我國高速公路交通荷載標準研究

1、我國高速公路交通荷載標準研究作者：周永濤 鮑衛(wèi)剛 翟輝 劉延芳 來源：中國橋梁網(wǎng)文本摘要：為制定、補充、修改和完善我國公路行業(yè)現(xiàn)行的設(shè)計規(guī)范和標準；研究我國現(xiàn)行高速公路上行駛的交通荷載標準；本文從實際出發(fā)，根據(jù)我國現(xiàn)有高速公路交通荷載現(xiàn)狀，在全國范圍內(nèi)實地調(diào)查高速公路正在運營的各種車輛荷載，共采集了近7萬輛汽車的相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)車輛荷載的實態(tài)調(diào)查、統(tǒng)計和分析結(jié)果，采用數(shù)理統(tǒng)計和可靠度理論分析的方法。根據(jù)不同的研究目的，分別建立高速公路車輛荷載譜，為進行標準規(guī)范修編提供有力的數(shù)據(jù)支撐。關(guān) 鍵 詞：道路工程 荷載標準 高速公路車輛荷載 引言隨著我

2、國國民經(jīng)濟的快速增長，國內(nèi)汽車工業(yè)近年內(nèi)發(fā)展勢頭迅猛，車輛種類繁多，各類轎車、客車、貨車、牽引車、特種車、專用汽車、越野車，不計其數(shù)。使得我國公路設(shè)計行業(yè)的荷載標準相對滯后，各類公路設(shè)計規(guī)范中的荷載標準亟待更新。70年代，在進行了大量車輛荷載調(diào)查研究后，歐美、日本等國，制定出了公路橋梁疲勞設(shè)計荷載譜或疲勞車輛模型。我國鐵路行業(yè)在這兩方面都已開展了系列研究，取得了一定的成果，并實施有關(guān)規(guī)范的編制。然而，公路橋梁這方面的研究十分匱乏，至今沒有公路行業(yè)的橋梁疲勞設(shè)計規(guī)范，其中一個重要原因便是，沒有制定出適合我國國情的疲勞荷載譜。而要推導(dǎo)荷載譜必須基于全國大面積的交通荷載調(diào)查的基礎(chǔ)上才有可能進行。我國

3、現(xiàn)行的公路橋涵鋼結(jié)構(gòu)及木結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（JTJ025-86）頒布使用至今已達20余年之久。我國公路鋼橋規(guī)范有關(guān)疲勞部分與當前鋼橋大規(guī)模建設(shè)和發(fā)展并不相稱，不利于鋼橋安全可靠耐久地使用，亟待更新。汽車工業(yè)經(jīng)過五的發(fā)展后，無論是車型還是輪重、輪距、軸距均發(fā)生了較大變化。2004年底，交通部頒布實施的公路橋涵公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范JTG D602004，中的車輛荷載已顯得滯后，亟待更新。同樣公路水泥混凝土路面設(shè)計規(guī)范JTG D402003和公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范JTG 50102006，中的車輛荷載也有類似的問題，但更新的前提條件是，要有大量的現(xiàn)行交通荷載調(diào)查資料，否則難以實現(xiàn)。關(guān)于公路橋梁疲勞荷載譜的研

4、究工作，童樂為（1994、1997）、Miao 和Chan（2002）王春生（2003）、王榮輝（2004）、王碩（2007）等人，分別對上海、香港、廣州等地的交通荷載做過調(diào)查研究，得出了一些選取疲勞車有益的建議。但上述研究也是由于缺少全國范圍內(nèi)大量的交通荷載調(diào)查的資料，均具有一定的區(qū)域性和局限性，難以代表我國公路橋梁疲勞荷載標準。本文堅持理論研究與實際調(diào)研相結(jié)合，充分體現(xiàn)國情的實際情況；用實際調(diào)查數(shù)據(jù)說話，在實際調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)開展理論研究；有選擇地在全國高速公路和橋梁上，進行現(xiàn)有交通荷載調(diào)查和參數(shù)統(tǒng)計，然后運用均值和方差的數(shù)學(xué)統(tǒng)計方法對所收集數(shù)據(jù)進行分類整理、統(tǒng)計，按照各種車輛（軸重、軸距）

5、出現(xiàn)的頻遇值找出中國各地具有代表性的典型車輛。1中國車輛荷載形式公路荷載標準制定是否合理，是否適合我國國情，取決于所收集基礎(chǔ)資料的深度和廣度，例如公路車輛分類，各類車輛尺寸、質(zhì)量、輪胎及其變化范圍，車輛交通特性等數(shù)據(jù)，以及所收集數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法的正確性?？梢娛占囕v荷載資料的基礎(chǔ)工作尤為重要。同時考慮到公路車輛繁多、復(fù)雜，以及對公路、橋梁損失的影響程度，本次全國公路交通荷載調(diào)查重點是3噸以上的車輛。首先要了解國內(nèi)現(xiàn)有典型公路橋梁上行駛車輛荷載的分類情況以及出現(xiàn)頻率較高的品牌車輛基本參數(shù)和一些技術(shù)指標。為了與國際通行標準接軌，依據(jù)國際標準ISO 3833，2001年我國重新制定了汽車分類的新標準

6、汽車和掛車類型的術(shù)語和定義(GB/3730.1-2001) 將汽車分為乘用車和商用車兩大類。通過在山西、福建、南京、廣東、湖北、河南、遼寧、重慶等地的高速公路（橋梁）收費站的車輛荷載調(diào)查。得知在我國高速公路上出現(xiàn)頻率較高的品牌車輛大致有東風(fēng)、江淮、解放、五十鈴、長安、福田、江鈴、金杯、奔馳、躍進、斯太爾、歐曼重卡、奧龍等品牌。每個品牌均有眾多車型，經(jīng)分類整理，主要軸型參數(shù)見于表1。表1主要軸型參數(shù)2全國交通荷載調(diào)查考慮到國土面積較大，車輛種類繁雜，如果在各省展開交通荷載調(diào)查，將導(dǎo)致調(diào)查工作量過大且無必要。本次調(diào)查分別在我國的東北、西北、東南、西南、華南、中原等地區(qū)選取了8個典型高速公路和橋梁收

7、費站進行現(xiàn)場交通荷載調(diào)查，調(diào)查結(jié)果具有較強的代表性，完全可以應(yīng)用于公路行業(yè)各類標準規(guī)范的荷載研究。由于研究目的不同，與一般交通部門的調(diào)查內(nèi)容有所不同的是除了在一定時間段內(nèi)記錄各類車輛的交通量外，還涉及車輛荷重方面的參數(shù)，包括軸距、輪距、輪間隙、軸重、輪重、總重、貨車比例、方向系數(shù)、車道系數(shù)、輪距橫向分布系數(shù)、平均行駛速度、年增長率。自全國實行公路計重收費以后，各省收費站均配置了各種型號的軸重儀，所以在本次車輛荷載調(diào)查中，軸重均為實測值；軸型和軸型組合均按國家標準規(guī)定記錄。軸數(shù)、軸距和輪距一部分采用現(xiàn)場直接測量的方法，在此調(diào)查數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，分析研究調(diào)查數(shù)據(jù)并分類整理，為簡化工作內(nèi)容，提高工作效率

8、，另一部分則采用現(xiàn)場人工觀測記錄，查閱車輛技術(shù)手冊的方法調(diào)查，并按同類車輛的軸型和軸重，與第一部分調(diào)查結(jié)果比較并修正得出數(shù)據(jù)，具體操作步驟如下：1) 正式調(diào)查之前，在現(xiàn)場作初步的觀察，了解將出現(xiàn)的車輛類型。根據(jù)觀察結(jié)果和參考一些車輛技術(shù)手冊中的圖片及數(shù)據(jù)，將出現(xiàn)頻率較高的車輛分類記錄并查閱相關(guān)參數(shù)，作為正式調(diào)查時分類統(tǒng)計的數(shù)據(jù)。2) 選取國內(nèi)典型高速公路和橋梁收費站（安裝有軸重儀的）進行車輛荷載調(diào)查。正式調(diào)查時，由一些具備道路交通專業(yè)知識、技能和實踐經(jīng)驗的人員，進行24小時連續(xù)現(xiàn)場觀測。記錄每輛車輛的品牌，并由各收費站信息中心調(diào)出每輛車的軸型和軸重，形成調(diào)查表格。3) 調(diào)查完成之后，按照軸型和

9、軸數(shù)分類后，按每輛車出現(xiàn)的頻率，采用加權(quán)平均的方法計算軸距和軸重，由此推導(dǎo)出各地區(qū)典型車輛荷載譜。2.1 調(diào)查區(qū)域特點由于中國國土面積較大，如果在每個省份展開交通荷載調(diào)查，會導(dǎo)致調(diào)查工作量過大且無必要。本次選取8個典型地區(qū)進行現(xiàn)場交通荷載調(diào)查，其調(diào)查范圍覆蓋我國東北、華北、西北、西南、東南、華中以及中原地區(qū)，與全國的交通荷載的實際情況雖有所出入，但具有較強的代表性，完全可以應(yīng)用于公路荷載標準研究。本次交通車輛荷載調(diào)查所選地區(qū)，具有以下幾個特點。1) 山西運煤車輛較多，就軸重而言可算全國車輛荷載的上限，具有較大特點。2) 南京車輛輕，就軸重而言可算全國車輛荷載的下限，但流量較大，循環(huán)次數(shù)多，對結(jié)

10、構(gòu)影響較大。3) 武漢地區(qū)為九省通渠，交通流量較大，車輛形式種類繁多，軸重一般，但循環(huán)次數(shù)多，對結(jié)構(gòu)影響較大。4) 河南為我國中原地區(qū)，軸重和流量均屬于中位，具有一定的全國代表性。5) 大連、青島、廈門為沿海地區(qū)，集裝箱車較多，軸重較重，但流量不是太大，也具有沿海地區(qū)車輛的代表性，值得研究。6) 廣州、江門、深圳等珠三角城市車輛荷載代表著我國工業(yè)經(jīng)濟較發(fā)達地區(qū)車輛荷載的特性，對分析我國現(xiàn)行車輛荷載的全面性具有一定的現(xiàn)時意義。7) 重慶地處西南高原山區(qū)（三峽庫區(qū)），其車輛荷載具有一定的特點，在西南片區(qū)具有較強的代表性，應(yīng)納入本次車倆荷載調(diào)查范圍。2.2 國家車輛標準車輛荷載調(diào)查數(shù)據(jù)繁多，在此不再

11、一一羅列。由于各省之間情況各異，經(jīng)濟增長點各不相同，車輛荷載出入較大。國內(nèi)有眾多的汽車生產(chǎn)廠家，每個廠家均有很多不同類別的車輛，每一類別的車輛又有不同的車型，每一個車型有不同的軸組數(shù)，每一個軸組數(shù)也有不同類型的軸型組合（軸重和軸距均不相同），再加上不同類型的各種改裝車輛，我國車輛類型不計其數(shù)。隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，預(yù)計日后仍有更多類型車輛將出現(xiàn)在我國的高速公路和橋梁上。據(jù)公路法以及國家有關(guān)法規(guī)規(guī)定，在公路上行駛的車輛軸載質(zhì)量應(yīng)當符合公路工程技術(shù)標準、道路車輛外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值（國家強制標準GB1589-2004）及交通部印發(fā)關(guān)于收費公路試行計重收費指導(dǎo)意見的通知（交公路發(fā)2005492

12、號）的要求。在實行計重收費的公路上行駛的載貨類汽車如超過認定標準，則被視為已超過公路的承載能力。當車輛各軸對應(yīng)的軸重認定標準之和與該車對應(yīng)的車貨總重認定標準不一致時，以二者之間的較小值者作為該車對應(yīng)的公路承載能力認定標準1011。表2：基本軸型分類表3：常見軸型組合2.3 調(diào)查車輛情況分析雖然我國對汽車生產(chǎn)廠家做了一些詳細的條文規(guī)定，軸重和軸距離散性較大，給本次車輛荷載分析統(tǒng)計工作帶來一定的難度。但各省內(nèi)車輛還是有一定特點的，省內(nèi)車輛荷載統(tǒng)計數(shù)據(jù)完全可以收斂。根據(jù)車輛荷載調(diào)查的情況，首先整理出各省的車輛荷載表，再根據(jù)此表按軸組數(shù)分類，做數(shù)據(jù)簡化處理，取現(xiàn)場出現(xiàn)率較高的車型作為該類別車輛的代表車

13、型（具有平均意義）。具體計算時可拋棄一些離散性較大的數(shù)據(jù)，對各省車輛荷載進行分類歸納、統(tǒng)計、分析、推導(dǎo)出各省的典型車輛荷載。3 典型車輛荷載譜推導(dǎo)首先根據(jù)各省調(diào)查的車輛荷載數(shù)據(jù)，按軸型和軸組數(shù)分類統(tǒng)計，制定出各省車輛荷載調(diào)查統(tǒng)計表格；合并相近車型，并將軸重和軸距等基本參數(shù)湊成較為整齊的數(shù)值，采用數(shù)理統(tǒng)計的方法，提取典型車型的基本參數(shù)；然后軸重按照等效疲勞損傷原理，求出每種模型車輛中各個軸的等效軸重，各個等效軸重之和即為模型車輛的等效總重，軸距按照同一類中每種車輛出現(xiàn)的相對頻率作為權(quán)數(shù)，按軸距的加權(quán)平均值求出該類模型車輛的各個軸距。最終得出各省的典型車輛荷載頻值譜。3.1 軸重及軸距的數(shù)學(xué)期望值

14、通過篩選，找出常見軸型進行分類，求取各軸型車輛軸重及軸距的數(shù)學(xué)期望值。3.2 典型車輛推導(dǎo)按照上述數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析方法，基于車輛荷載調(diào)查的基礎(chǔ)資料，便可以分別統(tǒng)計、推導(dǎo)出各省典型車式樣荷載頻值譜。推導(dǎo)過程較為繁瑣，各省典型車輛較多，在此不再一一羅列，下面僅列出山西典型車輛荷載形式。山西省高速公路車輛荷載特點是，貨車較多、客車較少、軸重較大，以重載貨車（6軸）車居多，約占50%左右。軸型統(tǒng)計共有11，12，112，15，122，115，125，1211，155，129，159，1129合計12種，其中，122和1211車流量分別僅為5輛和2輛，忽略不計。針對另外10種軸型分別統(tǒng)計分析，得出相應(yīng)的軸重

15、、軸距及頻值見表46，表中軸重數(shù)據(jù)單位為KN，軸距數(shù)據(jù)單位為m。表4：車輛軸重統(tǒng)計表軸型軸數(shù)軸重1軸重2軸重3軸重4軸重5軸重61123050125014011235050160155011011011545555140140125401201201201555501001001301301295014010010010015965012012011011011011295050140110110110表5：車輛軸距統(tǒng)計表軸型軸數(shù)軸距1軸距2軸距3軸距4軸距51123.5124.511231.84.21561.411541.84.21.41253.57.11.4155531.47.21.412

16、93.56.51.41.4159631.471.41.411291.7371.41.4表6：車輛頻值統(tǒng)計表軸型車流量(輛)相對頻率(%)1180418.51247210.91121232.815400.91153027125250.6155320.712945010.4159139032.1112970016.1合計4338100 圖1：車輛車流分布直方圖根據(jù)上列各軸型車式樣, 進行同軸數(shù)車合并, 最終得出5種適合山西公路運輸現(xiàn)狀的典型車式樣見表7。表7：山西車輛荷載典型車樣式圖2：山西典型車輛交通量分布直方圖3.3 各省典型車輛特點由于各省典型車輛推到較為繁瑣，圖表較多，限于篇幅，本文不再一

17、一羅列，僅將結(jié)果推到結(jié)果示出。1) 河南車輛兩軸車多，約1/3多，6軸重車最少僅為7%，而4軸，5軸車流量也較大，約占1/4左右。車輛的顯著特點是車流量較大，車型較多, 中型貨車比例較大，可以較為全面的體現(xiàn)全國大部分地區(qū)的車流現(xiàn)狀。軸型統(tǒng)計共有11，12，112，15，122，115，124，125，129，155，159合計11種頻遇軸型。2) 福建車輛主要為輕型兩軸車，約占2/3多, 其余車型出現(xiàn)頻率很較低，但總重較大。車輛特點為客車占絕大多數(shù)，約75%左右，且貨車中總重低于3噸的車輛占27%左右。軸型統(tǒng)計共有12，15，113，115，125，129，159合計7種頻遇軸型。3) 湖北車

18、輛類型分布比較均勻，交通車流較大，車型總重差別不大，5軸車較多，約占1/3左右，6軸車少。其中出現(xiàn)頻遇值較高的共計11，12，112，122，125，129，155七種頻遇軸型。4) 重慶車輛荷載以2軸車居多，約70%左右, 3、4軸車交通量也較大，且其軸重也大。車輛軸型分布比較復(fù)雜，車輛主要軸型包括11，12，112，122，15，115，125，119，129，155，159，1129共12種。5) 遼寧車輛荷載6軸車比例最大，且其軸重較大，車輛主要軸型包括11，12，112，15，115，125，129，155，159，1129共10種。4 結(jié)論由于汽車工業(yè)的迅猛發(fā)展，近年來我國公路行業(yè)許多技術(shù)標準和規(guī)范，亟待更新，但由于缺少一手基礎(chǔ)調(diào)研資料，或是調(diào)查資料有限，而無法發(fā)展。本文是以2007年，交通部公路工程標準制修訂項目“公路橋梁疲勞設(shè)計荷載標準”為依托，第一次為一個基礎(chǔ)科研項目的開展，在全國范圍內(nèi)進行交通車輛荷載的實態(tài)調(diào)查，共采集或收集了近7萬輛汽車的相關(guān)動態(tài)數(shù)據(jù)，為本項目的研究提供了科學(xué)的依據(jù)，為制定符合中國特色的公路橋梁疲勞設(shè)計用的標準車輛荷載模型奠定了堅實的基礎(chǔ)。一次性采集或收集如此多的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)在國際上也是少有的。同時也為公路