石雪飞，阮欣.多事件混合影响的桥梁车辆荷载效应组合极值预测[J].哈尔滨工业大学学报，2018，50（9）：11-18.