武汉市集群桥梁车辆荷载特点分析与应用

2022-07-11钟继卫王亚飞张文斌陈文林

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2022年3期

李成钟继卫王亚飞张文斌陈文林

(桥梁结构健康与安全国家重点实验室1) 武汉 430034) (中铁大桥科学院研究院有限公司2) 武汉 430034)

(武汉市城市桥梁隧道事务中心3) 武汉 430034)

0 引言

目前国内外关于公路车辆荷载方面的研究主要包括：①车桥耦合振动、桥梁疲劳，以及车辆荷载识别等基础理论研究，多集中在理论推导和数值仿真．韩万水等[1]对风-车-桥耦合振动国内外学术研究进展和热点前沿进行综述，并探讨相关研究不足和发展趋势；余岭等[2]采用冗余字典和稀疏正则化技术识别车辆荷载．②通过实测数据建立车辆荷载谱，开展桥梁结构效应极值分布、疲劳分析，以及可靠度分析．Bin[3]根据四个等级高速公路实测动态称重(WIM)数据，建立了车辆速度、重量统计模型；张明等[4]基于实测数据统计出车辆荷载参数，建立分时段随机车流荷载模型，并采用极值外推得到三跨连续梁桥的荷载最大效应；袁伟璋等[5]基于京珠、粤赣、渝湛三条高速公路车辆荷载动态称重实测数据，采用蒙特卡罗法生成随机车流，分析运营车辆荷载情况下既有桥梁结构的可靠度．③车辆荷载建模、随机车流、车辆模拟和车流量特征统计等．Soheil[6]基于中长跨度桥梁车桥交互简化模型，利用随机车流对桥梁结构进行加载；陈智成[7]基于视频信息实现桥上车辆荷载识别与建模；韩大章等[8]利用元胞自动机(CA)模拟车流及荷载参数，并将其加载桥梁结构响应．

集群桥梁由于其分布较为分散、体量巨大、桥型众多，需考虑集群化桥梁车辆荷载特点、时-空分布规律等展开研究．张冠华[9]探讨了集群桥梁监测方法；王亚飞等[10]基于武汉市智慧桥梁系统集群化监测技术经验，对未来发展方向进行探讨．

文中利用武汉市城市桥梁智慧管理系统(以下简称“智慧桥梁”)中的车辆监测数据，获得了武汉市车辆荷载特点．通过定义超重车队，提出了超重车队上桥风险评估方法．针对集群桥梁超载车辆时-空分布特点，基于“智慧桥梁”科技治超成功经验，提出了车辆区域源头治理、信用治超等理念，实现城市重载交通的智慧管控．

1 武汉市车辆荷载特点

武汉市三环线是客、货混运的城市主干道，由20多座大型互通立交和高架桥梁组成，交通压力大、车辆组成复杂．为提升城市集群桥梁重载交通智慧化管理水平，武汉市于2018年建成“智慧桥梁”，其中包含92处车辆自动监测测站，覆盖三环线上28座重点桥梁上桥匝道，测站分布见图1，目前系统已稳定运营3年，采集了海量的车辆位置、车速、车重、轴重、轴数、车长、车牌等车辆信息．

图1 “智慧桥梁”车辆监测站点分布图

1.1 车流量分布规律

图2为近3年来各测站小时平均车流量，区间为70～1 200辆/h．除法定节假日外，工作日车流量呈双峰状态，早高峰集中在07:00—08:00，晚高峰集中在17:00—18:00，早晚高峰峰值流量800～1 200辆/h．春节假期及非工作日，车流量明显减少，其中2020年1月23日—4月8日武汉“新冠肺炎”疫情封城期间，平均每天车流量不足100辆/h．

图2 各测站小时平均车流量/(辆·h-1)

1.2 车型组成分析

车型按照用途可分为客车、货车和专业运输车，按照车轴可分为两轴车、三轴车、四轴车、五轴车、六轴车等．车型组成可由车型比例、客货比、主力车型进行描述．表1为武汉市车辆类型组成，各监测站客货比平均值8∶1，表明武汉市三环线主要以客运为主的城市主干道路．其中两轴小客车、三轴货车为主力车型．

表1 武汉市车辆类型组成

1.3 车长与总重联合概率密度

表2和图3为各车型和六轴车的车长(车重)峰值分布情况，呈多峰分布，车长与车辆载重能力呈正相关．车长(车重)概率分布可分别由各种典型车长(车重)组成，符合混合高斯分布，为

表2 各车型车长及车重峰值分布

图3 六轴车车长及车重概率密度图

(1)

式中：fi(x)为第i种典型车长(车重)的正态分布函数，服从fi(x)～N(μ,σ2)；x为车长(或车货总重)；μ为x的期望；σ为x的方差．其中车辆荷载尾部分布(超载车辆荷载)服从极值Ⅰ型分布，该部分车辆荷载对桥梁危害最大，需重点关注．

1.4 轴重占比分析

城市中小跨径桥梁由于恒活载比例较小，除了限制车辆总重，还需要对轴重进行限重，轴重对路面及桥梁结构局部安全有较大影响．同时轴重占比是车辆荷载谱中重要参数，表3和图4分别为各种车型轴重占比和其中三轴车各轴重占比分布情况，可看出轴重占比离散性低、分布集中．

图4 三轴车各轴轴重占比分布拟合情况

表3 各车型轴重占比

1.5 车间距概率模型

车辆荷载分布密度严重影响结构受力．不同桥梁、不同时间段内车流量密度差别较大，车辆间距较难测量，采用车辆通过时刻t和车辆速度v来计算车辆间距，即

l=(t2-t1)×v1

(2)

式中：t2为后车的通过时刻；t1为前车通过时刻；v1为前车通过速度．

由“智慧桥梁”所有测站监测到的100多万辆车辆行驶数据得到车辆间距概率分布模型.

(3)

车间距x服从对数正态分布X～lgN(x,σ2)，μlnx=4.29为车间距x对数的期望值，σlnx=1.12为车间距x对数的方差．车间距极大似然值为72.96 m，平均车间距为746.91 m．

2 超载车辆时-空分布规律分析

2.1 超载车辆构成及超载水平

根据交通部《超限运输车辆行驶公路管理规定》(交通运输部令2016年第62号)，不同车型超限车辆具体认定标准见图5．引入超载车辆比例、超载率两个参数对超载指标进行量化：

(4)

(5)

由各监测站近3年实测车辆数据统计得到的超载车比例、超载率见图6．

图6 超载车辆占比及超载水平

2.2 超载车辆分时分布规律

图7为2020年11月—2021年2月筛查出的76 097辆·次总重超过55 t的超载车辆分时图，超载车辆夜间出行数量占比77.5%，并且在凌晨03:00—05:00范围内分布集中．

图7 超载车辆分时分布规律

2.3 超载车辆空间分布规律

超载车辆空间分布情况直接影响附近桥梁结构的安全，武汉市超载车辆空间分布主要集中在青山钢铁化工、关山、堤角、古田物流、白沙洲工业区，由此可见三环线是串联各工业区的主要通道和入城环路，区域资源及货运需求旺盛，货运车辆载重较大，对附近桥梁结构带来安全隐患．此外，从超载车辆车牌分布情况来看，湖北省籍车辆16 799辆，占比67%，其次是河南省、山东省、安徽省、河北省．

3 超重车队过桥风险概率评估

单车超载一般不会导致桥梁结构超载，仅影响桥梁耐久性和疲劳损伤，但由多辆超载车辆组成超重车队同时过桥风险极大，严重时会导致桥梁结构整体破坏或倾覆．

根据车头时距分布情况、现场调查取证，以及司机刹车反应时间，确定车队车头时距T<5 s．三环线匝道桥梁多为1～2车道的连续梁桥，跨度20～30 m，按照2车道30 m跨径桥梁，其设计车道荷载为103 t，基于此本文定义超重车队为前后车单车质量均>55t的条件．若行驶车队同时满足上述条件即可认定为超重车队．

通过超重车队过桥的频次和人类认知角度出发，以其出现频次为1/103和1/104为界，将风险水平划分为高风险、中风险和低风险，并以此评判指标对风险进行评估．

三种风险水平为

高风险：

(6)

中风险：

(7)

低风险：

(8)

利用“智慧桥梁”中近5 000万辆车辆监测数据，得到各桥风险水平见图8．

图8 超重车队过桥风险概率分布

4 重载车辆科技治超及智慧管控建议

目前，武汉市通过“智慧桥梁”进行科技治超的流程见图9．流程目前已实现全流程打通，但由于涉及跨部门沟通协调、人员调配等问题，导致现场治超覆盖面仍不足，另外由于缺乏相关法律依据，仅对部分车辆进行约谈，仍未实施相关惩戒措施．虽然，科技治超仍面临巨大挑战，但智慧管控的大趋势并未改变，后续建议政府职能部门之间建立顺畅的沟通渠道，将联合执法常态化．