外環(huán)線典型路段實用疲勞荷載頻值譜研究

外環(huán)線典型路段實用疲勞荷載頻值譜研究

隨著道路交通的快速發(fā)展，道路、鐵路和城市交通車輛的噸位和速度不斷增加。交通負(fù)荷導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的勞差橋破壞，橋梁結(jié)構(gòu)的破壞越來越受到重視。為了詳細(xì)分析和評估橋梁結(jié)構(gòu)的勞動壽命和疲勞可靠性，有必要仔細(xì)分析和評估橋梁結(jié)構(gòu)的勞動壽命。疲勞設(shè)計的車輛荷載譜橋梁結(jié)構(gòu)疲勞是指橋跨構(gòu)件在交通車輛往復(fù)荷載作用下產(chǎn)生累積損傷,形成疲勞裂紋,疲勞裂紋的擴展使得構(gòu)件在較低的應(yīng)力水平發(fā)生斷裂破壞,疲勞引起的斷裂破壞往往在低應(yīng)力水平下突然發(fā)生。與結(jié)構(gòu)強度設(shè)計不同,橋梁疲勞設(shè)計所采用的荷載不應(yīng)是橋梁結(jié)構(gòu)所承受的最不利荷載組合,而應(yīng)采用往復(fù)作用的交通車輛荷載,根據(jù)往復(fù)荷載作用下構(gòu)件應(yīng)力或應(yīng)變變化的幅值,計算它們所引起的疲勞累積損傷。因此,準(zhǔn)確、合理的交通荷載頻值譜即橋梁的疲勞荷載譜是橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計的基礎(chǔ)。當(dāng)然,要將在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)通過橋梁的所有車輛荷載都一一列出來是不可能的,所以,就需要通過統(tǒng)計分析確定用作橋梁疲勞設(shè)計的“典型車編組”,即所謂的“疲勞車”。目前,英國、美國、德國、日本等都在各自的橋梁設(shè)計規(guī)范中給出了相應(yīng)的疲勞設(shè)計車輛荷載譜。但是,由于中國公路的交通狀況與發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距,由疲勞所導(dǎo)致的公路橋梁破壞并不多見,所以在這方面開展的研究相對較少。對于公路和城市道路橋梁,我國規(guī)范還沒有制定疲勞設(shè)計的車輛荷載譜。國際上目前對公路鋼橋疲勞設(shè)計所用的荷載一般有3種形式[1~3]。(1)車輛荷載頻值譜。它是通過對公路橋梁的交通量調(diào)查得出的日常各種典型車輛的荷重和出現(xiàn)的相對頻率。(2)由第一種形式簡化而來一輛標(biāo)準(zhǔn)疲勞車。(3)采用靜力強度設(shè)計時標(biāo)準(zhǔn)活載中的一輛重型車輛。本文通過對天津市外環(huán)線典型路段進行的24h交通量觀測調(diào)查,統(tǒng)計出包含5種車型的車輛荷載頻值譜,并根據(jù)等效疲勞損傷原理,將其簡化成為只含有2種標(biāo)準(zhǔn)車型的實用疲勞荷載頻值譜。流量研究外環(huán)線內(nèi)的最佳交通組織交通量調(diào)查路段選為天津市外環(huán)線程華里路段由東南向西北的單行線,見圖1。外環(huán)線跨越空間廣闊,是連接京滬高速、京晉高速、津濱高速及京津塘高速等的重要交通紐帶,每日往返于外環(huán)線上的重型卡車、大型客車流量大。外環(huán)線程華里路段毗鄰陽光100國際社區(qū),處于一個客貨較為繁忙的地段,道路為雙向6車道。交通量調(diào)查的觀測點為圖2所示的a點,監(jiān)測車輛為通過a-b斷面的所有機動車輛,車輛行駛方向為箭頭所指方向。正式調(diào)查的依據(jù)汽車對道路橋梁的荷載效應(yīng)主要體現(xiàn)在軸數(shù)、軸重和軸距等荷載參數(shù),因而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,還應(yīng)包括車輛的上述荷載參數(shù)。限于客觀條件,交通量調(diào)查采用現(xiàn)場人工觀測結(jié)合事后查閱車輛技術(shù)手冊的方法,具體步驟如下。(1)正式調(diào)查前,在現(xiàn)場作初步觀察,了解可能出現(xiàn)的車輛類型。根據(jù)現(xiàn)場觀察的結(jié)果,參考車輛技術(shù)手冊中的圖片及數(shù)據(jù),將車輛分為5種類型作為正式調(diào)查時分類統(tǒng)計的依據(jù)。見表1。表1中V1是指所有總重<30kN的小型車輛,它們對道路橋梁的疲勞損傷影響很小,故都?xì)w在一類;V2和V3是兩軸貨車,區(qū)別是載質(zhì)量不同。(2)正式調(diào)查時,取24h進行現(xiàn)場觀測。觀測由具有相關(guān)專業(yè)知識的試驗人員利用攝像器材現(xiàn)場采集交通數(shù)據(jù),然后根據(jù)影像數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計記錄。(3)調(diào)查完成后,將每類車輛中出現(xiàn)頻率較高的車型作為代表,依據(jù)有關(guān)車輛技術(shù)手冊以及相關(guān)規(guī)范,確定各種車輛的載質(zhì)量和尺寸。盡管每一類別的車輛有不同的車型,但各生產(chǎn)廠家都有較統(tǒng)一的基本標(biāo)準(zhǔn),車輛軸重、軸距和輪距等參數(shù)差別不大,因此,為簡化處理,取現(xiàn)場出現(xiàn)頻率最高的車型作為該類別車輛的代表具有平均意義。另外,根據(jù)手冊查得車輛名義額定荷重與現(xiàn)場車輛的實際荷重不一定相符,但是,現(xiàn)場車輛的裝載情況無非兩種,一是空載(空車);二是非空載,包括欠載、滿載和超載,雖然超載屬交通違章是不允許的,但因難以查驗而實際上是較普遍存在的,這樣各個類別的非空載車輛荷重可認(rèn)為是在滿載的額定值上下波動。對交通量調(diào)查時觀察到各類非空載車輛按其名義額定荷重取值,基本上代表了各類車輛荷重總體上的平均情況?？梢?雖然以上交通量調(diào)查方法中采用的車輛參數(shù)可能與現(xiàn)場實際情況略有出入,但基本能反應(yīng)該路段實際交通荷載情況。車輛空車率先后對外環(huán)線程華里路段進行了3次分時段間隔觀測,均為晴天,車輛行駛通暢。調(diào)查結(jié)果見表2。交通量調(diào)查中,各類車輛的空車率均取為20%,將其作為等效荷重計算的空車荷重的權(quán)數(shù)。日本對某些橋梁的交通調(diào)查中得到的各類車輛空車率基本相差不多。通過對調(diào)查數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn),每天7:00—9:00和17:00—19:00為所調(diào)查路段客貨流量最高峰。模型車輛等效總重的計算表2已經(jīng)代表了一組車輛荷載頻值譜,但由于車輛類別較多,直接用于橋梁結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計較為繁瑣,因此,可根據(jù)等效疲勞損傷原理進行簡化,以提煉出更為實用的模型車輛荷載頻值譜[4~6]。具體方法如下。(1)對表2中的5類車輛進行再分類,將相同軸數(shù)的車輛合并為同一類,分別對重新確立起來的每一類車輛建立一種模型車輛。V1類的輕小型客貨車因總重<30kN,對道路橋梁的疲勞損傷影響較小,忽略不計。(2)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。等效軸重的計算公式為式中:fi為歸在同一類車輛中的第i輛車的相對頻率,%;Wij為第i車輛的第j個軸的軸重,kN;Wej為該類模型車輛第j軸的等效軸重,kN。公式(1)與鋼結(jié)構(gòu)疲勞設(shè)計中等效應(yīng)力幅的計算原理一致,指數(shù)3為鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)造△σ-N細(xì)節(jié)曲線的斜率。(3)以歸在同一類的每種車輛出現(xiàn)的相對頻率作為權(quán)數(shù),按長度的加權(quán)平均值求出該類模型車輛的長度。采用的公式為式中:Ai為歸在同一類車輛中的第i輛車的長度,m;Aj為該類模型車輛的長度,m。根據(jù)上述方法,將表2中軸數(shù)相同的各類車輛合并,重新分成軸數(shù)為2和3的兩個類別,見表3。經(jīng)過統(tǒng)計分析,將表3轉(zhuǎn)化為實用荷載頻值譜,見表4。表4即為包括2種模型車輛的實用交通疲勞荷