基于WIM的典型城市桥梁车辆荷载状况分析.pdf

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第30卷第4期土木工程与管理学报VoI．30No．42013年12月JournalofCivilEngineeringandManagementDec．2013基于WIM的典型城市桥梁车辆荷载状况分析梁旭，陈斌，王健伟，谢旭，卢彭真。(1．杭州市市政设施监管中心，浙江杭州310003；2．浙江大学建筑工程学院，浙江杭州310058；3．浙江工业大学建筑工程学院，浙江杭州310003)摘要：基于安装在杭州石祥路留石高架上的动态称重系统(WIM)采集的交通流和车辆荷载数据，通过对交通流量、车辆构成、轴重、车辆总重等进行分析，获取了其概率统计特性及分布规律，建立了轴载谱和车辆总重谱，并与相关文献、规范进行了比较。结果表明：一天中各时段的交通流量具有很强的潮汐规律性；2．86％的车辆轴重超过了10t的超载标准，最大的单轴重量达39．5t，最大车辆总重达115t，后半夜车辆恶性超载严重；2轴车车辆总重表现为单峰分布，3轴以上车辆的总重均表现为多峰分布，5轴车和6轴车的总重表现为3峰分布；轴重大的车辆主要是超载的2轴、3轴车辆，这部分车辆对桥梁等基础设施的危害较大。这些车辆荷载特征的获取有助于区域既有桥梁安全性的合理评估，为超重车辆治理和桥梁安全管理提供帮助。关键词：WIM；桥梁；车辆荷载；轴重；车辆总重中图分类号：U411文献标识码：A文章编号：2095-0985(2013)04-0017-06StatisticalAnalysisofSite-specificTraficLoadUsingWeigh·-in·MotionDataLIANGXu，CHENBin一，WANGJian—wei，XIEXu，LUPeng—zhen。(1．HangzhouMunicipalFacilitiesSupervisionandAdministrationCenter，Hangzhou310003，China；2．SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ZhejiangUniversity，Hangzhou310058，China；3．SchoolofCivilEngineeringandArchitecture，ZhejiangUniversityofTechnology，Hangzhou310003，China)Abstract：Thispaperisconcernedwithstatisticalanalysisofthetrafficdataanddevelopsasite·specifictraficloadmodelbasedontheweigh-in—motion(WIM)systeminstalledinHangzhouShixiangExpresswayBridge．Thetraficconditionandvehicleloadingareanalyzedintermsofvehicletraficvolume，vehicletraficcomposition，axleloadspectrumandgrossvehicleweightspectrum．Theresultsshowthat：trafficflowhasastrongtidalregularity；2．8％ofthevehicleshavetheiraxlesoverloadedby10tonsorabove，themaximumaxleweightis39．5tons，themaximumgrossvehicleweightis115tons，theproblemofaggravatedoverloadinginthesmallhoursisserious．Two—axisvehicle’SGVWshowedaunimodaldistribution，three—axisabovetheGVWareexpressedasmultimodaldistribution。five—axisandsix—axisvehicle’SGVWshowedtri—modaldistribution．Inheavy—axledvehicles，overloadingmainlyOCCURSonthesecondand／orthethirdaxles，whichmightcompromisetheintegrityofthestructuresofthebridgeandotherinfrastructures．Theacquisitionofcharacteristicsofvehicleloadshelpstomakefairassessmentsofthesafetyofthebridgesinserviceinthearea，assistingthecontrolofoverloadedvehiclesandmanagementofbridgesafety．Keywords：WIMsystem；bridge；vehicleload；axleweight；GVW车辆荷载是桥梁承受的主要可变荷载。我国析的基础上提出的。但随着经济的快速增现行的公路桥梁车辆荷载标准是在1990年四条长，尤其近二十年来汽车工业和交通运输的迅速国道干线上五个白天12h的交通流车辆数据分发展，道路交通流量不断大幅增长，重型车辆大量收稿日期：2013~7—13修回日期：2013-10-14作者简介：梁旭(1975一)，男，江苏盐城人，高级工程师，博士，研究方向为市政基础设施安全与维护管理(Email：lx@cgb．hz．gov．cn)通讯作者：陈斌(1981一)，男，浙江江山人，工程师，博士研究生，研究方向桥梁安全与维护管~(Email：jeetchen_123@hotmail．col1)基金项目：上海市博士后科研资助计划重点项目(13R21421100)；浙江省建设科技科研项目(2012049) ·18·土木工程与管理学报2013年涌现，使得车辆荷载较以往发生了很大变化'。间及其动态轮胎受力，计算车辆的重量、车速、轴相关研究也表明：各地车辆荷载形式众多，呈现出距、车型以及有关车辆的其他参数并且处理、显示较强的地域性’。同时，我国《公路桥梁承载能和存储的系统。称重传感器是动态称重系统的核力检测评定规程》[61也提出了在桥梁评估时考虑心器件，是测量系统的输入端。目前在国内外动实际桥梁交通状况对标准活荷载进行修正的要态称重系统实际应用中，主要有弯板式传感器、压求。而近年来由超重车辆引起的桥梁坍塌事故，电石英式传感器、电容式传感器、桥式称重平台和更进一步提出了调查实际车辆荷载状况的必要性光纤式传感器¨。和紧迫性。通过调查，了解区域桥梁车辆荷载的考虑到弯板是一种得到广泛赞誉的动态称重实际状况，不仅有助于既有桥梁安全性的合理评传感器，在欧盟交通委员会、美国联邦交通委员会估，还有助于制定切实的超重车辆治理和桥梁安等组织进行的历次动态称重产品测试中均得到良全管理措施。好结果。因此，本研究的动态称重系统(WIM)采动态称重系统(WIM)的出现为科研人员和用弯板式传感器，并由感应线圈、高清摄像头、补工程师获取交通车辆数据提供了新的途径。由其光灯及工业计算机等仪器构成。系统安装地点位获得的车辆荷载数据能全面体现交通流的信息，于杭州石祥路留石高架桥上桥口的两个车道上排除了人为因素的影响，是研究区域交通状况，获(图1)，该位置周边分布有钢材、食品等诸多物流取特征车辆荷载的重要依据。许多学者就此开展市场，重车通行频繁，是大型货车进出城的必经之了一系列研究，分析车辆构成特征、预测荷地。通过在桥梁上设置弯板称重传感器，用于动载极值、建立车辆荷载模型、评估桥梁安全等。本态检测车辆的重量信息，在弯板的两侧设置线圈文基于杭州石祥路留石高架的动态称重系统车辆检测器，用于分离车辆，并配合弯板传感器检(WIM)采集的交通流和车辆荷载数据，通过对交测车辆的车道和跨道，以及车速信息等，在路侧设通流量、车辆构成、轴载、车辆总重等进行分析，获置数据采集控制器，用于接收弯板及线圈信息，并取了其概率统计特性及分布规律，建立了轴载谱进行信息处理，形成被检测车辆信息，上传至控制和车辆总重谱，并与相关规范进行了比较。这些中心。WIM系统采集的数据包含车辆通过时问、特征车辆荷载的获取有助于进一步开展当地桥梁总重、轴重、轴数、轴组数、轴距、车型、车道位置、的结构可靠性评估，建立起更加接近实际情况的速度、加速度、车牌号、车牌类型，以及车头照片，交通荷载模型，以提高分析的准确性。原始数据的样式如图2所示。需要指出的是受前后线圈距离的影响，系统无法分离车间距小于61数据采集与处理In的两辆车，而会错误的将其计成一辆车。1．1动态称重系统动态称重是测量行驶车辆的动态轮胎受力并计算相应的静态车辆重量的过程。车辆动态称重(Weigh—in—Motion，简称WIM)系统是由一组传感器和支持仪器组成，用来测量行驶车辆的出现时图1安装在杭州石祥路留石高架的动态称重系统(wIM)nah_IdILaneIdl}IS])atTlAxle_~tmIft'oss．LoadlVehTDQlLWheel_l_WlLWhee1．2J]R~heel—I_WlRWheel_2WIAxleBislIspQedI^cce1eration2220l2一T—l0O0：0222300226003l2O12一T—l0O0：032180Cl20500422012一T—l0：O0：0424400231200512012一T—l0：O0：042l80020500el20l2—7—10O0II21900205507120l2一T一10O0：1922000225508220l2一T一10O03024600221250922012一T一10：O0：3223100221i00l012012一T一10O0：35224502275011l2012—下一10：004l2180020~5012l2012一T一10O0：5222300226501312012一T一100i：042170022450图2动态称重系统采集的原始数据为确保数据的准确性，在系统安装好后需要(二轴车)、30．26t(三轴车)的卡车，分别以20进行标定，标定采用两辆整车重量分别为19．75tkm／h30km／h40km／h50km／h60km／h70 第4期梁旭等：基于WIM的典型城市桥梁车辆荷载状况分析。19·km／h、80km／h的速度在车道上行使通过弯板进的货车则规律性不强。另外，第1周和第2周的行测试。为提高测试的精度，两车尽量保存匀速日交通流量在一周中总体相差较大，第1周最大通过，以减少加速或刹车带来的误差。从校准后日交通流量接近3．2万辆，而第2周的最大日交的测试数据可以看出，系统精度满足产品质量不通流量才2．4万辆。这种规律可能是与该位置位大于7％的要求，但数据误差并不随车速的变化于物流区周边的过境道路上的性质有关，可以由而发生规律性的变化，呈现出一种无序性。这可人们的出行规律和货运物流进行解释。33000能是车辆行驶和传感器系统的诸多不确定因素导3l000致，需要进一步开展研究。1．2数据处理29000从动态称重系统(WIM)的记录数据可以提27000取不同车流参数的统计。本研究的动态称重系统25000叮于2012年5月下旬完成安装并投入使用，截至目23000前已获得完整一年的车辆数据。为减少数据处理21000工作量，本次选取2012年6月最后两个星期(即l900012345672012年6月16日至2913)的数据进行分析和对星期比。这些数据可以反映监测位置的交通状况和车图3辆信息。本文的分析将大于等于3t的车辆视为货车，并根据交通部的规定将总重超过40t，单轴重超过10t的视为超载。WIM数据的预处理是数据分析之前的重要工作，预处理将剔除明显错误和无意义的数据。根据原始数据的分析，本研究主要剔除的数据类型有以下几种：(1)车辆总重GVW值为0的；(2)车辆轴数少于等于1的；(3)车辆编号和数据完全重复的；(4)轴距长度大于车辆长度的；(5)轴距长度大于11in的；(6)车lj4，6／辆总重明显小于同轴数车辆总重的。星期图42012年6月16日至29日两周货车2交通状况分析(GVW>3t)日交通流量变化图5、图6、图7给出了1天中各时段的总车车流量和车流构成是两个表征车辆交通状况流量、大于3t货车流量和大于40t货车流量的的重要指标。我国《公路桥梁承载能力检测评定变化情况。从图中可以看出，1天中各时段的总规程》⋯引入考虑实际桥梁位置典型代表交通车流量具有很强的规律性，基本在每日9点前后量、大车混入率和轴荷载分布状况的修正系数，对达到1天的最高峰，在18点左右达到1天中的次标准活荷载进行修正。因此，对车流量、车辆构高峰，最大时段车流量接近2700辆。与总流量不成、轴重和车辆总重进行分析具有重要意义。同，大于3t货车的时段流量并不具有很强的规2．1车流量车流量可以分为日交通流量和小时交通流量，日交通流量表征的是一周中日交通流量的变化情况，小时交通流量表征的是一天中每一时段车流量的变化情况，两者结合能更合理的分析监测地点的交通流变化情况，而由前者则可获得典型代表交通量指标。2012年6月16日至29日两周日交通流量和货车(GVW>3t)的日交通流量如图3、图4所示。从图中可以看出两周内日交时段通流量总体服从由周1到周7逐日下降的规律，图5一周中每日24个时段车流量变化情况且大于3t的货车也基本服从这个规律，但第2周 ·20·土木工程与管理学报总数的34％，最重记录达115t。从819辆40t以上超限车辆随时间分布可以看出，超限车辆夜问(87％)多于白天(13％)，后半夜(68％)多于前半夜(19％)，后半夜恶性超载的现象明显比其他时间严重。表1给出了不同轴数车辆的交通量分布状况，从表中可以看出两轴车占据绝大多数，达97．7％。随着轴数的增加，车辆数相应较少。表1两周内不同轴数车辆的交通量分布时段轴数234567图6一周中每日24个时段>3t货车流量变化情况第1周1831732057135839638236第2周1454131602907228259243车辆荷载状况3．1车辆轴载车辆轴重是道路和桥梁设计的重要参数，是确定荷载修正系数的轴荷载分布状况的重要指标。在不考虑车道分布情况下，对两周的车辆轴[珂段重数据进行分析。经过计算间隔为1t的车轴数图7一-N中每日24个时段>40t货车流量变化情况量，结果显示车轴数量随着轴重的增加而减少律性，只是在5点至9点有一个增长的过程。但(图9)，绝大多数的轴重是小于1t的，占总轴数从图7可以看出，超载货车大多在后半夜到凌晨的90．8％。其次多数的是1～2t重的轴数，占总时段通行，5点至6点时段的通行量最大，最多的数的28．9％。值得注意的是，有7249个车辆轴1小时通行达到40辆。而白天超载货车通行基重超过了10t的超载标准，占总数的2．86％；本维持在个位数的水平，有时1小时的通行量甚2575个车辆轴重超过15t，占总数的1．23％，最至为0。大的单轴重量达到39．5吨，是超载标准的4倍。2．2车流构成分析两周不同总重车辆的通行状况和不同轴数车辆的通行状况，由前者即可获得大车混入率指标。图8给出了两周内不同总重等级车辆的交通流量分布状况，从图中可以看出，小于等于3t的车辆占据绝大多数，达总车流数的90．7％。结合时段流量分析可知，两周内通过监控位置的车辆总数为335462辆。其中20t以上的货车有2406辆，超过40t的有819辆，占20t以上货车轴重／t图9不同轴重下的轴数分布状况根据文献[8]，青马大桥慢车道上车辆轴重超过10t的轴数占到总轴数的3．821％，最大轴重12．5t，这与英国规范BS5400较接近，而相对该桥设计荷载谱小。与之对比，本文监测位置的车辆荷载等级总体较低(图10)，但恶性超载严重。图8两周内不同总重车辆的交通流量分布 第4期梁旭等：基于WIM的典型城市桥梁车辆荷载状况分析403530幢妊求25料翻鏖20斟星嘴案15lO50车辆总重／t(a12轴车0．000100010．0101车辆轴重频率分布／％图10基于wIM数据的车辆轴载谱忙3．2车辆总重糌车辆总重也是道路和桥梁设计的重要参数，稍鏖褂摩嘴是确定大车混入率的重要指标，更是超限车辆管理的重要依据。英国规范BS5400：第l0部分给出了一个典型货车总重柱状图，用以在无法获得WIM数据的情况下车流模拟的参考。图11给出车辆总重／t(b)3轴车了两周车流的总重谱，经与文献[8]给出的青马大桥慢车道上车辆总重谱和英国规范BS5400车辆总重谱数据的比较，可以看出本文监测位置车忙忙求辆总重荷载状况总体不大，货车通行量较小，但重糌招整车规模比前两者都大，青马大桥通行车辆的的最料整大总重为55t，英国规范的最大总重为42t，而本监测点的最大总重为115t。l2O1OO车辆总重／t8O60亲忙船L4O求斛粕2O槲饔0000001000010．O010．0lO1车辆总重频率分布／％车辆总重／t图11基于WIM数据的车辆总重谱211815妊忙糌12^钓肇槲瑚●崖略槲O．9鼙O6O3车辆总重／tO一(e)6轴车00510152025303．5404．5lg(车辆总重)图13不同轴数车辆总重概率密度和累积概率分布图l2基于WIM数据的车辆总重概率密度图12给出了车辆总重的概率密度分布图，从 ·22‘土木工程与管理学报2013年图中可以看出车辆总重服从双峰分布，但是由于国规范BS5400对比，本文监测位置的车辆荷载监测位置重车通行总量较小，与相关文献[7]相等级总体较低，但恶性超载严重。比，第2个峰显得很小。(4)2轴车车辆总重表现为单峰分布，3轴以不同轴数车辆的总重概率分布是随机车流模上车辆的总重均表现为多峰分布，5轴车和6轴拟和结构可靠度分析的基础。在不考虑车道分布车的总重表现为明显的3峰分布。轴重大(如最情况下，对两周的不同轴数车辆的总重概率分布大轴重39．5t)的车辆主要是2轴、3轴车辆，这进行分析(图13)。从图可以看出，2轴车车辆总部分车辆对桥梁等基础设施的危害较大。重表现为单峰分布，而3轴以上车辆总重均表现参考文献为多峰分布，且5轴车和6轴车表现为明显的3峰分布。对于各轴数车辆总重满足的概率密度函[1]李扬海，鲍卫刚，郭修武，等．公路桥梁结构可靠度数和累积概率分布函数类型需要进一步研究确与概率极限状态设计[M]．北京：人民交通出版社，1997．定。另外，从不同轴数车辆的总重分布还可以看[2]JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范[S]．出，轴重大(如最大轴重39．5t)的车辆主要是2[3]周泳涛，鲍卫刚，翟辉，等．我国高速公路交通荷轴、3轴车辆，可以确定这部分车辆对桥梁等基础载标准研究[J]．公路交通科技，2010，27(2)：36—设施的破坏较为严重。41．[4]许肇峰，王强，刘仰韶．基于WIM的广东省公4结论路桥梁车辆荷载模型研究[J]．桥梁建设，2012，42(6)：3944．基于安装在杭州石祥路留石高架上的动态称[5]0connorA，OBrienEJ．Trafficloadmodellingand重系统(WIM)采集的交通流和车辆荷载数据，通factorsinfluencingtheaccuracyofpredictedextremes[J]．CanadianJournalofCivilEngineering，2005，32过对交通流量、车辆构成、轴载、车辆总重、轴载(1)：270—278．谱、车辆总重谱等进行分析，讨论了其概率统计特[6]JTG／TJ21—2011，公路桥梁承载能力检测评定规程性及分布规律，获得了以下结论：[S]．(1)一周中日交通流量总体服从由周1到周[7]王涛，韩万水，黄平明．公路桥梁交通荷载研究7逐日减少的规律。一天中各时段的总交通流量现状及展望[J]．建筑科学与工程学报，2010，27具有很强的潮汐规律性，基本在每日9点前后达(4)：31—38．到一天的最高峰，在18点左右达到一天中的次高[8]MiaoTJ，ChanTHT．Bridgeliveloadmodelsfrom峰。WIMdata[J]．EngineeringStructures，2002，24(8)：(2)两周内的车辆通行总数为335462辆，其1O71—1084．中小于等于3t的车辆占据绝大多数，达总车流[9]xuYL，ChenZW，WongKY．VehicleLoadingand数的90．7％；大于等于20t的货车有2406辆，大EffectontheTsingMaBridgeUsingWIMData[C]／／ProceedingsoftheFifthInternationalConferenceon于等于40t的货车有819辆，占20t以上货车总BridgeMaintenance，SafetyandManagement．Phila—数的34％，最重记录达115t。从819辆40t以上delphia，Pennsylvania，USA：CRCPress，2010：215．超限车辆随时间分布可以看出，超限车辆夜间[10]GetachewA，ObrienEJ．Simplifiedsite—specifictraf-(87％)多于白天(13％)，后半夜(68％)多于前半ficloadmodelsforbridgeassessmentJ．Structure夜(19％)，后半夜车辆恶性超载的现象明显比其andInfrastructureEngineering，2007，3(4)：303—他时问的严重。311．(3)2．86％的车辆轴重超过了10t的超载标[11]李磊，动态称重系统关键技术研究[D]．西安：长准，1．23％的车辆轴重超过15t，最大的单轴重量安大学，2008．达到39．5t，是超载标准的4倍；与文献[8]和英