桥梁疲劳车辆荷载谱的建立分析

郭德群 杨 琴

（1.茂名市交通设计院有限公司，广东 茂名 525000；2.遵义职业技术学院建筑与艺术设计系，贵州 遵义 563000）

0 引言

桥梁在服役期内除了承担自身重量外，还要承担车辆荷载。桥梁构件产生疲劳破坏的外部重要因素是车辆荷载，对此制定桥梁疲劳荷载谱对研究桥梁疲劳破坏来说尤为重要[1]。20世纪70年代前的设计规范中通常将设计荷载作为疲劳荷载进行验算，显然这种验算方式是不合理的，对桥梁进行疲劳验算的载荷应该为经常驶过该桥的车辆动载荷，以此计算分析这些车辆荷载导致的损伤累积[2]。

对于如何建立疲劳荷载谱，现在最普遍的方法是以实测交通数据为基础；已经运营的公路桥梁，其疲劳荷载谱的制定可以根据现场实测交通车流量计算分析得到[3]。而对设计阶段的桥梁结构的荷载谱的建立，通常先对拟建桥梁进行理论分析，从而确保预估的疲劳荷载谱与该桥建成后的交通流量数据吻合。本文分析公路疲劳荷载谱的建立方法，可为同类桥梁未来车辆荷载谱的建立提供有益借鉴。

1 桥梁疲劳荷载谱的制定重点和步骤

制定疲劳荷载谱应重点关注以下几个方面：

（1）体现桥梁未来交通流量的发展趋势，包括车流量增加、车辆载重量的增加及桥梁使用性质的改变等；

（2）考虑桥梁在动力荷载（比如车辆荷载等）作用下发生的动力效应；

（3）考虑桥梁在外荷载作用下产生的变形、振动等引发的次效应[4]。

通过对代表性桥梁的交通量调查数据进行简化，从而建立适用于同类桥型的疲劳荷载谱。在桥梁疲劳荷载谱的建立过程中，除了要记录特定时间段内的交通量，还需记录车流的各种参数（比如车型、车辆轴重、车速、车辆总重、轴距及车辆间距等），这就需要现场记录前后参考车辆技术手册，整个过程包括以下主要步骤：

（1）开始调查之前通过仔细观察，熟悉驶过该桥梁的车型，以便准确地对通过车辆进行归类处理；

（2）取某特定时间段（12h、24h等）进行连续正式调查记录，利用各种人员、仪器手段等记录各种归类车型的数量，并统计归类车型中每类出现次数最多的生产厂家；

（3）调查统计完成后，归类车型中每类出现次数最多的车作为此类车型的代表，通过查阅相关车辆技术手册等方式，最终确定车辆的各种参数（比如车辆轴重、车速、车辆总重、轴距及轮间距等）。

2 疲劳车辆荷载谱的建立

如今公路桥梁疲劳验算包括三种形式：利用标准疲劳车、借助实测交通车辆荷载频值谱和直接采用静力强度设计时标准荷载中的单个重车，其中第二种方式最符合实际，应用也最为广泛。但以往调查分析得到的车辆疲劳荷载谱与现在的车辆荷载分布形式不符，很难准确评估现有桥梁的疲劳损伤。本文以某长江公路大桥某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量实测数据来制定车辆疲劳荷载谱。以文献的数据为基础，该数据对每天驶过该桥的车辆的车流量大小、总重和轴重等进行分类处理记录。

2.1 公路车流统计方法及车型分类

2.1.1 公路车流统计方法

要想得到公路车流的准确数据很难，车流具有地域差异与季节差异，其几个代表特征量（比如车型、车重、轴重、数量、间距和车速等）也有很强的随机性。需要对车流进行调查、记录、统计和分析。车流调查的主要方法有：人工调查法及仪器观察法[5]。

（1）人工调查法主要依靠人力现场调查、记录、统计和分析得到。首先，通过现场观察选择合适的位置进行统计记录，通常可以选择公路出入口或者车速相对缓慢的位置；然后，由专业人士对通过该位置的车流量进行记录统计。最后对调查得到的车流数据进行统计分析，进而得到该公路的车流量、车重和车辆类型等[6]。该方法得到的车流数据相对比较准确。但是，需要投入大量的人力、物力和财力，时间投入也比较多，更有甚者，得到的车流数据中没有包含车辆间距及车辆行驶速度，因此人工调查法得到的车流数据不能直接模拟精确的桥梁车流荷载。

（2）仪器观测法主要依靠专业的测量仪器采集车流相关数据，如今使用比较广的是WIM，即动态车重系统[7]。WIM系统包括传感器与支持仪器两部分。当车辆以一定的速度驶过时，电阻应变传感器因为受到轴载作用会产生一个电压信号，通过信号放大可以对数据进行分析处理，转换得到车流量数据并传送到计算机终端进行处理储存。总之，该系统能准确地得到公路桥梁中车流的某些代表性参数（比如车辆总重、轴重、车速以及轴距等）[8]。WIM系统的基本构成和结构流程分别如图1和图2所示。WIM系统能够在不影响交通的情况下，测得正常行驶时车辆的代表特征量，也不需要花费大量的人力、物力、财力及时间。但该系统在整体移动性方面不是很好，精准度方面还不够[9]。

图1 WIM系统的基本构成

图2 WIM系统的结构原理图

2.1.2 车型分类

进行桥梁疲劳荷载研究时，考虑所有驶过车辆的全部参数终究不大现实。一般对市面上所有的车进行分类，再根据每类车中包含的车型确定其代表车型，进而获得其主要参数（比如车重、轴重、轴距、车速等）。本文在进行车流量调查统计分类过程中根据各生产厂家和车轴类型的不同，参考江苏省常见货车分类方法，将车辆分为16类典型车型，如表1所示。

表1 16类典型车型

2.2 车型比例及车重统计

按照表1，将这一天调查统计得到的交通车流量按照每类车出现的频数来开展统计计算和分析，见表2，各类车的占有率如图3所示。

表2 车流车型频数

图3 车流车型占有率（%）

由交通车流调查数据统计分析得到：该桥当年日均车辆通行量约41000辆，我们所选的样本为40218，相对差值仅为1.9%。表明该抽样日交通车流统计量满足抽样要求。通过对数据整理分析，得到抽样日16类典型车型中各类的通行量、轴重及轴距等，见表3。

表3 16类典型车型通行量、车重及轴距统计

2.3 疲劳车辆荷载谱的计算

桥面发生疲劳破坏的主要原因是车辆荷载的反复作用。由实际调查统计得到的交通流量数据，把得到的典型车辆划分为常见的16类。但是直接用这16类典型车来进行疲劳验算还是比较麻烦，参照国内外桥梁中有关疲劳寿命评估方面经常用的做法，简化后得到7类模型车辆荷载谱。

英国桥梁规范BS5400中明确指出总重30kN以下的车辆造成的疲劳损伤可以忽略不计，进一步把16类典型车中轴数相同、轴距相差不大的组合成一类。然后选择每类型车辆中通过次数最高的车作为典型车辆，根据统计分析得到的车重样本数据，基于等效疲劳损伤理论，解得各类模型车辆的等效轴重。其等效轴重公式如下：

式中：

f i——被划分成同类型车辆中的第i种车在该类车中出现的频率；

W ij——第i种车的第j个轴重；

W ej——该类模型车中第j个车轴的等效轴重。每类等效车的总重等于每个等效轴重之和。

同样的，等效轴距通过以相同类型中各种货车驶过该桥次数的频率作为权数，计算轴间距的加权平均值，从而计算出其等效轴距，计算公式如下：

式中：

f i——同类型车中的第i种车在该类车中出现的频率；

A ij——第i种车的第j个轴距；

A ej——该类模型车辆中的第j个车轴的等效轴距。

根据上面两个公式，对某长江公路大桥某24h内实际交通流量数据进行统计、分析与计算，最终获得7类车辆荷载模型以及其相对应的频值谱，见表4。

表4 7类模型车辆荷载频值谱

从表4看出V2、V3均为三轴车；而V5、V6为六轴车，但不属于同一类典型车。这样分类主要是基于两类车车轴的布置方式不一样、轴间距差异也很大，车辆荷载引起的应力幅值大小和循环次数就有可能会出现比较大的差距，有必要将其区分开来。

3 结束语

本文主要介绍桥梁疲劳荷载谱的基本制定流程，并以某长江公路大桥某一天24h（0∶00～24∶00）交通流量实测数据为样本，将得到的典型车辆划分为常见的16类；利用等效轴重、等效轴距相关计算理论和公式，对实际交通流量数据进行统计、分析与计算，依据英国BS5400规范和疲劳等效损伤理论，最终获得了7类车辆荷载模型以及其相对应的频值谱。本文建立桥梁疲劳荷载谱的方法可为未来同类桥型荷载谱的建立提供有益借鉴。