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【周永涛】我国高速公路交通荷载标准研究

2011-11-30　来源：作者：周永涛 鲍卫刚 翟辉 刘延芳 来源：中国桥梁网

[page]引言

    随着我国国民经济的快速增长，国内汽车工业近年内发展势头迅猛，车辆种类繁多，各类轿车、客车、货车、牵引车、特种车、专用汽车、越野车，不计其数。使得我国公路设计行业的荷载标准相对滞后，各类公路设计规范中的荷载标准亟待更新。

    70年代，在进行了大量车辆荷载调查研究后，欧美、日本等国，制定出了公路桥梁疲劳设计荷载谱或疲劳车辆模型。我国铁路行业在这两方面都已开展了系列研究，取得了一定的成果，并实施有关规范的编制。然而，公路桥梁这方面的研究十分匮乏，至今没有公路行业的桥梁疲劳设计规范，其中一个重要原因便是，没有制定出适合我国国情的疲劳荷载谱。而要推导荷载谱必须基于全国大面积的交通荷载调查的基础上才有可能进行。我国现行的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ025-86）颁布使用至今已达20余年之久。我国公路钢桥规范有关疲劳部分与当前钢桥大规模建设和发展并不相称，不利于钢桥安全可靠耐久地使用，亟待更新。

    汽车工业经过五的发展后，无论是车型还是轮重、轮距、轴距均发生了较大变化。2004年底，交通部颁布实施的《公路桥涵公路桥涵设计通用规范》JTG D60—2004，中的车辆荷载已显得滞后，亟待更新。同样《公路水泥混凝土路面设计规范》JTG D40—2003和《公路沥青路面设计规范》JTG D5010—2006，中的车辆荷载也有类似的问题，但更新的前提条件是，要有大量的现行交通荷载调查资料，否则难以实现。

    关于公路桥梁疲劳荷载谱的研究工作，童乐为（1994、1997）、Miao 和Chan（2002）王春生（2003）、王荣辉（2004）、王硕（2007）等人，分别对上海、香港、广州等地的交通荷载做过调查研究，得出了一些选取疲劳车有益的建议。但上述研究也是由于缺少全国范围内大量的交通荷载调查的资料，均具有一定的区域性和局限性，难以代表我国公路桥梁疲劳荷载标准。

    本文坚持理论研究与实际调研相结合，充分体现国情的实际情况；用实际调查数据说话，在实际调查数据的基础开展理论研究；有选择地在全国高速公路和桥梁上，进行现有交通荷载调查和参数统计，然后运用均值和方差的数学统计方法对所收集数据进行分类整理、统计，按照各种车辆（轴重、轴距）出现的频遇值找出中国各地具有代表性的典型车辆。

    1  中国车辆荷载形式

    公路荷载标准制定是否合理，是否适合我国国情，取决于所收集基础资料的深度和广度，例如公路车辆分类，各类车辆尺寸、质量、轮胎及其变化范围，车辆交通特性等数据，以及所收集数据统计分析方法的正确性。可见收集车辆荷载资料的基础工作尤为重要。同时考虑到公路车辆繁多、复杂，以及对公路、桥梁损失的影响程度，本次全国公路交通荷载调查重点是3吨以上的车辆。

    首先要了解国内现有典型公路桥梁上行驶车辆荷载的分类情况以及出现频率较高的品牌车辆基本参数和一些技术指标。为了与国际通行标准接轨，依据国际标准ISO 3833，2001年我国重新制定了汽车分类的新标准《汽车和挂车类型的术语和定义》(GB/3730.1-2001) 将汽车分为乘用车和商用车两大类。通过在山西、福建、南京、广东、湖北、河南、辽宁、重庆等地的高速公路（桥梁）收费站的车辆荷载调查。得知在我国高速公路上出现频率较高的品牌车辆大致有东风、江淮、解放、五十铃、长安、福田、江铃、金杯、奔驰、跃进、斯太尔、欧曼重卡、奥龙等品牌。每个品牌均有众多车型，经分类整理，主要轴型参数见于表1。

     
    2  全国交通荷载调查

    考虑到国土面积较大，车辆种类繁杂，如果在各省展开交通荷载调查，将导致调查工作量过大且无必要。本次调查分别在我国的东北、西北、东南、西南、华南、中原等地区选取了8个典型高速公路和桥梁收费站进行现场交通荷载调查，调查结果具有较强的代表性，完全可以应用于公路行业各类标准规范的荷载研究。

    由于研究目的不同，与一般交通部门的调查内容有所不同的是除了在一定时间段内记录各类车辆的交通量外，还涉及车辆荷重方面的参数，包括轴距、轮距、轮间隙、轴重、轮重、总重、货车比例、方向系数、车道系数、轮距横向分布系数、平均行驶速度、年增长率。

    自全国实行公路计重收费以后，各省收费站均配置了各种型号的轴重仪，所以在本次车辆荷载调查中，轴重均为实测值；轴型和轴型组合均按国家标准规定记录。轴数、轴距和轮距一部分采用现场直接测量的方法，在此调查数据的基础上，分析研究调查数据并分类整理，为简化工作内容，提高工作效率，另一部分则采用现场人工观测记录，查阅车辆技术手册的方法调查，并按同类车辆的轴型和轴重，与第一部分调查结果比较并修正得出数据，具体操作步骤如下：

    1) 正式调查之前，在现场作初步的观察，了解将出现的车辆类型。根据观察结果和参考一些车辆技术手册中的图片及数据，将出现频率较高的车辆分类记录并查阅相关参数，作为正式调查时分类统计的数据。

    2) 选取国内典型高速公路和桥梁收费站（安装有轴重仪的）进行车辆荷载调查。正式调查时，由一些具备道路交通专业知识、技能和实践经验的人员，进行24小时连续现场观测。记录每辆车辆的品牌，并由各收费站信息中心调出每辆车的轴型和轴重，形成调查表格。

    3) 调查完成之后，按照轴型和轴数分类后，按每辆车出现的频率，采用加权平均的方法计算轴距和轴重，由此推导出各地区典型车辆荷载谱。

    [page]2.1 调查区域特点

    由于中国国土面积较大，如果在每个省份展开交通荷载调查，会导致调查工作量过大且无必要。本次选取8个典型地区进行现场交通荷载调查，其调查范围覆盖我国东北、华北、西北、西南、东南、华中以及中原地区，与全国的交通荷载的实际情况虽有所出入，但具有较强的代表性，完全可以应用于公路荷载标准研究。本次交通车辆荷载调查所选地区，具有以下几个特点。

    1) 山西运煤车辆较多，就轴重而言可算全国车辆荷载的上限，具有较大特点。

    2) 南京车辆轻，就轴重而言可算全国车辆荷载的下限，但流量较大，循环次数多，对结构影响较大。

    3) 武汉地区为九省通渠，交通流量较大，车辆形式种类繁多，轴重一般，但循环次数多，对结构影响较大。

    4) 河南为我国中原地区，轴重和流量均属于中位，具有一定的全国代表性。

    5) 大连、青岛、厦门为沿海地区，集装箱车较多，轴重较重，但流量不是太大，也具有沿海地区车辆的代表性，值得研究。

    6) 广州、江门、深圳等珠三角城市车辆荷载代表着我国工业经济较发达地区车辆荷载的特性，对分析我国现行车辆荷载的全面性具有一定的现时意义。

    7) 重庆地处西南高原山区（三峡库区），其车辆荷载具有一定的特点，在西南片区具有较强的代表性，应纳入本次车俩荷载调查范围。

    2.2 国家车辆标准

    车辆荷载调查数据繁多，在此不再一一罗列。由于各省之间情况各异，经济增长点各不相同，车辆荷载出入较大。国内有众多的汽车生产厂家，每个厂家均有很多不同类别的车辆，每一类别的车辆又有不同的车型，每一个车型有不同的轴组数，每一个轴组数也有不同类型的轴型组合（轴重和轴距均不相同），再加上不同类型的各种改装车辆，我国车辆类型不计其数。随着我国经济的高速发展，预计日后仍有更多类型车辆将出现在我国的高速公路和桥梁上。

    据《公路法》以及国家有关法规规定，在公路上行驶的车辆轴载质量应当符合公路工程技术标准、《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》（国家强制标准GB1589-2004）及交通部《印发关于收费公路试行计重收费指导意见的通知》（交公路发[2005]492号）的要求。在实行计重收费的公路上行驶的载货类汽车如超过认定标准，则被视为已超过公路的承载能力。当车辆各轴对应的轴重认定标准之和与该车对应的车货总重认定标准不一致时，以二者之间的较小值者作为该车对应的公路承载能力认定标准^{［10～11］}。
            
    2.3 调查车辆情况分析

    虽然我国对汽车生产厂家做了一些详细的条文规定，轴重和轴距离散性较大，给本次车辆荷载分析统计工作带来一定的难度。但各省内车辆还是有一定特点的，省内车辆荷载统计数据完全可以收敛。

    根据车辆荷载调查的情况，首先整理出各省的车辆荷载表，再根据此表按轴组数分类，做数据简化处理，取现场出现率较高的车型作为该类别车辆的代表车型（具有平均意义）。具体计算时可抛弃一些离散性较大的数据，对各省车辆荷载进行分类归纳、统计、分析、推导出各省的典型车辆荷载。

    3  典型车辆荷载谱推导

    首先根据各省调查的车辆荷载数据，按轴型和轴组数分类统计，制定出各省车辆荷载调查统计表格；合并相近车型，并将轴重和轴距等基本参数凑成较为整齐的数值，采用数理统计的方法，提取典型车型的基本参数；然后轴重按照等效疲劳损伤原理，求出每种模型车辆中各个轴的等效轴重，各个等效轴重之和即为模型车辆的等效总重，轴距按照同一类中每种车辆出现的相对频率作为权数，按轴距的加权平均值求出该类模型车辆的各个轴距。最终得出各省的典型车辆荷载频值谱。

    3.1 轴重及轴距的数学期望值    

    通过筛选，找出常见轴型进行分类，求取各轴型车辆轴重及轴距的数学期望值。

    3.2 典型车辆推导

    按照上述数据统计分析方法，基于车辆荷载调查的基础资料，便可以分别统计、推导出各省典型车式样荷载频值谱。推导过程较为繁琐，各省典型车辆较多，在此不再一一罗列，下面仅列出山西典型车辆荷载形式。

    山西省高速公路车辆荷载特点是，货车较多、客车较少、轴重较大，以重载货车（6轴）车居多，约占50%左右。轴型统计共有11，12，112，15，122，115，125，1211，155，129，159，1129合计12种，其中，122和1211车流量分别仅为5辆和2辆，忽略不计。针对另外10种轴型分别统计分析，得出相应的轴重、轴距及频值见表4～6，表中轴重数据单位为KN，轴距数据单位为m。

轴型	轴数	轴重1	轴重2	轴重3	轴重4	轴重5	轴重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
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