中法高速公路车流及荷载特性对比

选取中国和法国的两组利用动态称重设备实测的高速公路车辆数据进行统计,对实测车流的车型组成特性、车流时变特性及车辆到达特性,车辆特性,不同车道车流及荷载等特性进行了详细的对比与分析,总结了车流及车辆荷载的一般分布规律.数据显示,国内车重、轴重及交通量等参数都显著高于法国,相对《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60-2004)中车辆荷载基础数据也提高很大;每天的交通量在低谷期重车比例最高,高峰期重车比例最低;各车道之间车流及荷载特性差异性很大,并不符合互不相关假定;我国实测车辆荷载的效应极值外推结果远大于现行规范值.综合这些特性,建议对特殊桥梁的设计或评估,采用特定地点的车辆荷载;各车道汽车荷载模型应分别考虑;不同加载长度的汽车荷载模型应区别分析.     

公路桥梁长加载区间的多车道车辆荷载概念模型

高速公路多车道荷载及其响应的差异一直是桥梁设计与研究关注的重点,目前的多车道荷载模型对这种差异表述不合理,特别是长加载区间效应.选取2009~2013年实测的2车道和4车道28d自由通行的WIM(Weigh-in-motion)数据,研究车辆的车道选择和荷载的空间分布特性,分析长加载区间的多车道荷载响应,提出了考虑多车道荷载模型的新思路,并校核了该概念模型的系数取值.研究表明,应选用至少3周以上数据进行车辆及荷载分析才具有统计意义,多车道中各分车道的车辆及荷载分布具有显著差异,我国规范基于车道荷载同分布的假定不成立.车道荷载分位值差别显著,而最大值却大致相同,说明多车道荷载模型无法兼顾不同加载区间的修正要求.长加载区间上分车道荷载响应之间的比值趋于稳定数量关系,表明各车道不仅不能达到相同水平极值,且不能同时达到.推荐的多车道概念模型能科学考虑长加载区间上分车道及总车道响应极值的关系,更具工程意义,校核的系数表明推荐模型合理可用.     

高速公路分车道荷载差异及其响应特性

为研究我国高速公路各车型分车道行驶的交通规则对分车道荷载及其响应的影响,选取实测的单向两车道、三车道和四车道的动态称重(WIM)数据,首先统计了各车型对车道的选择概率;然后,对比了分车道交通流量及荷载分布的差异;最后从车重极值、荷载响应极值、荷载响应损伤累积三方面研究了分车道行驶对桥面结构局部设计、桥梁整体设计和桥梁疲劳设计的影响.研究表明,各车型对车道具有特定的选择概率,分车道在车型组成、交通流量及荷载分布上显著差别.不同车道数时,分车道的外推车重极值存在差别,桥面结构局部设计用车辆荷载模型应据此进行车道修正.分车道荷载响应极值的比值及等效应力幅的比值均不为1,说明分车道最不利荷载响应及疲劳损伤累积效应都不相同,桥梁的整体设计和疲劳设计应该考虑这些特性.     

基于合成车流的桥梁车辆荷载效应极值预测

车辆荷载是公路桥梁设计与评估过程中的关键问题之一,现有规范的车辆荷载取值适用于一般设计,对于精度要求更高的在役桥梁评估或桥梁关键构件设计,应结合实际车辆荷载特征,建立相应的车辆荷载模型.考虑我国现有大量静态车辆交通流数据的特点,提出了采用合成车流方法模拟交通流并实现荷载效应预测的方法,详细描述了基于合成车流的车辆荷载效应模拟方法,检验了Rice公式方法对于合成车流荷载效应极值预测的适用性,以此建立基于合成车流的车辆荷载效应模拟及其极值预测过程.最后,通过算例校验了合成车流荷载效应以及预测荷载效应极值的准确性,并简要对比了现有规范与本文方法在车辆荷载效应方面的差异.     

基于长期监测车流的公路桥梁设计车载模型校验

基于我国车流数据校验既有设计车辆荷载模型,提出随机车流荷载下桥梁车载效应极值外推方法。基于某高速公路桥梁动态称重系统长期监测车流数据,建立随机车流荷载模型,分析简支T梁桥的车辆荷载效应极值,据此校验国内外桥梁设计车辆荷载模型。研究结果表明:欧洲Eurocode3规范和英国BS5400规范的设计车辆荷载效应标准值远大于中国JTG D60—2015规范标准值和美国AASHTO荷载规范标准值;针对我国交通荷载现状,欧洲Eueocode3规范与英国BS5400规范设计车辆荷载模型的重现期趋于无穷大,而美国规范的重现期小于1 000 a,我国JTG D60—2015设计车道荷载规范的重现期为1 000～4 000 a。     

基于车辆统计数据的汽车荷载标准值取值与评估

以若干路段连续一周的车辆调查结果为基础,运用该路段上各种车型的车重、轴距、轴重及车头间距的统计参数和分布特征,结合汽车厂家和实测轴距和轴重,给出了各代表车型的轴距及轴重分配比例的统计参数。根据统计参数,结合蒙特卡洛方法,利用Matlab语言编制了随机车流模拟程序和随机车流在影响线上的加载程序;通过程序计算得到随机车流作用下实际桥梁n d的荷载效应最大值,进而对其进行统计分析,得到基于车辆统计数据下的汽车荷载效应标准值,并与现行规范标准值效应进行对比分析。研究结果表明：基于车辆荷载调查下的随机车流所产生的荷载效应标准值与规范值存在较大差异,其中,广深高速公路车辆荷载效应是公路-Ι级标准值效应的3倍,河北、江西某收费站车辆荷载效应是公路-Ι级的1.6～2.0倍,深港大桥车辆荷载效应与现行规范公路-Ι级效应相当;现行规范荷载与实际车辆荷载在一定程度上不相适应,该结论对制订新的规范荷载具有重要参考价值。     

不同超重规定下重车荷载特性及效应计算

为获取超重车荷载构成特性以及重车并行过桥产生的荷载效应,收集了美国加州历时3a实测WIM数据,根据美国联邦政府和加州交通厅超重规定,将超重车分为3类,对比分析了3类超重车辆分布及荷载构成特点.根据随机过程理论建立了多车道车辆并行荷载效应计算模型,分别计算了第Ⅱ类超重车和加州超重车最大荷载效应,结果表明两类超重车起控制作用的荷载相同;与中美规范对比显示,由超重车引起的最不利弯矩和剪力分别为美国规范值和我国规范值的1.5倍,因此在桥梁设计和评估工作中,应充分考虑重车过桥对桥梁结构的影响.     

采用广义极值分布的公路桥梁车辆荷载效应极值预测

为改善对汽车荷载效应样本的统计拟合,建立随机变量的均值、偏差系数、变差系数与广义极值分布的形状参数、尺度参数、位置参数的一一对应关系.采用广义极值分布适线法拟合车辆荷载效应区间最大值样本的概率分布.首先,以矩法计算样本均值和变差系数,假定偏差系数,计算广义极值分布的形状参数、尺度参数和位置参数;然后,将样本点和理论频率曲线绘制到海森机率格纸上,按照理论频率曲线与实测数据拟合得最好的原则选定统计参数,并确定汽车荷载效应样本的理论频率曲线;最后,采用经典极值理论建立设计基准期荷载效应最大值分布.采用某公路一个车道39周的动态称重系统(WIM)数据,建立车辆荷载效应模型,并与最大似然法结果进行比较.结果表明:文中方法更能反映样本分布曲线尾部特征,且实际最大基准期车辆荷载效应远大于现行公路-Ⅰ级汽车荷载效应.     

在合成车流运行基础上的桥梁荷载最大值探讨

在公路桥梁设计和评估中,车辆荷载是主要的问题之一,现有车辆荷载取值规范只对一般的设计适应,如果是精度要求比较高的桥梁关键构件设计或桥梁评估,则要与实际车辆荷载的特征相结合,建立模型。由于目前我国交通流数据的特点是存在大量静态车辆,因此采用合成车流方法对交通流进行模拟,确定荷载效应预测的有效方法。本文主要对合成车流的车辆荷栽模拟方法进行详细描述,并对Rice方法在合成车流运行的桥梁荷载最大值进行预测的适用性进行研究。基于此,建立合成车流的车辆荷栽效应模拟与最大值预测过程。     

公路桥梁随机车队的平稳性和各态历经性

通过实测数据对交通参量进行统计分析并建立交通荷载模型是分析桥梁车辆实际荷载水平的一种常用方法,但其合理性尚未得到理论验证.文中利用车辆动态称重系统(WIM)实测获得6条公路28条车道上的车辆信息,构建各车道上的一维随机车流类型场;按照随机过程理论计算得到所构建各车道一维随机车流类型场的集合均值与集合相关函数、空间均值与空间相关函数等.对比分析结果表明,基于实际公路上足够数量车辆的调查所构建的一维随机车流类型场具有平稳性和各态历经性,其样本的统计信息能够代表总体样本,可以用于车辆随机荷载的研究,为公路桥梁随机车辆荷载模型的建立提供了理论依据.     

用于公路桥梁可靠性评估的车辆荷载多峰分布概率模型

通过对京沪高速公路车辆运行状况的实测和统计分析,发现由于汽车工业的发展以及超载现象的存在,实测的车辆荷载呈现出多峰分布的特性,难以用传统的单峰概率分布模型来描述.利用极值型Ⅰ分布函数和正态分布函数的加权和,拟合得到了由轻型车辆、普通车辆和重型(含超载)车辆所组成的多峰型车辆荷载的概率分布函数.通过滤过复合Possion过程和滤过复合Weibull过程分别对一般运行状态和密集运行状态下的车辆荷载过程进行了模拟.最终以后续服役期内轻型车辆、普通车辆和重型(含超载)车辆荷载最大值分布的0.95分位值作为桥梁在剩余可靠度研究的评估荷载.该多峰型车辆荷载模型更符合实际,提高了桥梁剩余可靠度评估的准确性和合理性.     

基于WIM的福建省重载交通公路车辆荷载模型

为建立适合福建省重载交通公路的车辆荷载模型，选取车流量大、重载货车比例高的沿海地区，布设2个动态称重（WIM）系统测点。通过对WIM系统长达30个月不间断采集的车流数据的统计分析，得到福建省典型重载交通公路车辆荷载的统计特征，并建立了相应的车辆荷载模型。基于实测模型与现行规范汽车荷载标准，对典型公路简支梁桥和连续梁桥的汽车荷载作用效应进行了分析，结果表明：对福建省重载交通公路桥梁，采用公路—I级汽车荷载标准进行结构设计总体上是安全的，而采用公路—II级汽车荷载标准则偏于不安全。本文所建立的重载交通公路车辆荷载模型可供福建省公路桥梁设计或结构损伤验算时参考。     

苜蓿叶立交集散车道内车辆运行速度特征分析

为了确定高速公路苜蓿叶立交集散车道车辆运行速度特征和速度值,确保车辆在集散车道上运行协调可控,使车辆在行驶时能够安全运行。采用雷达测速仪对集散车道各出入车辆运行速度进行实地采集,选取互通立交集散车道特征点处自由流状态下车辆速度作为分析样本,建立主线车辆通过集散车道驶出高速和相交高速车辆通过集散车道驶入主线的速度运行曲线。结果表明:车辆通过集散车道进入出口匝道1,整个车辆运行过程中处于减速状态,从分流点到鼻端减速较慢;而从鼻端到第一个出口车辆减速较快。车辆通过集散车道进入出口匝道2,车辆先减速后匀速,到达交织区时再次减速,最后驶入匝道。车辆从入口匝道1进入集散车道,车辆以较为稳定的加速驶入主线。车辆从入口匝道2进入集散车道,先以较大的加速行驶,后缓慢加速驶入主线。可见,车辆通过集散车道出入高速公路运行速度呈现出规律性。通过对车辆运行速度分析,对集散车道车辆的交通安全防控和规范的完善有着重要价值。     

高速公路沥青路面轮迹横向分布研究

就高速公路不同车道上不同车型的轮迹分布特点进行了研究,确定了高速公路双向四车道、六车道和八车道在考虑不同情况下的车道系数和标准轴载轮迹横向分布系数推荐值,给出了按照一定的规则将从观测站或收费站得到的双向或单向年平均日交通量和交通组成换算为设计所需的等效标准轴次的两种不同方法,为更科学合理地确定高速公路的等效标准轴次提供了可能.     

基于车辆对道路不满意度的微观换道决策

自动驾驶汽车有着极大的应用潜力且高速公路环境下车辆变换车道是常见的行为。为进一步分析高速公路中自动驾驶汽车的微观换道决策,本文定义道路不满意度来表示车辆对行驶道路的不满意程度并将车辆换道意图的产生按本车是否达到目标车速而分为两类,当本车达到目标车速时为第一类,换道意图产生源于本车与前车间距的减小和本车相对于前车速度的增加。当本车未达到目标车速时为第二类,换道意图产生源于本车与前车间距的减小和本车达到目标车速时相对于前车移动距离的增大。针对不同类换道意图的产生机制,结合模糊推理设计道路不满意度算法。换道决策利用当前行驶车道和邻近车道的道路不满意度大小、安全跟车距离、换道安全距离来综合决定换道意图的发生。最后在MATLAB环境下搭建自动驾驶环境并仿真换道决策模型,结果显示本文相比其它换道决策,本文不仅考虑换道安全而且也考虑了目标车道和本车道的跟车安全,更具有实际意义。同时本文的模糊换道决策能兼顾安全性和智能性且适用于依目标车速定速巡航、为达到目标车速而加减速等多种复杂工况下的换道情况。     

宽幅高速公路沥青路面车道 结构响应差异化数值分析

为了研究宽幅高速公路渠化交通荷载对沥青路面车道结构响应的差异性,结合某改建高速公路的交通量,分别对行驶客车的轻载车道和行驶货车的重载车道的交通荷载进行累计轴次换算.通过沥青路面结构分析软件和数值模拟方法,对不同工况下的沥青路面车道结构响应进行计算和分析.结果表明:实际工况的轻载车道沥青路面的非弹性变形为重载车道的68.0%,但轻载车道与重载车道无机结合料稳定层的疲劳开裂寿命近似相同;实际工况的轻载车道沥青路面的非弹性变形为设计工况的82.5%,实际工况的重载车道沥青路面的非弹性变形为设计工况的121.3%.     

基于轴载谱的沥青路面累计当量轴次换算

按照轴数和轮组数对公路上常见车辆进行详细分类,根据交通组成的权重确定实测轴载样本量,并采用静态称重系统对其进行了随机抽测,绘制了各主要车型的轴载谱,据此计算了轴载换算系数和等效轴载。结合某高速公路沥青路面改扩建工程,计算了基于实测轴载数据和理论轴载数据的累计当量轴次换算结果。研究结果表明：与采用理论轴载计算相比,基于实测轴载谱计算得到的累计当量轴次数值较大;为了满足结构验算的需要,沥青路面的厚度应加厚。     

潮湿多雨地区高速公路路基湿度的实测特征

为获取潮湿多雨地区路基的湿度分布特征及其影响因素,采用现场钻芯取样和预埋湿度传感器的方法,对4条高速公路进行了现场测试。结果表明,黏土路基显著受地下水毛细作用的影响,路床内平衡含水率较最佳含水率提高5%左右,土路肩和边坡的入渗将直接影响外侧行车道以下路基湿度、提升含水率并造成一定程度的干湿循环,中央分隔带防排水措施的失效也可导致内侧行车道下含水率大幅提升;而砂土路基受地下水的影响较小,湿度波动与气候因素变化之间的滞后性也较小。因此,设计时宜充分重视防排水措施的长效性,并以路基长期的湿度分布作为设计状态;若考虑到入渗产生的湿度提升与波动,以及高速公路行车道的荷载分布特征,以外侧车道的实际湿度作为设计状态则更为合适。