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2023-09-17
桥梁车辆荷载模型及其应用
【摘要】：由于每个国家或地域的车辆荷载标准有所不同，公路桥梁的设计车辆荷载通常按照当地或国内的桥梁设计规范考虑。我国现行公路桥梁设计规范中的车辆荷载模型是根据20世纪90年代在山西等4个测点的6万多个机动车辆数据统计分析得出的［5］。动态称重系统的技术发展与推广应用大大促进了车辆荷载概率模型的发展。韩万水等［12］基于宣大高速公路WIM的车辆监测数据建立了重载车辆模型，分析了简支T梁的动力响应。
由于每个国家或地域的车辆荷载标准有所不同，公路桥梁的设计车辆荷载通常按照当地或国内的桥梁设计规范考虑。美国AASHTO的LRFD规范建议采用车道与货车组合、车道与双轴载组合中的较大效应值；欧洲Eurocode规范定义了3种荷载模型，其中常用的是具有修正系数的集中荷载和均布荷载叠加形式；英国BS5400规范将车辆荷载定义为刀形荷载与均布荷载叠加的形式；德国DIN1078规范定义主车道由标准车（总重600kN）和前后均布荷载（5kN／m2）组成，其他车道由均布荷载（3kN／m2）组成；我国JTG D60—2004桥梁规范［4］采用由均布力与集中力叠加而成的车道荷载，并考虑多车道和纵向的折减系数。设计规范中车辆模型的定义需要考虑当地的交通运输状态与国家经济发展水平，且与结构的目标可靠指标相关。我国现行公路桥梁设计规范中的车辆荷载模型是根据20世纪90年代在山西等4个测点的6万多个机动车辆数据统计分析得出的［5］。然而，20年后的我国经济与社会发展迅速，设计车辆模型与实际车流特征有一定的出入。此外，各国规范中的车辆模型无法直接体现出车辆荷载的概率和动力特征，无法直接应用桥梁的随机振动分析以及桥梁动力响应的概率建模。
除设计车辆荷载模型外，国内外学者针对不同的研究问题建立了大量的车辆荷载模型，主要有［6］：①基于随机过程、卷积和积分的纯理论模型；②模拟车辆荷载静力构造的几何模型；③模拟真实交通的车流模型。纯理论模型是采用Markov链等方法更新车辆在桥梁中的位置，并通过卷积等方法计算桥梁的荷载效应概率模型，仅适用于中小路径桥梁。车辆的几何模型的模拟起源于火车模型，考虑到车辆的几何构造与自由度，常用于车辆-桥梁耦合振动分析。随机车流模型除涵盖了上述两种车辆模型的特征之外，还可反映出真实车流量的概率统计特征。目前随机车流在大跨度桥梁的动力响应分析与车辆的动力冲击系数方面具有较广泛的应用。
动态称重系统（WIM）的技术发展与推广应用大大促进了车辆荷载概率模型的发展。Getachew［7］基于WIM数据建立了密集车流模型，该模型将WIM数据中的所有车辆间距修改为2m。Chen等［8］针对大跨度桥梁采用元胞自动机理论建立了随机车流模型，模拟了车辆的变更和堵车状态，并分析了模拟车流的概率统计特征。国内的学者如韩万水［9］、王达［10］和阮欣［11］等对基于WIM的随机车流模拟以及桥梁的动力响应分析做了大量的工作，模拟方法普遍是Monte Carlo抽样方法，桥梁的动力响应分析考虑到了车辆 桥梁的耦合振动效应。韩万水等［12］基于宣大高速公路WIM的车辆监测数据建立了重载车辆模型，分析了简支T梁的动力响应。目前鲜有基于WIM的密集重载随机车辆模型，以及在大跨度桥梁动力响应分析中的应用。
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