Research on Live Load Parameters of Highway Bridges Based on WIM

Jiao Mingdong

Shanghai Tongji Testing Technology Co., Ltd. Baoshan Shanghai 200092

Abstract: In the evaluation of the bearing capacity and reliability of highway bridges, the design bridge load is currently mostly used, which has a certain gap with the actual traffic vehicle load situation of the bridge. Therefore, it is particularly necessary to conduct vehicle load parameter statistics and load model research for the evaluation of bridge bearing capacity and reliability. Based on the WIM system of a certain bridge project, this article first analyzes the vehicle load data collected by the WIM system, and then discusses in detail the probability of multiple heavy-duty vehicles appearing simultaneously on the bridge when the vehicle type, axle load, total weight, and bridge span are variables. Relevant research can provide some basic data for the reliability evaluation of the bearing capacity of the bridge.

Keywords: highway bridges; Vehicle configuration; Maximum load parameter; Vehicle co-occurrence probability

0.引言

随着经济社会的快速发展，交通运输业得到了持续快速进步，这不仅造成当前公路交通车辆数量上急剧增多，而且载重量也发生了较大的变化。由于既有桥梁设计多采用传统设计标准，这对于既有桥梁健康服役、安全承载带来了较大的压力，因此根据既有桥梁的极限承载能力和可靠性对于当前交通桥梁的可靠性做出合理的评价和分析显得尤为必要。对于桥梁承载能力的评价，需要考虑车辆轴重，载重量、轴间距和车间距等参数，这是因为车辆荷载参数如车重、轴重、车间距和轴间距均会对桥梁结构产生一定的荷载效应，由于在设计规范中缺乏上述参数，造成当前桥梁服役状态评估存在设计与现实的部分脱节，因此通过交通流量相关参数的统计分析，确定一个合理的车辆加载模型显得尤为必要。基于实际工程项目的WIM统计交通流量数据，本文统计分析了常见载重车辆的构型、载重量、同行概率等荷载参数，对于未来桥梁的可靠性研究提供一定的基础数据，对于桥梁结构的健康安全服役提供一定的保障作用。

1.工程背景

1.1 工程概况

某桥梁位于某国道位置，跨越某季节性河流，2018年底建成通车，设计荷载标准为公路-I级。主桥桥梁全长280.00m，上部结构为3孔，跨径布置为75+130+75m钢-混组合连续梁桥，分左右幅设置，单幅3车道（包含应急车道）。为了解桥梁交通车辆通行情况，安装了车辆动态称重系统(weigh-in-motion，简称WIM)，具体安装如图1所示。

图 1  WIM 系统平面布置示意图

1.2  WIM数据统计

根据WIM布置在车道1、车道2上的测点，对于实际通行车辆进行连续14d的监测，对于车辆类型、出现时间、轴间距、轴重、车距和车重等参数进行汇总分析。为了避免其他非交通因素的影响，选择夜间凌晨时分，小汽车较少，载重车较多的时间的汇总数据进行分析，具体统计结果如下表所示。

表 1 车辆调查原始数据的一部分

注：Pn为整体轴重比例，轴载和轴间距示意图见图2。

图2 车辆轴载及轴间距示意图

2  车辆荷载参数分析

鉴于通过桥梁的车辆类型多种类型，尤其是车辆类型、轴间距和轴重等参数对于桥梁承载能力影响较大，因此选择交通流的上述参数进行分析。由于每辆车的信息存在较大的差别，完全按照实际交通流进行车辆信息采集显得十分困难，选择代表车辆来反映实际过桥车辆的技术参数是当前交通流分析的常见做法。

2.1  5种常见载重载重车类型

WIM系统在数据采集过程中，无法对车辆轴数一致的车型进行区分，选择一种载重量较大的车型作为代表车型可以有效提高统计效率。根据《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》( GB1589-2016)和《中国汽车车型手册(2020)》，将轴数相同的车辆作为一类车辆考虑，其中荷载效应最大者为代表车型。根据WIM系统采集到的交通流数据，对于不同类型车辆出现的概率进行统计分析，可以得到5种常见载重车辆类型，其中2轴车辆占比最大，为33%，6轴车车辆占比最少，为7%，三轴车、四周车和五轴车占比在二者之间，这也与实际交通情况是相符的。交通流车型汇总具体结果如下图所示。

图 3 不同车型出现概率饼状图

2.2 代表性载重载重车的轴间距

对于5种常见代表车辆的轴间距进行统计分析，可以得到不同类型车辆的轴间距统计平均值。由于轴间距的平均值是不同类型车辆的轴间距平均值，与具体载重车辆的实际轴间距数据存在一定的差距，因此需要对原始数据进行轴间距平均值的分析，结果显示每种车辆类型驱动轴和从动轴之间的轴间距相对较大，二驱动轴轴间距、从动轴轴间距相对减小，具体结果如下表所示。

表 2 中常见载重车轴间距均值（m）

2.3代表性载重载重车的轴重

对于上文统计分析得到的5种典型载重车辆，对于车辆的轴重进行统计分析，与实际通行车辆轴重较为接近的统计轴重数据，结果发现，二轴车、三轴车和四轴车的轴重相对均匀，其他车辆的轴重均匀性相对较差，具体结果如下表所示。

表 3 种最常见载重载重车轴重平均值（kN）

3. 最大载重量的外推

本文统计得到的载重车辆车重是统计时间为14d的统计值，根据当前桥梁设计规范，桥梁设计基准期为100年，为了对桥梁服役至今的承载能力和后期服役水平进行评价，需要将14d内出现的载重量进行外推计算，主要依据如下两个理论：

（1）如果概率密度函数f(x)服从正态分布，则概率分布F(x)近似服从正态分布，具体统计参数如下式所示。

（2）如果概率密度函数f(x)服从极值-I型分布，则概率分布F(x)服从极值-I型分布，具体统计参数如下式所示。

上式中：F(x)和n(x)分别代表最大载重量Q(t)在时段τ或N上的概率密度函数；N是T年内时段数。

根据上述统计分析定理，14d内载重车辆统计分析，可以根据上述定理计算后续服役期载重车辆的代表值。考虑到当前载重车辆的最大载重量服从正态分布，根据桥梁100年设计基准期，车辆最大载重量的统计参数计算结果显示，100年设计基准期最大载重量平均值增加，而最大载重量标准差相对减小，这与理论分析情况是一致的，具体变化情况如下图所示。

（a）平均值

（b）标准差

图 4 常见载重车14d、100年最大载重量的统计参数

4. 多辆载重车在桥上同时出现的概率

桥梁设计基准期内载重车辆的最大载重量，只是计算得到的单车道中载重车的情况，在实际运营过程中，多辆载重车的同时出现对于桥梁结构上也是经常发生的事情，这对于桥梁结构承载是最不利的。根据本文2车道桥梁荷载统计分析发现，2辆车同时出现的概率是远远低于单辆载重车出现的概率，因此需要考虑一个多车道的横向折减系数，这需要考虑日交通量、载重量频率分布以及设计基准期内车辆通过历时进行理论计算。对于道路通行桥梁而言，桥梁跨径对于多辆车同时出现的概率有一定的影响，理论分析结果显示跨径影响相对有限，具体影响如下图所示。

图 5 多辆车同时出现在2车道桥梁的概率

5. 结论

基于WIM汇总得到的交通流信息是评价桥梁承载能力的基础数据。本文通过对WIM统计的车辆数据进行统计分析，分析了车型、设计基准期内车辆最大载重量、同时出现的概率；计算结果显示桥型、跨径对于桥梁结构的承载能力有一定程度的影响，因此需要根据桥梁通行情况建立适合桥梁评估的荷载模型。文章通过WIM分析了载重车辆的统计参数及影响因素，对于未来桥梁结构体系的可靠性分析提供一定的基础数据。

参考文献：

[1] 杨飞. 基于实测数据与CA交通流模型的桥梁汽车荷载研究[D].长安大学,2015.

[2] 李林春. 基于长期WIM数据的公路桥梁车辆荷载模型及效应研究[D].兰州理工大学,2023.

[3] 宗周红,李峰峰,夏叶飞等.基于WIM的新沂河大桥车辆荷载模型研究[J].桥梁建设,2013,43(05):  

[4] 张征文,杨飞,赵建峰等.基于WIM数据的简支梁桥车辆荷载效应分析[J].公路交通科技,2014,31(05):

[5] 焦明东,宋玉.某双曲拱桥技术状况评定研究[J].青海交通科技,2021,33(01):100-104.