扩建桥梁车辆荷载特性及多车道荷载模型研究

基于茂湛高速公路等4个典型路段车辆数据,研究了广东省高速公路改扩建桥梁车辆荷载特性及多车道荷载模型。利用典型路段计重收费数据,研究其交通分布规律、车辆荷载分布特性;基于佛开高速公路实测动态称重数据,根据其交通流分布规律模拟了多车道随机车流;建立了广东省高速公路改扩建桥梁多车道荷载效应计算模型。研究表明:广东省典型高速公路车辆荷载具有明显时变特性且各车型占比不同,外侧车道货车流量显著大于内侧车道;提出了广东省改扩建中小跨径桥梁(l50m)多车道荷载模型的统一形式:基于影响线同号区域加载"均布线荷载q_k=13.0kN/m+集中荷载P_k=360kN"的荷载形式,且多车道横向折减系数宜取为1.00(单车道)、0.87(双车道)、0.80(三车道)、0.75(四车道)。     

基于WIM的随机车流建模和简支梁桥荷载效应研究

为研究实际车辆运营状态下的行车参数特征及车辆荷载作用效应,基于宜泸高速南溪长江大桥路段的动态称重系统(WIM)实测数据,建立了符合宜泸高速行车车速、车距和轴重参数的概率模型,依据MATLAB软件编制随机车流模拟程序,对6种跨径(6,8,10,20,30,40m)的简支梁进行随机车流加载,得到随机车流作用下简支梁桥设计基准期内的荷载效应极值概率分布,并与我国公路Ⅰ级、英国BS 5400和美国AASHTO设计荷载规范对比。结果表明:车流量和车速大小随驾驶人员作息时间呈规律性变化;纵向车距服从威布尔分布,各车道车辆分布不均衡;车辆轴重服从高斯混合多峰分布;随机车流作用下简支梁桥的实际荷载效应平均值为设计荷载效应平均值的0.82倍,满足设计要求。     

随机车流-桥梁系统耦合振动精细化分析与动态可视化

针对目前公路车-桥耦合分析系统功能的不足,建立了随机车流-桥梁耦合振动精细化分析框架,该分析框架尽可能考虑了桥梁上通行车辆荷载的随机特性。采用交通信息采集系统和动态称重设备对交通荷载数据进行系统全面的观测,记录每辆经过观测断面车辆的到达时间、横向行驶位置、车速、车型和质量,在此基础上形成可以重现真实交通场景的随机车流;针对单主梁和梁格法桥梁分析模型,开发一个包含典型车型库,可以考虑桥面空间路面粗糙度,具有单向及双向多车道设置功能,车型、车辆悬挂系统、车辆质量、横向行驶位置、车速、障碍物位置和尺寸等参数随机功能的分析系统,并基于OpenGL技术着重开发了随机车流过桥动态可视化功能;最后,分别以1个单主梁和多主梁桥梁为工程实例,采用典型路段观测到的实际交通荷载研究了随机车流荷载对桥梁结构的影响。结果表明:所建立的随机车流-桥梁耦合振动分析系统具有明显的优越性。     

刹车状况下桥上随机车流动态演化及车-桥耦合振动分析

为实现刹车时桥上多状态车流并行动态演化的高真实度模拟和时变汽车荷载与桥梁运动状态的时时耦合，首先从宏观和微观上丰富随机车流模拟方法，宏观上沿用交通荷载调查数据中的车辆顺序、车辆基本特性等不变量，以车辆间距为服从正态分布的限幅随机变量，形成深度融合交通荷载调查数据和交通流理论的随机车流高真实度仿真方法；微观上对车辆间距随机变量确定的关键状态-阻塞状态，引入加权速度，实现阻塞密度时车流的走走停停动态描述，采用考虑驾驶人状态的概率分布方法确定车辆时距；实现多密度随机车流的高真实度仿真。其次细化刹车过程模拟，建立车流差异化刹车模型：采用顺次对比方法，筛选桥长范围最不利刹车车流；引入停车视距，考虑驾驶人反应，区分头车和跟驰车辆，精细模拟车辆刹车动态过程和刹车车流演化过程，差异化确定各车辆刹车参数；实现桥上多状态车流并行动态演化模拟。第三建立刹车力学模型，并融入至已有正常车流的车-桥耦合系统，构建可考虑刹车状态的分析系统。最后确定桥梁典型响应和分析指标，以一座大跨斜拉桥为例，对多刹车工况下的桥梁响应进行分析。结果表明：桥上刹车状况一般会产生超过正常行驶状况下的桥梁响应，最不利单车道刹车状况下的塔根弯矩甚至达到跑车工况的2.7倍，简单采用规范冲击系数方法很难实现刹车响应的包络；刹车过程中的桥梁响应最值不仅与采取刹车的车辆数目和桥上车辆保有量有关，还受刹车作用与桥梁原响应趋势的顺逆程度控制；桥梁及桥上刹停车辆的总质量和桥上正常行驶的车辆决定桥梁响应时程曲线趋势振幅；典型桥梁响应的总体趋势，与车流密度和刹车车道数相关性较小，不同时段车流会对梁端顺桥向位移和塔根弯矩产生影响。     

公路桥梁随机车流的平稳性和各态历经性检验

根据6条公路桥梁28条车道上的WIM系统实测车辆信息,分别生成了各车道上的随机车流类型过程.用随机过程理论分别计算得到各随机车流类型过程的集合均值、集合相关函数、时间均值、时间相关函数等随机特性参数.进一步对比分析,验证了所建立的随机车流类型过程的平稳性和各态历经性.结果表明:从实际公路上调查一定数量的车辆,其统计特性能够代表总体样本的车流信息,对车辆各种特征的统计结果具有代表性,可为公路桥梁随机车辆荷载模型的建立提供参考.     

重载交通下公路桥梁荷载效应

车辆重载作用是影响桥梁安全的最主要因素之一,因超载导致的桥梁垮塌事件屡屡发生。为研究重载交通路段实际通行状态下既有桥梁的荷载效应,利用WIM系统采集了天津海滨高速桥梁的7天车辆数据,建立了车辆荷载模型和车辆荷载效应模型,分析了实际车流下车辆荷载标准值和车辆荷载效应标准值,并与按公路I级荷载的计算结果进行了对比。研究结果表明,该路段的车辆分布总体服从多个正态分布的加权和;基准期最大值分布服从极值I型分布,可选用98吨的五轴车作为标准荷载;车辆荷载效应服从多个正态分布的加权和,荷载效应标准值可取公路I级计算结果的1.8倍。     

实测车辆荷载作用下桥梁位移响应及其相关性分析

为研究实测车辆荷载作用下桥梁的位移响应,以安庆长江公路大桥为工程背景,基于参数修正方法建立有限元模型,计算得到跨中位移影响线;基于动态称重系统(WIM)及拍照系统提取车流数据,将实际车流信息施加于位移影响线,分析实测车辆荷载下桥梁跨中位移的反演值,并与GPS系统监测得到的位移值进行对比。结果表明:基于车辆荷载反演桥梁位移响应的方法能较为准确地反演出车辆过桥时主跨跨中位移值的变化情况,车辆荷载作用下桥梁跨中位移存在时滞效应,选取120s用于修正安庆长江公路大桥GPS监测值和反演值时程曲线,消除时滞效应后两者吻合较好;车辆荷载不仅引起桥梁下挠,同时造成位移响应振荡效应,且荷载越大振荡效应越明显;单车辆荷载作用下GPS监测值与反演值两者相差小于10%,多车辆荷载作用下两者相差较大。该方法可为桥梁健康监测以及GPS监测值校验提供参考。     

美国超重车特性统计及作用效应计算研究

超载现象的普遍存在给桥梁结构带来了极大的安全隐患。为获取重型交通荷载特性以及重车过桥全过程造成的荷载效应,收集了美国加州3座桥梁WIM数据,根据美国联邦政府规定对超重车辆进行分类,统计分析车辆类型及荷载构成特点。基于随机过程理论提出了多车道车辆并行荷载效应计算模型,计算其中第Ⅱ类超重车产生的叠加荷载效应,并与中美现行桥梁设计规范值进行对比。研究结果表明:第Ⅱ类超重车引起的荷载效应较规范值大1.5~2.0倍,且跨长越长,重车并行叠加荷载效应越突出。     

登高平台消防车(101 m型)安全通过既有桥梁的研究

特殊车辆通过桥涵前需要进行桥梁安全性评估,依托重庆市采购的101 m型登高平台消防车,该车辆载重63 t,在明确车辆特性的基础上,研究了该消防车作用下主跨5~50 m范围内的简支梁梁桥、两跨连续梁桥和三跨连续梁桥控制断面内力响应,同时分析了该车辆对桥面板局部作用行为。研究表明消防车作用下单车道荷载效应显著大于规范值,最大达1.5倍;而两车道荷载效应约为规范计算值的0.8倍以下。说明该车辆应该严禁在单车道桥梁上运行,可根据桥梁特点选择在两车道或多车道桥梁上行走。     

基于健康监测的大跨径桥梁车辆荷载效应分析

健康监测系统记录了大跨径桥梁在各类荷载作用下的响应特性,可以用于桥梁运营荷载的评定及结构性能评估。本文依托某斜拉桥健康监测位移数据,首先基于动力测试结果对桥梁有限元模型进行了修正,获得了规范车辆荷载作用下的位移响应,这是桥梁性能评估的基础参考;其次分别采用移动平均法和平滑窗口法分析了车辆荷载作用下的位移响应分量;最后,基于车辆荷载效应通过构建极值模型外推了不同评估周期内位移响应极值。研究表明该桥梁在超过10年评估周期就会出现外推位移极值超过规范计算水平,存在一定的风险,届时需要加强过桥车辆管理及桥梁状态监测。     

基于WIM的广东省公路桥梁车辆荷载模型研究

为研究适合于广东省实际的公路桥梁车辆荷载模型,选取该省5条具有代表性的高速公路,基于动态称重(WIM)系统实测的交通轴载数据,参照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTJ 023-85)的方法,拟定符合广东省实际交通状况的车辆荷载参数,获得相应车辆荷载模型,并采用推荐车辆荷载模型与规范荷载模型对不同结构形式的桥梁活载效应进行对比分析.分析结果表明,按照规范原则得到的广东省实测车辆荷载总重和轴重均大于规范给定值;各种结构桥梁在推荐的车辆荷载模型作用下的活荷载效应均为规范计算值的1.4倍左右,桥梁跨径越小,活载所占设计荷载的比例越大,规范对活载效应的低估越明显.     

从京藏高速公路货车大拥堵看我国公路桥梁结构的整体安全

针对目前京藏高速公路日趋严重的拥堵现象,从公路桥梁结构的安全出发,分析了现行规范中汽车荷载效应的计算,为了解货车拥堵对公路桥梁结构安全的影响,将现行规范中的车辆荷载组成一个纵横向车队模拟实际拥堵货车车队,置于结构之上计算其产生的效应,并将该效应与规范计算的汽车荷载效应进行了比较。结果表明,中等跨径桥梁的拥堵货车车队产生的实际效应超过了按规范规定计算的汽车荷载效应,多车道桥梁因规范规定的横向折减较多,满布重载车队产生的效应超出更多,并针对这一问题提出了相关建议。     

基于实测车流的中小跨径桥梁车载动力效应极值研究

为评估现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平,提出了车辆荷载冲击作用下桥梁效应极值外推方法。基于高速公路车辆动态称重数据,研究了简支T梁桥的车载动力效应极值,校验并评估了现有车辆荷载作用下中小跨桥梁的安全水平。研究结果表明:基于实测数据的随机车流模型融入了车辆的概率信息,为桥梁车载动力效应极值的概率外推提供了有利条件;欧洲与英国规范的设计车辆荷载效应的重现期远大于美国和中国设计规范;随着桥梁跨度的增加,欧洲与美国荷载模型的重现期随着桥梁跨度的增加而减小,英国荷载模型随桥梁跨度的增加呈先增加后减小的趋势,中国荷载模型的重现期随桥梁跨度增加而增加。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

中英规范汽车荷载效应与桥梁跨径的比较分析

以非洲加纳共和国索芙兰立交枢纽工程为计算实例,对比分析了中国桥梁规范和英国桥梁规范中汽车荷载标准值效应与跨径的关系。研究发现,中英汽车荷载效应不同跨径对应的差别变化较大;英国规范HB荷载比我国车辆荷载取值灵活且大于我国车辆荷载;英国规范中当HA荷载与HB荷载进行组合加载时,总的荷载效应远大于我国车道荷载效应。     

考虑车道荷载差异的多车道桥梁横向折减系数

为考虑车道荷载差异对多车道桥梁横向折减系数的影响，提出横向折减系数的多系数表达模式，并改进基于独立重复试验的相遇车道荷载方法以进行系数校核。首先，引入反映车道荷载差异性的车道修正系数和体现多车道荷载相遇概率的车道组合系数，形成横向折减系数的多系数表达模式。其次，改进目前常用的基于独立重复试验的相遇车道荷载方法，将车道交通流量及荷载分布的差异性涵盖进来。随后，参数化研究横向折减系数的关键影响参量，包括货车通过控制断面的平均时间、荷载重现期、车道交通量和车道荷载分布等。最后，基于某高速公路实测动态称重数据，给出采用该方法校核横向折减系数的详细过程，并与传统方法及JTG D60-2015规范方法所得结果进行对比。研究表明：所提出的改进相遇车道荷载方法，摈弃了传统方法中车重正态分布、车道荷载同分布、最大观测车重与均值3.5倍偏差关系等备受质疑的假设，是更一般性的解答。参数化分析表明：货车通过控制断面的平均时间和荷载重现期对结果影响很小，货车荷载模型及其在车道间差异性则影响很显著，说明对车道荷载分布规律进行准确建模的重要性。实测车道货车荷载数据统计发现：货车的交通量和荷载分布在车道之间具有明显的差异，传统方法和规范方法给出的横向折减系数均高估了实际情况，最大达19%，可能造成设计与管养资源的浪费；而基于该方法校核的横向折减系数，更能深入揭示各车道荷载的贡献规律，准确反映不同车道组合作用下的荷载横向折减规律，具有显著的工程应用价值。     

车流作用下车辆与桥梁耦合动态响应分析

采用微观交通流模型中的跟驰模型来模拟车流行驶过程中各车辆的速度以及它们之间距离的变化，建立了车流作用下简支梁的车桥耦舍振动方程，分析了桥梁在车流作用下的动态响应，为研究车流作用下桥梁结构动态响应提供基础性成果。     

重载交通路段桥梁荷载效应的分析与研究

利用山西省多条重载交通道路实际交通状况现场调查结果,分析确定其车辆荷载分布的类型和统计参数。并以此为依据,采用蒙特卡洛方法模拟实际车辆荷载流,对不同跨径、不同结构形式的桥梁计算其荷载效应,确定出任意时点的荷载效应分布函数。从而得出设计基准期内车辆荷载效应的分布类型及统计参数,并与现行规范进行对比分析,总结出重载交通条件下车辆荷载标准。     

高速公路中小跨径桥梁汽车荷载适应性研究

基于某高速公路收费站汽车荷载数据,采用概率统计方法建立汽车总重概率模型,进而计算中小跨径桥梁汽车荷载效应,并与现行公路—Ⅰ级车道荷载效应对比,分析了公路—Ⅰ级车道荷载与实际高速公路汽车荷载的适应性。分析表明,高速公路实际通行汽车荷载与现行规范规定的公路-I级车道荷载适应性较好,可采用公路-Ⅰ级车道荷载对所研究高速公路中小跨径桥梁进行改扩建设计。     

多车道高速公路不同车道运行速度的特点

为研究不同车型在不同车道的运行速度差异,讨论不同设计速度下各车道的运行速度分布特点和规律,并提出不同车道运行速度推荐值,以应用于其他相关几何指标选取和验算。通过调查我国多车道高速公路的交通管理方式,基于包茂高速、西安绕城高速和连霍高速公路的实测不同车道车辆运行速度调查数据,绘制了每条车道的运行速度分布图、正态分布曲线和累计分布曲线,分析得到了多车道高速公路不同车道的运行速度特点和分布规律,并提出了不同设计速度下各车道的运行速度推荐值。结果表明:高速公路第1车道的运行速度大于等于设计速度,剩余车道的运行速度大于等于该车道的限制速度,但低于设计速度,说明车道限速偏低;运行速度由内侧车道向外侧车道呈递减趋势,内侧小客车专用车道运行最高,外侧车辆混行车道运行速度最低;按车型进行车道管理是一种有效的控制措施,对保证内侧小客车运行速度具有积极作用,但外侧车道车辆混行对行驶速度稳定存在负面影响,车辆行驶速度并不稳定;多车道高速公路不同车道的运行速度差异较大,计算道路几何指标时车辆速度直接采用设计速度的85%并不合适,应针对相应的多车道高速公路实际运行状况展开调查,以得到合适的运行速度取值;针对调查路段,统计得到了3车道和4车道高速公路不同车道运行速度推荐值,为其他指标的计算提供依据。