河北高速公路桥梁标准疲劳载荷研究

康 博

(河北省高速公路青银管理处，河北 石家庄 050000)



河北高速公路桥梁标准疲劳载荷研究

康 博

(河北省高速公路青银管理处，河北 石家庄 050000)

随着国际对高速公路桥梁疲劳载荷问题的重视程度越来越高，以河北高速公路某桥梁结构为研究对象，采用了道路动态测试系统来对选取路段的车辆进行数据的采集和统计，之后，借助于动态数据对高速公路桥梁疲劳载荷进行了模拟分析，进而推导出了三轴车辆标准疲劳载荷模型以此作为6轴车辆的简化模型，最后通过与国外成熟模型的对比得出三轴车辆标注疲劳载荷模型适应于该地区，从而体现了该模型的使用价值。

公路桥梁；疲劳载荷；研究

1 高速公路车辆动态测重系统

通过动态测重系统对过往车辆信息的采集，在存储的数据中选取了5月份一周的数据作为分析和研究的基础数据。通过数据统计可以看出，一个周的时间内，该路段过往的车辆共计57 956辆，以车辆的周数为单位，对过往的车辆进行了分类统计，如表1所示。

表1 不同周数车辆的统计表

由表1中数据可以得知，河北保阜高速T型刚构桥通过的车辆以两轴车为主，占据总车辆的75.8%，另外，六轴车和四轴车次之，分别占据总车辆数目的10.08%和9.2%。在统计车辆数目的基础上，动态测重系统还对过往车辆的重量进行了统计和分类，以车辆的重量作为分类的标准，统计了车辆在每一个重量区间内的数量和比重。

通过表中数据可以看出，在200kN以下重量的车辆最多，占据总车辆数量的70.6%，之后各个标准区间内的车辆数目保持均衡，然而桥梁通过的车辆中超重车辆，即重量在500kN以上的车辆所占的比例达到了5.6%，这对道路桥梁的损坏时比较大的，因此，在研究道路桥梁标准疲劳载荷计算中，超重车辆的应该作为重要因素考虑在内。之后，对动态测重系统采集到的车辆轴距和轴重等数据进行了分类和统计，如表2所示。

通过标准数据可以看出，6轴车辆的总重要比其他车辆重，但是按照每一个轴的载荷量计算可以得知，每一个轴的载荷量要比其他车辆的轴载荷量要少，因此，以动态测重系统为依托，对该高速公路的桥梁通过车辆进行了全面、科学的数据采集，并在其基础上为桥梁标准疲劳载荷的研究带来重要依据。为后文高速道路桥梁疲劳载荷模型的建立和分析提供了关键性的保障。

表2 车辆的车轴重量分类统计 kN

2 高速公路桥梁疲劳载荷的模拟分析

在对高速公路桥梁疲劳计算中，考虑到疲劳损伤与道路的常幅应力有关，然而该应力的大小可以由道路的变幅应力演化而得出，由于道路的疲劳损伤累计量是线性函数变化的，因此，可以将复杂的道路疲劳损伤模型简化为应力循环模型，从而可以得出高速公路桥梁疲劳载荷的计算公式

(1)

式中：N和n分别表示每一个变应力幅对应的疲劳损坏的使用年限和实际过程中应变循环的次数。

因此，根据上述公式，将道路桥梁简化为一个简支梁，设定该简支梁的长度为40 m，将动态测重系统采集到的实际数据带入到该简化模型中，由于模型的简化，可以只将车辆重量超过30 kN的数据进行分析和计算。在该模型中，计算通过车辆的载荷对简支梁中间的弯矩，由于通过车辆的数量和大小是不定值，可以采用雨流法进行计算每一个通过车辆的中间弯矩，从而可以得到在不同弯矩的大小和各弯矩出现的次数，进而可以统计出最大弯矩等。除此之外，在对该道路桥梁模型进行计算分析中，还需要计算桥梁模型的等效弯矩。计算公式如下

(2)

式中：fi表示每一个车辆对桥梁弯矩Mt的频率。

另外，在深入研究车辆对道路桥梁疲劳载荷损伤的基础上，需要计算每一个车轴下道路疲劳伤害的大小。从而可以针对不同轴数汽车对道路损伤度的计算和研究，计算各轴汽车对道路疲劳伤害度的公式为

(3)

式中：Zi表示通过车辆中各不同轴数车辆下的应力振幅大小值，其中m为标准参数，经对疲劳细节规定的查阅，定该参数值为3。

通过上述模型的分析和公式的计算，将采集并统计好的车辆载荷数据代入公式，另外，根据动态测重系统采集的不同轴数车辆的轴距数据计算不同车轴的车辆对简化模型中间弯矩大小，得到不同轴数的车辆对道路桥梁模型疲劳损伤的大小值，的计算如表3所示。

表3 不同轴数车辆对道路桥梁模型的损伤值

由表3中数据可以看出，虽然2轴车辆占到道路车辆总数的75.8，但是其对高速公路桥梁载荷疲劳度的损伤值仅仅是5.8%，由此可见，2轴车辆对于道路桥梁损害的程度是很小的；从表中得到，对于道路桥梁损伤最大的是6轴车辆，它对高速公路桥梁疲劳的损伤度达到了53.2%，在全部车辆中，虽然6轴车辆仅仅占了10.08的比重，但是依旧对桥梁疲劳载荷的影响起到了破坏性的作用；从弯矩的累计概率数据中，发现3轴车辆、4轴车辆、5轴车辆以及6轴车辆的累计概率接近了100%，这表示了在两倍的等效弯矩值下，概率分布函数所对应的函数值基本上已经全部包含了该车轴数车辆对道路桥梁的弯矩值。

3 高速公路桥梁标准疲劳载荷车辆的推导

根据表3数据的分析得出了6轴车辆对于高速公路道路桥梁疲劳损坏的程度是最大的，因此，针对河北保阜高速T型刚构桥的标准疲劳载荷车辆的推导中，可以在6轴车辆的基础上进行演化，根据表2、表3中数据以及动态测重系统检测到的6轴车辆的轴距大小为基础数据，在6轴车辆轴距以及各轴所占的重量数据下，可以将6轴车辆简化成一个类似3轴车辆的模型，如图1所示，该3轴车辆的轴距以及轴载荷都参照了6轴的数据。

图1 三轴车辆疲劳标准模型

在该模型中，三轴车辆对于道路桥梁造成的疲劳损坏应该与实际通过的车辆造成的桥梁损伤是一样的，而实际车辆通过道路桥梁以后的数据可以通过动态测重系统获取，根据上述公式中等效应力的方法，计算出三轴车辆模型的重量，即

(4)

式中：fi为车辆重量Wi下的变化频率。

通过对河北保阜高速T型刚构桥动态测试系统数据的分析，并将测试的数据代入公式4中，从而得出三轴车辆模型的等效重量为330.2 kN，将车总的质量按照比例分配到每一个车轴上面，从而计算得到标准模型车辆下的每一车轴载荷，自后进行循环和参数的修正，最终核算出三轴车辆模型下的轴距数据，要求在该轴距下，模型车辆与实际检测车辆对公路桥梁疲劳损伤程度相仿。经过多次循环之后确立最终数据，即该模型中，第一轴的载荷量为33.02 kN，第二轴载荷量为115.57 kN，第三轴载荷量为181.61 kN，前两轴的轴距为3.3 m，后两轴的轴距为8.4 m。

4 结 论

(1)高速公路车辆动态测重系统在高速公路车辆参数的采集中起到了重要的作用，由数据的统计得知该高速公路桥梁疲劳损伤的主要原因是6轴车辆以及超重车辆的通过引发的。

(2)在载荷损伤的原始数据下，演化出了三轴车辆载荷疲劳模型以此作为6轴车辆的简化模型。经过多次的循环和最后的推导，得出三轴车辆的标准疲劳模型。

(3)最后将推导出的三轴车辆标准疲劳载荷模型与英国和美国的成熟模型进行了对比，发现文中推导的模型与实际道路载荷损坏程度一致，其他发达地区的模型并不适应于该地区，进而验证了三轴车辆标准疲劳载荷的实用性。

[1] 周泳涛.公路钢桥标准疲劳车辆荷载研究[C]．中国钢结构协会桥梁结构分会中国铁道学会桥梁工程委员会2010年学术论文集,2010: 31-37.

[2] 李明华.公路桥梁标准疲劳车辆荷载研究[J].科技与企业,2014,(20):80.

[3] 段海侠.对公路桥梁标准疲劳车辆荷载的研究[J].城市建设理论研究(电子版),2013,(8).

2016-04-11

康博(1987-)，男，河北石家庄人，助理工程师，从事河北省高速公路工程管理工作。

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