张作胜

(湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 410015)

公路桥梁工程是交通的枢纽工程，在我国的交通运输事业中占据着重要的地位［1，2］。在投入使用后，要承受各类型的车辆荷载作用，车辆荷载也是影响结构安全性的关键因素，从经济与安全的角度，考虑适当的荷载作用时非常有必要的［3］。随着我国经济的持续发展，运输业规模持续增大，部分运输行业的经营者为追求最大化的经济效益，超载现象越加严重，有的甚至超载数倍以上。现行的公路桥梁设计荷载规定的适用性问题，成为了社会各界关注的重点问题［4］。建成的公路桥梁是按照规范荷载进行设计的，为研究现行荷载标准的适用性，对当前路桥的车辆荷载进行实际观测与统计分析。

实际测量得到华南地区某大桥的车流荷载数据，基于可靠度理论［5］，分析得到车流荷载的概率统计的荷载作用标准值，与规范规定荷载标准值进行比较，探讨规范规定的适用性;同时以河南省根据地方特点制定的地方标准与部颁标准的比较，探讨现用规范关于荷载效应规定的适用性。这可以为将来实际路桥工程的荷载取值提供有用的参考价值。

1 基于概率统计法的荷载效应分析

1.1 车流量统计结果数据分析

记录统计某大桥的几个路段的7 d 车流量，车辆型号可分为大小客车与2～6 轴货车7 种类型，得到在7 d 记录时间内，各个车型占车流量的比例，如图1所示。

图1 各车型的占车流量比例

1.2 车重量统计分析

车辆重量是进行桥梁设计的重要作用荷载，进行车重量荷载统计分析非常有必要。本文基于采集的数据进行车重量荷载分析，利用动态模拟数据来模拟车辆荷载，作为预测的作用于桥梁上的车辆荷载形式，具有足够的可信度。一般的大批量数据一般会服从正态分布，本文首先从正态分布函数出发，来模拟车重量荷载分布。

去除深港大桥行车荷载中的异常数据，最后得到了62 565 个有效的小客车荷载数据，利用正态分布函数进行拟合，拟合公式如下，拟合数据图形如图2所示。

式中，a1=0.059 64，b1=12.37，c1=5.490，a2=0.018 75，b2=22.37，c2=12.98。

小客车重量分布差异较大，利用蒙特卡洛方法模拟求得与式(1)较相符的随机车辆荷载数据，小客车车重频率分布如图2a，小客车车重频率模拟结果如图2b，观察图2，小客车随机车重模拟与实测结果相近，模拟效果好。

图2 小客车车重频率实测拟合和模拟分布

同理，可以得到余下6 种车型的实测车重频率拟合图形与随机车重频率模拟分布图形，如图3至图8所示。

图3 大客车车重频率实测拟合和模拟分布

采集的数据样本数量足够多，得到的拟合曲线基本符合正态分布形式，说明预先采用正态模拟函数的正确性。客流交通统计预测，可以作为短时荷载或长时荷载作用的参考依据。

图4 2轴车重频率实测拟合和模拟分布

图5 3轴车重频率实测拟合和模拟分布

图6 4轴车重频率实测拟合和模拟分布

图7 5轴车重频率实测拟合和模拟分布

1.3 车辆间距统计分析

测得车辆的间距，并进行统计分析，对于中小跨桥梁，较大的车间距对其最佳荷载效果的影响可以忽略，对测得的车间距离数据筛选后，以100 m 车间距离为基本原则，去除间距大于100 的测得数据，得到剩下的有效数据数量为19 508。参考已有的论文资料，本文拟采用高斯分布进行数据拟合分析，拟合公式如式(2)，得到的实测数据拟合结果与模拟间距频率分布的结果如图9所示。

图8 6轴车重频率实测拟合和模拟分布

图9 车间距频率实测拟合和模拟分布

式中，a1=1.776 e+010，b1= －169，c1=33.56，a2=0.011 98，b2=45.03，c2=55.06。

根据蒙特卡洛法与式(2)，输入有效数据19 508 个，得到车间距频率模拟分布图形，如图9b。根据结果可知采用的高斯分布函数进行数据拟合车间距模拟分布结果可信。

1.4 荷载效应统计分析

本文选择简支梁作为桥梁样本，以控制截面的弯矩与剪力作为评价指标。简支梁取3 种跨度，即6、20、50 m，计算得到在不同跨度下的荷载效应，得到弯矩与剪力效应频率如图10～图12。

图10 6m跨度的弯矩和剪力频率分布

图11 20m跨度的弯矩和剪力频率分布

图12 50m跨度的弯矩和剪力频率分布

1.5 计算结果分析

从以上计算统计结果可以看出，控制截面的弯矩与支撑点的剪力具有双峰值点的特点。根据对车辆荷载效应的可靠度要求，对结构在一般与密集两种情况下的结果进行检验分析，分位值取0.95。根据实测数据，计算在两种情况下结构的荷载效应标准值。深港大桥的荷载效应计算结果如表1所示。

同理，可统计得到另外3 个路段的荷载效应，如表2所示。

表1 深港大桥的实测荷载效应标准值

表2 广深国道段、虎门段、G107 段的实测荷载效应标准值

根据以上的计算数据，将基于荷载效应求得的荷载标准值与规范规定的数值比较，弯矩与剪力比较结果分别如图13、图14所示。

图13 弯矩比较

图14 剪力比较

根据图13与图14，根据实测车辆得到的不同路段荷载效应与规范相比具有以下特点:

1)在以上4 个路段，随着跨度增大，荷载效应标准值的变化趋势是相似的。

2)通过荷载效应大小的比较，广深高速段的荷载效应值最大，是公路－I 级的3 倍。

3)根据深港大桥的车间距数据，计算得到的虎门与G107 的荷载标准值为公路－I 级的1.8 倍。

基于概率统计的计算，表明基于不同路段的车流统计分析，利用蒙特卡洛法制定的随机车流计算结构的荷载效应结果随着跨度增大其变化趋势基本相似;通过与部颁标准公路—Ⅰ级的计算结果比较，对规范的适用性进行了定性的评价，给出了基于实际车流量的车辆荷载作用标准值。

2 基于经验法的荷载效应分析

2.1 桥梁概况

为了对公路桥梁的荷载取值进行更加深入的研究，以便能正确地考虑公路桥梁的所处于的工作状态，统计作用于其上的荷载分布与车流量情况，在进行调研过程中发现，由于部分省份的特殊性，其在按照部颁标注执行的基础上，还结合当地的具体情况，因地制宜制定了地方标准。基于公路桥梁荷载取值与荷载鉴定的分析工作，这样的根据地方特点制定荷载标准值规定的方法，称为经验法。

河南是连接我国东西部、南北部的核心区域，京港与霍连高速公路交叉经过，同时也是铁路枢纽的货物集散中心，如经过河南省的车辆，一半以上是过境车辆，重型车占霍连高速上行驶的车量的30%以上。由于河南的车流量大，当地交通局在部颁标准的基础上，将公路桥梁设计时的车辆荷载标准值设定为公路—Ⅰ级规定的1.3 倍，提高公路桥梁的安全储备。

2.2 荷载标准方案拟定

河南的地方标准设定了汽车25 级、30 级、35级、超30 级共4 个车辆荷载等级。各级荷载的标准车辆总重对应为 250、300、350、300 kN，对应的重车总重为650、750、850 和 806 kN。为与规范中的公路—Ⅰ级的车道荷载计算方法一致，采用等效荷载的方法来将车辆荷载等效为车道荷载，如图15所示，在以上4 个等级下的车道荷载如表3所示。

2.3 桥梁荷载分析计算

为得到足够可靠的荷载数据，选择变跨度的10个单车道简支梁来计算，跨度从为5 m 开始以5 m为级差持续增大到50 m，以跨中弯矩与支撑点的剪力为计算指标。不一样的车道荷载作用在各级跨度简支梁上得到的跨中弯矩与支撑点剪力如表4、表5所示，变化趋势如图16与图17所示。

图15 车道荷载

表3 各级车辆荷载对应的车道荷载

表4 跨中弯矩计算结果 (kN·m)

表5 跨中剪力计算结果 kN

图16 各跨度下的弯矩变化趋势

图17 各跨度下的支撑点剪力变化趋势

观察图16与图17，在各个跨度下，按照河南地方标准计算得到的跨中弯矩与支撑点的剪力均大于部颁标准结果。汽车 25 级、30 级、35 级、超 30 级的跨中弯矩分别比部颁标准大 15%、20%、45%、30%。支撑点的剪力，也具有相同的增大趋势，汽车25 级、30 级、35 级、超 30 级分别比部颁标准结果大约 15%、20%～30%、50%～60%、30%。

3 总结

根据公路桥梁的汽车荷载特点，本文从概率统计的角度，对我国规范规定的公路桥梁汽车荷载的取值进行了比较分析，总的看来，规范的车辆荷载标准值设定偏低，跨度越小这种现象越明显。河南省根据自身区域特点，凭车流经验制定了地方标准，根据地方标准计算得到的不同车队荷载情况下，车辆荷载效应标准值会高于部颁标准的计算结果，结构安全储备系数更高。基于以上两种方法对部颁标准的适应性进行了评价，建议在以后的公路桥梁设计中，应根据实际桥梁跨度、车流或当地行车特点，来确定不同车辆荷载标准值作用。数据分析结果来源于大量的实际统计数据，模拟结果可信度高，可以作为预测短时车流荷载或长期荷载大小与作用的依据，该方法具有良好的可操作性。在全国公路桥梁可以设置观测点，监测公路桥梁的车辆荷载并进行统计分析，完善车辆荷载数据库，在为运营提供参考的同时，也可为规范的修改制定提供参考价值。

［1］周勇军，孙 婧，梁玉照.公路桥梁设计荷载基本组合的分项系数值及其效应对比［J］.公路，2012(1):103 －107.

［2］冯 苠，赵君黎，李文杰，等.轻型高速公路桥梁车辆荷载研究［J］.公路，2011(6):67 －72.

［3］周勇军，梁玉照，贺拴海.公路桥梁汽车荷载标准值对比分析［J］.建筑科学与工程学报，2010，27(3):102 －108.

［4］孙吉书，杨春风，窦远明，等.基于交通调查的重载交通公路桥梁设计车辆荷载探讨［J］.河北工业大学学报，2009，38(1):91 －95.

［5］颜丹青，王建国.合肥市城市桥梁验算车辆荷载模型分析研究［J］.研究与探索，2009，23(4):452 －454.