基于WIM的锡澄运河大桥车道荷载参数研究

李 宁，杨泽刚

（1.江苏沿江高速公路有限公司，江苏 常熟 215500；2.江苏华通工程检测有限公司，江苏 南京 210014）

车道荷载是桥梁设计的重要指标，但却不适用于既有桥梁的安全评估。对于既有桥梁的安全评估，应根据实际采集的车辆数据进行分析研究，得到更贴合实际的车道荷载参数。近几年，随着动态称重系统（Weigh-in-motion,WIM）的应用普及，业内已经开展了很多基于WIM实测车辆数据建立实际运行车辆荷载模型的研究[1]。比如Obrien等[2]基于若干条高速公路车辆监测数据，分析了具有代表性的重点桥梁车辆荷载参数；Oswaldo等[3]基于WIM数据，同时引入贝叶斯网络算法，建立了既有桥梁车道荷载模型。“公路桥梁车辆荷载研究”课题组[4]在交通调查之后，基于实际车辆荷载参数，分析得到了“公路-I级”和“公路-II级”2级车道荷载。由此可见，基于WIM实测车辆数据，计算既有桥梁汽车荷载参数的技术路线已较为成熟，在路桥养护行业也得到了广泛的认可。

1 极值理论

2 车道荷载参数研究技术路线

文章提出技术路线如图1所示。首先建立锡澄运河大桥有限元模型得到关键截面内力影响线；然后将WIM系统采集到的车辆数据转化成集中力序列施加到影响线上，即可获得大量内力样本值；接着采用GEV模型分析出实际内力标准值；最后将实际内力标准值和规范荷载作用下的内力值的比值乘以规范车道荷载参数，即可得到实际车道荷载参数。

3 锡澄运河大桥内力影响线

3.1 工程背景

图1 技术路线

锡澄运河大桥位于江苏沿江高速公路，主桥为主跨74m钢管混凝土系杆拱，采用“刚性拱、刚性系杆”体系，拱轴线为二次抛物线，矢跨比为1∶5，矢高14m。桥梁设计荷载等级为汽车超20级，挂车120级。为监测该桥实际承受交通状况，2015年12月安装了双向6车道动态称重系统，如图2所示。

图2 锡澄运河大桥动态称重系统

3.2 基于Midas的有限元模型建立

基于Midas软件建立锡澄运河大桥有限元模型，该模型由梁单元和桁架单元组成，然后基于有限元模型得到锡澄运河大桥拱肋1/2截面轴力影响线。

4 锡澄运河大桥车道荷载

4.1 荷载效应时程值计算

WIM系统测得的车辆数据包含了每辆车的总重、各轴重、各轴距、车间距等50多个参数。通过计算机自编程序将实测车辆数据转换成车队，然后抽象为集中力序列，以固定步长施加到拱顶轴力影响线上，即可得到拱顶轴力的时程值。值得指出的是，对于锡澄运河大桥这种影响线较长的结构而言，每辆车的各车轴布局对整车荷载效应计算结构的影响较小，因此在将车流抽象为集中力序列的过程中，可仅考虑车辆总重和总轴距，而不需要考虑各轴重和轴距。

4.2 荷载效应标准值

在荷载效应时程中取每天的最大值，那么各最大值可以认为是独立同分布的随机变量，然后建立由这些最大值组成的区组最大值样本库。根据极值理论，这些区组最大值可以认为符合广义极值分布。广义极值分布拟合分布函数如下：

拟合效果如图3所示。

图3 广义极值分布拟合

由于车辆荷载效应是可变作用产生的，因此可以看作平稳二项随机过程，设计基准期T内荷载效应最大值的概率分布函数FT(x)可按下式计算：

式中：Fj(x)为荷载效应的截口概率分布函数；m为荷载效应在设计基准期T内的平均出现次数。

若Fj(x)=H(x)，那么设计基准期取为100年时[5]，m=100×365，则FT(x)可表示为

4.3 基于荷载效应比的车道荷载参数

要想得到实际车道荷载参数，应首先选用规范公路-I级进行加载，按照3车道取横向折减系数0.78[6]。需要注意的是，WIM系统所测车重不包括车辆对桥面的冲击力，因此计算规范荷载作用下的拱顶轴力时，应只考虑车道荷载标准值的作用，而不需要计入冲击系数。通过两种途径计算出荷载效应标准值即可得到荷载效应比，将比值乘以规范车道荷载参数即可得到实际车道荷载参数。最终得到锡澄运河大桥实际运行车道荷载参数，如表1所示。

表1 车道荷载参数

5 结论

（1）GEV模型对模拟每天内力最大值的分布具有较好的效果，在数据量不足时可以采用每小时最大值等代替。

（2）基于WIM系统实测车辆数据和结构有限元模型可以较为准确地得到既有桥梁实际运行车道荷载参数。从计算结果来看，锡澄运河大桥受力状况基本在安全范围内，但需加强日常养护管理。

（3）锡澄运河大桥各车道及两个方向的荷载都存在一定差异，对于桥梁和路面养护可以采取差异化对待，以期降低全寿命期成本并提高养护效率。