总432期2017年第18期（6月 下）公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究分析赵德强1，赵伟强2（1.江西省公路工程检测中心，江西 南昌 330013；2.南京交通职业技术学院，江苏 南京 211188）摘要：分析了公路桥梁标准疲劳车辆荷载，采用高斯混合建模方法，构建了等效疲劳车辆荷载模型及典型跨径公路桥梁疲劳验算模型，评估了公路桥梁疲劳寿命，明确了公路桥梁标准疲劳车辆荷载谱，从而指导公路桥梁疲劳设计。关键词：公路桥梁；疲劳车辆荷载；荷载谱中图分类号：U442 文献标识码：B0 引言随着社会经济的快速发展，公路桥梁的重要性日渐显著，但因交通量的大幅度增加，桥梁构件，尤其是钢构件的疲劳问题得到了人们的高度关注。近几年，公路桥梁由于疲劳破损而频繁出现意外事故，造成了重大的人身财产损失。为了保障公路桥梁安全，延长其使用时间，相关人员应根据公路桥梁标准疲劳车辆荷载情况，采取针对性的改进方案，旨在推动我国交通事业健康发展。此局面，我国有关学者展开了前瞻性与实验性研究。如：董乐为[3]等对上海市中山路地面桥进行了研究，其结果为获得了6种车辆模型，其他学者[4]以白渡桥为研究对象，利用Monte—Carlo方法，获得了虚拟车流，并与实测杆件的应力谱进行了对比，以此改进了交通荷载模型；王荣辉[5]等对广州市高架桥进行了研究，经数据分析，发现典型车辆有5种。但我国公路桥梁具有多样性与复杂性，现有的研究均存在不足，制约着标准疲劳设计工作的开展。1 公路桥梁标准疲劳车辆荷载的相关研究世界各国都十分关注公路桥梁疲劳问题。如：美国、英国及德国等均对桥梁进行了系统的规范，包括各种构件的疲劳强度等级、疲劳设计荷载谱、疲劳车辆模型等。国际上关于公路桥梁疲劳验算的车辆荷载形式主要有：一种为车辆荷载频值谱，其主要是利用公路桥梁的有关交通数据，经分析得到的典型车辆荷重及其相对频率；另一种为标准疲劳车辆[1]。我国国土面积辽阔，广泛分布着高原、平原、丘陵与盆地等，受气候、地壳运动等因素的影响，各地具备了差异化的特点，而上述均影响着公路桥梁建设，随之出现了不同的路体、桥体，其载重性也各不相同。在此情况下，各地车辆对公路桥梁标准疲劳车辆荷载性能造成了个性化的影响。虽然我国有关学者对交通行业展开了研究，制定了一系列的规范，但关于公路桥梁研究报道较少，既有的公路钢桥规范不够合理，主要表现为钢桥规模偏大，而疲劳研究迟缓，在此情况下，钢桥安全性、耐久性与可靠性等问题愈加明显。与国际疲劳理论相比，我国的相关规范具有明显的滞后性与针对性，尚无适合的标准车辆。而对国际公路桥梁疲劳设计规范的套用，使其丧失了现实意义，实践中公路桥梁车辆荷载仅考虑实际运营状况，降低了设计准确性。为了扭转[2]2 公路桥梁标准疲劳车辆及其荷载分析在研究过程中选取了具有一定代表性省份的公路桥梁，对其交通车辆荷载数据进行了分析，根据疲劳致伤等效原则，经模型计算，了解了公路桥梁疲劳寿命，掌握了疲劳车辆荷载谱，明确了疲劳标准车。2.1 公路桥梁标准疲劳车根据我国公路桥梁的分布情况及具体特点，选择了具有典型性的高速公路，共。通过实地调查，收集了现场交通荷载数据，利用等效致伤理论、概率统计原理等，抽取了典型车辆荷载频值谱。由于各省典型车式样繁多，但篇幅有限，因此，本文以辽宁省车式样为例，轴型车辆有5种。如：2轴，轴重分为40kN与100kN，轴距为5.5m，车流量为2900辆，相对频率为26.9%；3轴，轴重分别为50、70与130kN，轴距分别为3m、5m，车流量为848辆，相对频率为7.9%；4轴，轴重分别为45kN、100kN、110kN与110kN，轴距分别为3m、6.5m、1.4m，车流量为1425辆，相对频率为13.2%；5轴，轴重分别为45kN、130kN、100kN、100kN与100kN，轴距分别为3.5m、5m、4m、1.4m，车流量为2080辆，相对频率为19.3%；6轴，轴重分别为45kN、75kN、130kN、100kN、100kN与100kN，轴距分别2m、2.5m、7m、收稿日期：2016-11-30作者简介：赵德强（1979—），男，工程师，主要研究方向为公路桥梁设计、监测及检测等。92
1.4m、1.4m，车流量为3510辆，相对频率为32.7%。为了简化计算，研究中以2个典型跨径简支梁为研究对象，构建了疲劳验算模型，其跨径分别为1.2m与30m。经计算得知，疲劳损伤度分别为3和5。此后，将损伤度突出的车辆视为标准疲劳车形式，以1.2m跨径为例。其中m=3的总等效内力幅为-29.1、总循环次数为45548，而m=5的分别为-30.7与45548。经对比分析可知，6轴典型车为标准疲劳车，以此为依据，对其进行修正，以确定最终的标准疲劳车形式。2.2 荷载分析（1）等效疲劳车辆荷载模型。公路桥梁因车型丰富、车辆载货率各异，导致其荷载模型复杂，经学者研究证实，高斯混合模型用于车辆荷载研究，具有一定的精准性。在实际计算中利用EM算法，不仅可以保证模型精度，还可提高简洁性，在研究中最为关键的环节是确定参数取值，实践中应结合AIC准则与BIC准则[6]。构建标准疲劳车辆模型：高斯混合模型可对公路桥梁的车辆总重及轴重的概率分布进行准确的描述，为了保证其应用于工程的效果，需要简化模型。本研究以某简支T梁为研究对象，涉及的参数包括：荷载为公路I级，跨径为40，钢筋为HRB335，利用雨流计数法，观察C2～C6不同车辆作用于公路桥梁的疲劳应力，结合钢筋疲劳强度S—N曲线，可获得相应的钢筋疲劳损伤值。以C2为例，其钢筋应力幅值、损伤值分别为11.2MPa、0.28/10-10，而C6的分别为452MPa、124.8/10-10。经分析发现，该桥梁的疲劳损伤值为5.5×10-5。如果该桥梁的交通量增长率保持约5%，则寿命可达到88年左右。（2）典型跨径的公路桥梁疲劳验算模型。在选定的标准疲劳车辆形式基础上，扩增跨径种类，具体范围为1.2～100m，结合等损伤理论，充分考虑各个跨径的实际情况，修正其轴重，获得相应的轴重修正系数，从而明确标准疲劳车辆。在修正时以固定的总交通量为依据，利用标准疲劳车辆代表全部典型车，保证二者损伤度相同。假设轴重比与其应力幅的比值相等。在实际计算过程中因跨径不同，其相应的轴重修正系数各异。例如40m跨径，当m=3时，对基本标疲车各轴重进行修正，此后便可得到标准疲劳车。如：6轴，轴重分别为40kN、60kN、105kN、80kN、80kN与80kN，轴距分别2m、2.5m、7m、1.4m、1.4m。其他省份的标准疲劳车的修正系数范围为0.8～0.9，可通用与中长跨径，但对于小跨径结构而言，其损伤度直接受轴重影响。上述疲劳验算的基础为单车，而公路桥梁，特别是钢桥，难以避免多车同时加载，同时车辆荷载整体作用的应力会对构件疲劳造成消极的影响，因此，在实际交通世界TRANSPOWORLD研究中应关注纵向增大系数[7]。经调查发现，各省的标准车普遍为重型货车，其特点为车长长、车速慢，假设相邻车辆间的距离为20m，此后对纵桥向的多车效应进行分析，可获得多车与单车效应比值，该值便是纵向增大系数。以40m跨径为例，经修正处理及归一化计算，便可得到标准疲劳车的纵向增大修正系数，其中各省份的跨径不修正为30～60m，不足30m跨径修正范围为10%～20%，超过60m，不足100m跨径修正范围为30%，并呈线性增大。3 结语在研究公路桥梁标准疲劳车辆荷载过程中构建了模型，经分析发现，各地标准车多为6轴重车，中长跨径无需修正，但小跨径受变异轴重影响，需要增大其疲劳应力；此外，同一车道因影响线较长，车辆增多，与单车相比，致伤度增大，因此，研究中利用了多车纵向增大系数，进而获得了公路疲劳设计标准车辆荷载谱；同时，本研究借助高斯混合建模方法，遵循了等效疲劳损伤原则，经分析，明确了公路桥梁疲劳设计荷载及其疲劳寿命。但本研究仍存在不足，主要是因公路桥梁疲劳问题影响因素广泛，日后应开展深入研究，以此保证疲劳设计质量与效果。参考文献：[1] 李星新，任伟新，钟继卫.西南山区高速公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究[J]. 振动与冲击，2012，31（15）：96-100.[2] 夏叶飞，李峰峰，顾煜，等.基于WIM的高速公路桥梁车辆疲劳荷载谱研究[J]. 公路交通科技，2014（3）：56-.[3] 潘鹏，李全旺，周怡斌，等.某公路大桥车辆荷载调查与局部疲劳分析[J]. 土木工程学报，2011，13（5）：94-100.[4] 孙晓燕，徐冲，王海龙，等.用于疲劳可靠性分析的公路桥梁荷载效应研究[J]. 公路交通科技，2011，28（5）：80-85.[5] 李少骏. 中小跨径混凝土桥梁疲劳荷载模型及疲劳性能研究[D]. 浙江：浙江大学，2015.[6] 刘扬，张海萍，邓扬，等.公路桥梁车辆荷载建模方法及疲劳寿命评估[J]. 应用力学学报，2016，33（4）：652-658.[7] 王超. 重载公路小跨径PC梁桥疲劳车辆荷载谱与疲劳性能研究[D]. 北京：北京交通大学，2015.（编辑：赵艳）93