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【周永濤】我國高速公路交通荷載標準研究
2011-11-30 來源:作者:周永濤 鮑衛剛 翟輝 劉延芳 來源:中國橋梁網
[page]引言

    隨著我國國民經濟的快速增長,國內汽車工業近年內發展勢頭迅猛,車輛種類繁多,各類轎車、客車、貨車、牽引車、特種車、專用汽車、越野車,不計其數。使得我國公路設計行業的荷載標準相對滯后,各類公路設計規范中的荷載標準亟待更新。

    70年代,在進行了大量車輛荷載調查研究后,歐美、日本等國,制定出了公路橋梁疲勞設計荷載譜或疲勞車輛模型。我國鐵路行業在這兩方面都已開展了系列研究,取得了一定的成果,并實施有關規范的編制。然而,公路橋梁這方面的研究十分匱乏,至今沒有公路行業的橋梁疲勞設計規范,其中一個重要原因便是,沒有制定出適合我國國情的疲勞荷載譜。而要推導荷載譜必須基于全國大面積的交通荷載調查的基礎上才有可能進行。我國現行的《公路橋涵鋼結構及木結構設計規范》(JTJ025-86)頒布使用至今已達20余年之久。我國公路鋼橋規范有關疲勞部分與當前鋼橋大規模建設和發展并不相稱,不利于鋼橋安全可靠耐久地使用,亟待更新。

    汽車工業經過五的發展后,無論是車型還是輪重、輪距、軸距均發生了較大變化。2004年底,交通部頒布實施的《公路橋涵公路橋涵設計通用規范》JTG D60—2004,中的車輛荷載已顯得滯后,亟待更新。同樣《公路水泥混凝土路面設計規范》JTG D40—2003和《公路瀝青路面設計規范》JTG D5010—2006,中的車輛荷載也有類似的問題,但更新的前提條件是,要有大量的現行交通荷載調查資料,否則難以實現。

    關于公路橋梁疲勞荷載譜的研究工作,童樂為(1994、1997)、Miao 和Chan(2002)王春生(2003)、王榮輝(2004)、王碩(2007)等人,分別對上海、香港、廣州等地的交通荷載做過調查研究,得出了一些選取疲勞車有益的建議。但上述研究也是由于缺少全國范圍內大量的交通荷載調查的資料,均具有一定的區域性和局限性,難以代表我國公路橋梁疲勞荷載標準。

    本文堅持理論研究與實際調研相結合,充分體現國情的實際情況;用實際調查數據說話,在實際調查數據的基礎開展理論研究;有選擇地在全國高速公路和橋梁上,進行現有交通荷載調查和參數統計,然后運用均值和方差的數學統計方法對所收集數據進行分類整理、統計,按照各種車輛(軸重、軸距)出現的頻遇值找出中國各地具有代表性的典型車輛。

    1  中國車輛荷載形式

    公路荷載標準制定是否合理,是否適合我國國情,取決于所收集基礎資料的深度和廣度,例如公路車輛分類,各類車輛尺寸、質量、輪胎及其變化范圍,車輛交通特性等數據,以及所收集數據統計分析方法的正確性。可見收集車輛荷載資料的基礎工作尤為重要。同時考慮到公路車輛繁多、復雜,以及對公路、橋梁損失的影響程度,本次全國公路交通荷載調查重點是3噸以上的車輛。

    首先要了解國內現有典型公路橋梁上行駛車輛荷載的分類情況以及出現頻率較高的品牌車輛基本參數和一些技術指標。為了與國際通行標準接軌,依據國際標準ISO 3833,2001年我國重新制定了汽車分類的新標準《汽車和掛車類型的術語和定義》(GB/3730.1-2001) 將汽車分為乘用車和商用車兩大類。通過在山西、福建、南京、廣東、湖北、河南、遼寧、重慶等地的高速公路(橋梁)收費站的車輛荷載調查。得知在我國高速公路上出現頻率較高的品牌車輛大致有東風、江淮、解放、五十鈴、長安、福田、江鈴、金杯、奔馳、躍進、斯太爾、歐曼重卡、奧龍等品牌。每個品牌均有眾多車型,經分類整理,主要軸型參數見于表1。

    表1  主要軸型參數

     
    2  全國交通荷載調查

    考慮到國土面積較大,車輛種類繁雜,如果在各省展開交通荷載調查,將導致調查工作量過大且無必要。本次調查分別在我國的東北、西北、東南、西南、華南、中原等地區選取了8個典型高速公路和橋梁收費站進行現場交通荷載調查,調查結果具有較強的代表性,完全可以應用于公路行業各類標準規范的荷載研究。

    由于研究目的不同,與一般交通部門的調查內容有所不同的是除了在一定時間段內記錄各類車輛的交通量外,還涉及車輛荷重方面的參數,包括軸距、輪距、輪間隙、軸重、輪重、總重、貨車比例、方向系數、車道系數、輪距橫向分布系數、平均行駛速度、年增長率。

    自全國實行公路計重收費以后,各省收費站均配置了各種型號的軸重儀,所以在本次車輛荷載調查中,軸重均為實測值;軸型和軸型組合均按國家標準規定記錄。軸數、軸距和輪距一部分采用現場直接測量的方法,在此調查數據的基礎上,分析研究調查數據并分類整理,為簡化工作內容,提高工作效率,另一部分則采用現場人工觀測記錄,查閱車輛技術手冊的方法調查,并按同類車輛的軸型和軸重,與第一部分調查結果比較并修正得出數據,具體操作步驟如下:

    1) 正式調查之前,在現場作初步的觀察,了解將出現的車輛類型。根據觀察結果和參考一些車輛技術手冊中的圖片及數據,將出現頻率較高的車輛分類記錄并查閱相關參數,作為正式調查時分類統計的數據。

    2) 選取國內典型高速公路和橋梁收費站(安裝有軸重儀的)進行車輛荷載調查。正式調查時,由一些具備道路交通專業知識、技能和實踐經驗的人員,進行24小時連續現場觀測。記錄每輛車輛的品牌,并由各收費站信息中心調出每輛車的軸型和軸重,形成調查表格。

    3) 調查完成之后,按照軸型和軸數分類后,按每輛車出現的頻率,采用加權平均的方法計算軸距和軸重,由此推導出各地區典型車輛荷載譜。

    [page]2.1 調查區域特點

    由于中國國土面積較大,如果在每個省份展開交通荷載調查,會導致調查工作量過大且無必要。本次選取8個典型地區進行現場交通荷載調查,其調查范圍覆蓋我國東北、華北、西北、西南、東南、華中以及中原地區,與全國的交通荷載的實際情況雖有所出入,但具有較強的代表性,完全可以應用于公路荷載標準研究。本次交通車輛荷載調查所選地區,具有以下幾個特點。

    1) 山西運煤車輛較多,就軸重而言可算全國車輛荷載的上限,具有較大特點。

    2) 南京車輛輕,就軸重而言可算全國車輛荷載的下限,但流量較大,循環次數多,對結構影響較大。

    3) 武漢地區為九省通渠,交通流量較大,車輛形式種類繁多,軸重一般,但循環次數多,對結構影響較大。

    4) 河南為我國中原地區,軸重和流量均屬于中位,具有一定的全國代表性。

    5) 大連、青島、廈門為沿海地區,集裝箱車較多,軸重較重,但流量不是太大,也具有沿海地區車輛的代表性,值得研究。

    6) 廣州、江門、深圳等珠三角城市車輛荷載代表著我國工業經濟較發達地區車輛荷載的特性,對分析我國現行車輛荷載的全面性具有一定的現時意義。

    7) 重慶地處西南高原山區(三峽庫區),其車輛荷載具有一定的特點,在西南片區具有較強的代表性,應納入本次車倆荷載調查范圍。

    2.2 國家車輛標準

    車輛荷載調查數據繁多,在此不再一一羅列。由于各省之間情況各異,經濟增長點各不相同,車輛荷載出入較大。國內有眾多的汽車生產廠家,每個廠家均有很多不同類別的車輛,每一類別的車輛又有不同的車型,每一個車型有不同的軸組數,每一個軸組數也有不同類型的軸型組合(軸重和軸距均不相同),再加上不同類型的各種改裝車輛,我國車輛類型不計其數。隨著我國經濟的高速發展,預計日后仍有更多類型車輛將出現在我國的高速公路和橋梁上。

    據《公路法》以及國家有關法規規定,在公路上行駛的車輛軸載質量應當符合公路工程技術標準、《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質量限值》(國家強制標準GB1589-2004)及交通部《印發關于收費公路試行計重收費指導意見的通知》(交公路發[2005]492號)的要求。在實行計重收費的公路上行駛的載貨類汽車如超過認定標準,則被視為已超過公路的承載能力。當車輛各軸對應的軸重認定標準之和與該車對應的車貨總重認定標準不一致時,以二者之間的較小值者作為該車對應的公路承載能力認定標準[10~11]
 
   表2:基本軸型分類
 
       
表3:常見軸型組合
 
    
    2.3 調查車輛情況分析

    雖然我國對汽車生產廠家做了一些詳細的條文規定,軸重和軸距離散性較大,給本次車輛荷載分析統計工作帶來一定的難度。但各省內車輛還是有一定特點的,省內車輛荷載統計數據完全可以收斂。

    根據車輛荷載調查的情況,首先整理出各省的車輛荷載表,再根據此表按軸組數分類,做數據簡化處理,取現場出現率較高的車型作為該類別車輛的代表車型(具有平均意義)。具體計算時可拋棄一些離散性較大的數據,對各省車輛荷載進行分類歸納、統計、分析、推導出各省的典型車輛荷載。

    3  典型車輛荷載譜推導

    首先根據各省調查的車輛荷載數據,按軸型和軸組數分類統計,制定出各省車輛荷載調查統計表格;合并相近車型,并將軸重和軸距等基本參數湊成較為整齊的數值,采用數理統計的方法,提取典型車型的基本參數;然后軸重按照等效疲勞損傷原理,求出每種模型車輛中各個軸的等效軸重,各個等效軸重之和即為模型車輛的等效總重,軸距按照同一類中每種車輛出現的相對頻率作為權數,按軸距的加權平均值求出該類模型車輛的各個軸距。最終得出各省的典型車輛荷載頻值譜。

    3.1 軸重及軸距的數學期望值    

    通過篩選,找出常見軸型進行分類,求取各軸型車輛軸重及軸距的數學期望值。

    3.2 典型車輛推導

    按照上述數據統計分析方法,基于車輛荷載調查的基礎資料,便可以分別統計、推導出各省典型車式樣荷載頻值譜。推導過程較為繁瑣,各省典型車輛較多,在此不再一一羅列,下面僅列出山西典型車輛荷載形式。

    山西省高速公路車輛荷載特點是,貨車較多、客車較少、軸重較大,以重載貨車(6軸)車居多,約占50%左右。軸型統計共有11,12,112,15,122,115,125,1211,155,129,159,1129合計12種,其中,122和1211車流量分別僅為5輛和2輛,忽略不計。針對另外10種軸型分別統計分析,得出相應的軸重、軸距及頻值見表4~6,表中軸重數據單位為KN,軸距數據單位為m。

    表4:車輛軸重統計表
 

軸型

軸數

軸重1

軸重2

軸重3

軸重4

軸重5

軸重6

11

2

30

50

12

50

140

112

3

50

50

160

15

50

110

110

115

4

55

55

140

140

125

40

120

120

120

155

5

50

100

100

130

130

129

50

140

100

100

100

159

6

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