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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(wèi)剛 翟輝 劉延芳 來源:中國橋梁網(wǎng)
[page]引言

    隨著我國國民經(jīng)濟的快速增長,國內(nèi)汽車工業(yè)近年內(nèi)發(fā)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(shù)。使得我國公路設(shè)計行業(yè)的荷載標準相對滯后,各類公路設(shè)計規(guī)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(diào)查研究后,歐美、日本等國,制定出了公路橋梁疲勞設(shè)計荷載譜或疲勞車輛模型。我國鐵路行業(yè)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(guān)規(guī)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(yè)的橋梁疲勞設(shè)計規(guī)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(dǎo)荷載譜必須基于全國大面積的交通荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上才有可能進行。我國現(xiàn)行的《公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(JTJ025-86)頒布使用至今已達20余年之久。我國公路鋼橋規(guī)范有關(guān)疲勞部分與當前鋼橋大規(guī)模建設(shè)和發(fā)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(yè)經(jīng)過五的發(fā)展后,無論是車型還是輪重、輪距、軸距均發(fā)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(shè)計通用規(guī)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(shè)計規(guī)范》JTG D40—2003和《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)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(xiàn)行交通荷載調(diào)查資料,否則難以實現(xiàn)。

    關(guān)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(diào)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(nèi)大量的交通荷載調(diào)查的資料,均具有一定的區(qū)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(diào)研相結(jié)合,充分體現(xiàn)國情的實際情況;用實際調(diào)查數(shù)據(jù)說話,在實際調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)開展理論研究;有選擇地在全國高速公路和橋梁上,進行現(xiàn)有交通荷載調(diào)查和參數(shù)統(tǒng)計,然后運用均值和方差的數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對所收集數(shù)據(jù)進行分類整理、統(tǒng)計,按照各種車輛(軸重、軸距)出現(xiàn)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(chǔ)資料的深度和廣度,例如公路車輛分類,各類車輛尺寸、質(zhì)量、輪胎及其變化范圍,車輛交通特性等數(shù)據(jù),以及所收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法的正確性??梢娛占囕v荷載資料的基礎(chǔ)工作尤為重要。同時考慮到公路車輛繁多、復(fù)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(diào)查重點是3噸以上的車輛。

    首先要了解國內(nèi)現(xiàn)有典型公路橋梁上行駛車輛荷載的分類情況以及出現(xiàn)頻率較高的品牌車輛基本參數(shù)和一些技術(shù)指標。為了與國際通行標準接軌,依據(jù)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(shù)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(diào)查。得知在我國高速公路上出現(xiàn)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(jīng)分類整理,主要軸型參數(shù)見于表1。

    表1  主要軸型參數(shù)

     
    2  全國交通荷載調(diào)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(diào)查,將導(dǎo)致調(diào)查工作量過大且無必要。本次調(diào)查分別在我國的東北、西北、東南、西南、華南、中原等地區(qū)選取了8個典型高速公路和橋梁收費站進行現(xiàn)場交通荷載調(diào)查,調(diào)查結(jié)果具有較強的代表性,完全可以應(yīng)用于公路行業(yè)各類標準規(guī)范的荷載研究。

    由于研究目的不同,與一般交通部門的調(diào)查內(nèi)容有所不同的是除了在一定時間段內(nèi)記錄各類車輛的交通量外,還涉及車輛荷重方面的參數(shù),包括軸距、輪距、輪間隙、軸重、輪重、總重、貨車比例、方向系數(shù)、車道系數(shù)、輪距橫向分布系數(shù)、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(diào)查中,軸重均為實測值;軸型和軸型組合均按國家標準規(guī)定記錄。軸數(shù)、軸距和輪距一部分采用現(xiàn)場直接測量的方法,在此調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,分析研究調(diào)查數(shù)據(jù)并分類整理,為簡化工作內(nèi)容,提高工作效率,另一部分則采用現(xiàn)場人工觀測記錄,查閱車輛技術(shù)手冊的方法調(diào)查,并按同類車輛的軸型和軸重,與第一部分調(diào)查結(jié)果比較并修正得出數(shù)據(jù),具體操作步驟如下:

    1) 正式調(diào)查之前,在現(xiàn)場作初步的觀察,了解將出現(xiàn)的車輛類型。根據(jù)觀察結(jié)果和參考一些車輛技術(shù)手冊中的圖片及數(shù)據(jù),將出現(xiàn)頻率較高的車輛分類記錄并查閱相關(guān)參數(shù),作為正式調(diào)查時分類統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。

    2) 選取國內(nèi)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(diào)查。正式調(diào)查時,由一些具備道路交通專業(yè)知識、技能和實踐經(jīng)驗的人員,進行24小時連續(xù)現(xiàn)場觀測。記錄每輛車輛的品牌,并由各收費站信息中心調(diào)出每輛車的軸型和軸重,形成調(diào)查表格。

    3) 調(diào)查完成之后,按照軸型和軸數(shù)分類后,按每輛車出現(xiàn)的頻率,采用加權(quán)平均的方法計算軸距和軸重,由此推導(dǎo)出各地區(qū)典型車輛荷載譜。

    [page]2.1 調(diào)查區(qū)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(diào)查,會導(dǎo)致調(diào)查工作量過大且無必要。本次選取8個典型地區(qū)進行現(xiàn)場交通荷載調(diào)查,其調(diào)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(qū),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(yīng)用于公路荷載標準研究。本次交通車輛荷載調(diào)查所選地區(qū),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(huán)次數(shù)多,對結(jié)構(gòu)影響較大。

    3) 武漢地區(qū)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(huán)次數(shù)多,對結(jié)構(gòu)影響較大。

    4) 河南為我國中原地區(qū),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(qū),集裝箱車較多,軸重較重,但流量不是太大,也具有沿海地區(qū)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(yè)經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)車輛荷載的特性,對分析我國現(xiàn)行車輛荷載的全面性具有一定的現(xiàn)時意義。

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

    2.2 國家車輛標準

    車輛荷載調(diào)查數(shù)據(jù)繁多,在此不再一一羅列。由于各省之間情況各異,經(jīng)濟增長點各不相同,車輛荷載出入較大。國內(nèi)有眾多的汽車生產(chǎn)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(shù),每一個軸組數(shù)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(shù)。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,預(yù)計日后仍有更多類型車輛將出現(xiàn)在我國的高速公路和橋梁上。

    據(jù)《公路法》以及國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定,在公路上行駛的車輛軸載質(zhì)量應(yīng)當符合公路工程技術(shù)標準、《道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》(國家強制標準GB1589-2004)及交通部《印發(fā)關(guān)于收費公路試行計重收費指導(dǎo)意見的通知》(交公路發(fā)[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(yīng)的軸重認定標準之和與該車對應(yīng)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(yīng)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(diào)查車輛情況分析

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

    根據(jù)車輛荷載調(diào)查的情況,首先整理出各省的車輛荷載表,再根據(jù)此表按軸組數(shù)分類,做數(shù)據(jù)簡化處理,取現(xiàn)場出現(xiàn)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(shù)據(jù),對各省車輛荷載進行分類歸納、統(tǒng)計、分析、推導(dǎo)出各省的典型車輛荷載。

    3  典型車輛荷載譜推導(dǎo)

    首先根據(jù)各省調(diào)查的車輛荷載數(shù)據(jù),按軸型和軸組數(shù)分類統(tǒng)計,制定出各省車輛荷載調(diào)查統(tǒng)計表格;合并相近車型,并將軸重和軸距等基本參數(shù)湊成較為整齊的數(shù)值,采用數(shù)理統(tǒng)計的方法,提取典型車型的基本參數(shù);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(xiàn)的相對頻率作為權(quán)數(shù),按軸距的加權(quán)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(shù)學(xué)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(shù)學(xué)期望值。

    3.2 典型車輛推導(dǎo)

    按照上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法,基于車輛荷載調(diào)查的基礎(chǔ)資料,便可以分別統(tǒng)計、推導(dǎo)出各省典型車式樣荷載頻值譜。推導(dǎo)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(tǒng)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(tǒng)計分析,得出相應(yīng)的軸重、軸距及頻值見表4~6,表中軸重數(shù)據(jù)單位為KN,軸距數(shù)據(jù)單位為m。

    表4:車輛軸重統(tǒng)計表
 
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軸型

軸數(shù)

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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