高速公路机车载荷谱分析

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1、高速公路机车载荷谱分析第一章绪论1.1研究背景与意义我国的高速公路建设起步于20世纪80年，较国外发达国家晚。自1988年10月上海至嘉定高速公路建成通车开始，我国的高速公路建设一直处于高速发展时期。近年来，随着交通事业的蓬勃发展，我国公路总里程和高等级公路比例显著提高，交通运输的中心由国道、省道向高速公路转变，同时也出现交通车流量的剧增、车辆行驶速度的提高、重载车辆的大量涌现以及车辆超载运输的普遍存在等现象。公路桥梁上车辆重载超载、结构自身老化、各种灾害、人为损伤和设计不当等原因，造成公路桥梁不断产生

2、各种结构安全隐患，给国家和人民造成了巨大经济损失。公路桥梁标准车辆载荷是设计公路桥梁的主要依据之一，直接关系到结构的安全性和经济性。然而由于目前高速公路交通载荷调查方面基本处于初始阶段，系统深入的调查研究较少。目前还没有大家普遍认可的高速公路车辆载荷谱以及编制车辆载荷谱的方法，所以对公路桥梁结构实际运营期间车辆载荷的调查研究，制定出符合实际通行能力的车辆载荷谱具有重要的科学意义和工程应用价值。由于车辆载荷的纵横向加载位置不固定，随机性较大，载荷重量值大小不一，对结构的疲劳损伤影响不同，使得公路桥梁结构在

3、车辆载荷作用下发生破坏的机理与其它载荷作用下的破坏机理不同，因而公路桥梁结构的设计也不同于其他结构的静力设计。公路桥梁疲劳设计所采用的载荷不应是按最不利情况采用强度设计时的标准荷载，而应是考虑正常使用状态下各种实际的车辆载荷。由于车辆载荷的反复作用，公路桥梁结构将发生疲劳损伤，甚至破坏。故结构服役期间的疲劳是日常各种车辆载荷反复作用的一个累积损伤的过程。车辆载荷随时间和空间（车道位置）而变化，具有时变与随机的特性，使得车辆载荷谱的研究以及公路桥梁结构的动态响应分析，既有公路桥梁剩余使用寿命预测和可靠性分

4、析等问题变得极其复杂。基于车辆载荷的特殊性，对公路桥梁结构的疲劳性能研究首先应着眼于疲劳载荷谱的研究。本论文拟在本课题组以往研究工作的基础上，分析车辆载荷的统计特性和概率分布模型，模拟实际车辆载荷谱并将其转换成实验谱，并将编制的随机载荷实验谱加载到钢筋混凝土梁做疲劳耐久性实验，为随机载荷作用下高速公路桥梁结构的疲劳性能研究、高速公路桥梁的抗疲劳设计、寿命预测、耐久性研究等奠定基础。1.2车辆载荷谱国内外研究现状国外在20世纪70年代就开始致力于公路桥梁荷载谱的研究，很多国家，结合本国国情，展开了一些研究

5、，并在各自的桥梁设计规范中给出了相应的疲劳设计车辆载荷谱。其中英国取得了重要的研究成果[1]，以英国BS5400第10篇给出的用于钢桥疲劳设计的车辆荷载谱最为全面。英国BS5400公路荷载频值谱分为3种类型给出：(1)典型车式样；(2)标准疲劳车式样；(3)轴重式样。其中，典型车式样由25种标准营业车组成，以30kN为营业车的最小轴重，规范规定了每种车的重量、轴距及每百万车辆中出现的频率；标准疲劳车式样由第1种典型车式样简化而来;轴重式样专供那些影响线特短的构件(如桥面板)使用的，共有22种轴重，规范规

6、定了每种轴重在百万车辆中出现的次数。美国公路桥梁设计规范AASHTO[2]的相应说明中指出疲劳及断裂极限状态是用累积应力范围循环来定义的，所以仅有荷载规范是不够的，荷载应与荷载出现的频率一起来规定。在AASHTO中规定，疲劳荷载是由设计卡车或与设计车道荷载一致的双轴车组成，设计卡车或双轴车的车轮接触面积是根据轴重的一半(即72.5kN或55kN)并乘以动力荷载容许值和施加于两车轮上的荷载系数确定的规定疲劳荷载的频率应取单车道日平均货车交通量。欧洲公路桥梁交通荷载规范[3]规定了公路桥梁交通中的四种荷载模

7、型：包括双轴集中荷载和均不荷载的载荷模型1，包括一个单轴荷载和动力放大的荷载模型2，考虑特殊车辆的模型3以及密集荷载模型4。目前各国仍在继续这方面的研究，并取得一定的研究成果[4-12]。GongkangFu根据部分超载现象严重的交通要到车流统计资料，建立了可用于评估包括超载情况下公路桥梁结构可靠性分析的活载模型。美国的Gindy对安装在美国新泽西州某桥梁上的移动称重系统()所得的数据进行处理分析，提出了预测设计基准期内最大车辆载荷和车辆载荷效应的新方法，并采用两种极值模型预侧不同重现期的载荷最大值。O

8、connor等通过交通荷载的统计数据的处理分析，研究了记录数据持续时间长短的意义，在预测方法中，极值对预测方法的敏感性以及随时间变化，交通车流量的发展情况，得出了有益于现有桥梁评估预测的一些结论。第二章高速公路车流量调查分析2.1引言公路桥梁的交通载荷，受时间、环境及地方经济形态等多种因素的影响，具有较强的随机性。由于我国的高速公路建设起步较晚，未能形成高速公路线形组合设计的理论核心和框架。随着汽车工业和交通运输行业的迅速发展，车辆荷载较以