CN114417468B - 一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法 - Google Patents

Abstract

一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，涉及一种路桥荷载限载方法。收集交通荷载数据，包括车辆数量、车头间距、车重、轴距、轴重以及轴重系数；对统计车型进行划分，分为一类‑五类共计V1‑V17这五大类17种车型；确定典型限载车型，2轴车为V1车型、3轴车为V7车型、4轴车为V12车型、5轴车为V13车型和6轴车为V17车型；采用Monte‑Carlo方法模拟随机车流；确定既有桥梁结构抗力R；计算桥梁结构可靠度；计算汽车单轴限值与结构可靠度的函数关系；确定各个典型限载车型的限载取值。确定了通过桥梁的交通荷载中需要限载的车型及其限载取值方法，对于提升亚健康公路桥梁的安全性和耐久性具有重要意义。

Description

一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法

技术领域

本发明涉及一种路桥荷载限载方法，尤其是一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，属于公路桥梁运营和管理技术领域。

背景技术

我国公路桥梁数量巨大，取得了举世瞩目的建设成就，但随着交通量的迅猛增长、重型货车比例和路桥服役年限的增加，导致既有公路桥梁耐久性快速下降，部分公路桥梁实际承载能力已无法满足现有交通量条件下车辆正常通行的要求，成为亚健康公路桥梁。据统计，现役公路桥梁中结构承载能力不能适应运营荷载要求、存在安全风险的亚健康公路桥梁约占总数的10％，数量十分巨大，面临着严重的安全隐患。

对于亚健康公路桥梁，在资金有限、风险尚未完全彰显、理想加固改造尚难以立即付诸实践的情况下，如何科学有效地对运营车辆荷载加以限制就成为控制安全隐患的关键。因此，本发明提出了一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，对亚健康公路桥梁的安全运营具有重要意义。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，确定了通过桥梁的交通荷载中需要限载的车型及其限载取值方法，对于提升亚健康公路桥梁的安全性和耐久性具有重要意义。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，包括以下步骤：

步骤一：收集交通荷载数据

设定采样时间段并对既有桥梁的交通荷载数据进行调查统计，包括车辆数量、车头间距、车重、轴距、轴重以及轴重系数；

步骤二：对统计车型进行划分

依据《中国汽车车型手册(第一版)》和2014年中国工业与信息化部颁布的第85号公告《车辆生产企业及产品公告》，根据各车型出现的频数进行加权平均，然后选取与轴距和轴重系数的加权平均值最为接近的车型作为代表车型，同时结合2006年中华人民共和国交通部颁布的第486号文件《高速公路管理部门车型划分标准》，将交通荷载划分为一类-五类共计V1-V17这五大类17种车型；

步骤三：确定典型限载车型

对上述五大类17种车型进一步归类，对轴数相同的车型提炼出典型限载车型，通过计算车辆在标准车重条件下引起的最大荷载效应值

并依据对结构的最不利原则来确定典型限载车型，确定V1车型作为2轴车的典型限载车型、V7车型作为3轴车的典型限载车型、V12车型作为4轴车的典型限载车型、V13车型作为5轴车的典型限载车型和V17车型作为6轴车的典型限载车型；

步骤四：模拟随机车流

采用Monte-Carlo方法产生随机车流从而模拟实际的汽车荷载；

步骤五：计算桥梁目标可靠度指标β₀以及汽车荷载效应

结合既有桥梁的设计资料，根据其结构安全等级和结构或构件破坏类型，按2020年中华人民共和国交通部颁布的第28号文件《公路工程结构可靠性设计统一标准》确定桥梁目标可靠度指标β₀，建立有限元模型，计算桥梁恒载效应S_G，并进行随机车流加载，提取弯矩影响线，将随机车流加载到影响线上，模拟随机车流过桥并记录这一过程中汽车荷载效应最大值S_Q，重复随机车流生成和加载过程得到S_Q服从的概率分布类型及参数；

步骤六：确定既有桥梁结构抗力R

选取桥梁结构或重要受力构件的特征截面，检测试验得到实际技术状况下桥梁结构抗力R服从的概率分布类型及其参数；

步骤七：基于结构可靠度理论计算桥梁结构可靠度

桥梁的极限状态方程Z＝g(x₁,x₂,…,x_n)＝0,其中X＝(x₁,x₂,…,x_n)是n个服从概率分布且互相独立的随机变量，U＝(u₁,u₂,…,u_n)为X通过当量正态化后的标准正态分布随机变量，将极限状态方程Z在设计验算点U^*处进行Taylor级数展开，桥梁结构可靠度的计算表达式为：

其中，m_z表示Z的均值，σ_Z表示Z的方差，

表示随机变量u_i的均值，

表示随机变量u_i的方差，

表示在验算点处随机变量u_i的取值，α_i为灵敏系数，进一步得到：

设计验算点U^*还应满足：

将随机车流加载产生的汽车荷载效应最大值S_Q以及桥梁恒载效应S_G和既有桥梁结构抗力R的概率分布带入桥梁承载能力极限状态方程，求解桥梁当前状态下的可靠度β；

步骤八：计算汽车单轴限值与结构可靠度的函数关系

指定迭代计算次数N和轴重折减系数η(其中：

)，由步骤七中的计算方法计算桥梁结构可靠度β⁽ⁱ⁾,(i＝0,1,…,N)，若该可靠度β⁽ⁱ⁾小于规定的目标可靠度指标β₀或者计算未达到迭代次数N，则返回随机车流模型，根据汽车单轴限值L⁽ⁱ⁾＝L_max×η,(i＝0,1,…,N)，初始值L⁽⁰⁾＝L_max，L_max为随机车流中轴重的最大值，剔除随机车流中超过该限值的车辆后重新计算S_Q，并计算得到修正后的可靠度β⁽ⁱ⁾，得到汽车单轴限值与对应可靠度的关系点对(L⁽ⁱ⁾,β⁽ⁱ⁾)，(i＝0,1,…,N)，拟合两者的函数关系L＝f(β)；

步骤九：确定各个典型限载车型的限载取值

计算目标可靠度指标β₀下的汽车单轴限值L₀＝f(β₀)，设各个典型限载车型的限载取值为W_i(i＝1,2,…,n)，最大轴重分配系数分别为γ_i(i＝1,2,…,n)，根据限载取值与最大轴重分配系数的关系W_iγ_i＝L₀确定各个典型限载车型的限载取值W_i。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明针对亚健康公路桥梁，通过对桥梁的交通荷载调查以及承载能力评定，提出了桥梁的分车型限载方法，与现在普遍应用的车辆统一限重的限载方式相比，分车型限载对于桥梁结构安全和交通工具的合理利用都是有利的，更加科学合理，对于提升亚健康公路桥梁的安全性和耐久性起到积极作用，对公路桥梁的运营和管理以及桥梁安全提供科学依据。

附图说明

图1是本发明的整体流程图；

图2是本发明对统计车型进行划分的依据参照图；

图3是本发明采用Monte-Carlo方法模拟随机车流的原理框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示的整体流程，一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，包括以下步骤：

步骤一：收集交通荷载数据

设定采样时间段并对既有桥梁的交通荷载数据进行调查统计，所述采样时间宜保持在50d以上，所述交通荷载数据包括车辆数量、车头间距、车重、轴距、轴重以及轴重系数；

步骤二：对统计车型进行划分

依据《汽车工程手册》编辑委员会编写的《中国汽车车型手册(第一版)》和2014年中国工业与信息化部颁布的第85号公告《车辆生产企业及产品公告》，根据各车型出现的频数进行加权平均，然后选取与轴距和轴重系数的加权平均值最为接近的车型作为代表车型，同时结合2006年中华人民共和国交通部颁布的第486号文件《高速公路管理部门车型划分标准》，对比调查统计中出现的车型，结合轴数、轴距、轴重以及车重，将交通荷载划分为一类-五类共计V1-V17这五大类17种车型，具体参照图2所示；

步骤三：确定典型限载车型

对上述五大类17种车型进一步归类，对轴数相同的车型提炼出典型限载车型，通过计算车辆在标准车重条件下引起的最大荷载效应值

并依据对结构的最不利原则来确定典型限载车型，其中最大荷载效应值

的计算采用单车加载桥梁影响线的方式进行，由于亚健康公路桥梁的失效模式为抗弯失效，所以可通过Midas Civil或结构手算的方式计算桥梁最不利位置的弯矩影响线，将标准车辆(其车重取值见下表)按步长0.1m或1m连续通过桥梁的弯矩影响线，并记录每一时刻桥梁结构所产生的荷载效应，这一过程中所产生的荷载效应的最大值即为最大荷载效应值

计算过程中标准车重取值如下表所示：

轴数	标准车重
		2轴	20t
3轴	30t
		4轴	40t
5轴	50t
		6轴	55t

在确定2轴车的典型限载车型时，共包括V1、V2、V3、V4、V5和V6六种车型，在标准车重20t按每次移动步长1m通过32m简支梁桥时产生的最大荷载效应值

如下表所示：

可见在V1车型作用下桥梁产生的最大荷载效应值

的数值最大，对结构最不利，选择V1车型作为2轴车的典型限载车型。

在确定3轴车的典型限载车型时，共包括V7、V8、V9和V11四种车型，在标准车重30t按每次移动步长1m通过32m简支梁桥时产生的最大荷载效应值

如下表所示：

可见在V7车型作用下桥梁产生的最大荷载效应值

的数值最大，对结构最不利，选择V7车型作为3轴车的典型限载车型。

在确定4轴车的典型限载车型时，共包括V10和V12两种车型，在标准车重40t按每次移动步长1m通过32m简支梁桥时产生的最大荷载效应值

如下表所示：

可见在V12车型作用下桥梁产生的最大荷载效应值

的数值最大，对结构最不利，选择V12车型作为4轴车的典型限载车型。

在确定5轴车的典型限载车型时，共包括V13、V14和V15三种车型，在标准车重50t按每次移动步长1m通过32m简支梁桥时产生的最大荷载效应值

如下表所示：

可见在V13车型作用下桥梁产生的最大荷载效应值

的数值最大，对结构最不利，选择V13车型作为5轴车的典型限载车型。

在确定6轴车的典型限载车型时，共包括V16和V17两种车型，在标准车重55t按每次移动步长1m通过32m简支梁桥时产生的最大荷载效应值

如下表所示：

可见在V17车型作用下桥梁产生的最大荷载效应值

的数值最大，对结构最不利，选择V17车型作为6轴车的典型限载车型。

综上，确定典型限载车型谱系如下：

2轴车	V1
		3轴车	V7
4轴车	V12
		5轴车	V13
6轴车	V17

步骤四：模拟随机车流

将公路桥梁上的汽车荷载视为一个随机过程，其车型、车重和车头间距都随时间而变化但服从一定的概率分布，在得到其服从的概率分布后就可以采用Monte-Carlo方法产生随机车流，从而模拟实际的汽车荷载，设定模拟周期进行模拟，比如以1天为模拟周期，即虽然每天的具体交通情况是不同的，但每天汽车荷载的统计规律是相同的，具体参照图3所示，采用Monte-Carlo方法模拟随机车流的具体步骤如下：

1.根据交通量以及各个车型的占比，得到不同车型在一个模拟周期内的数目；

2.生成满足车重分布的随机数，由车型确定轴距并根据轴重系数分配每一个轴重；

3.按照车头间距的概率分布生成车辆间距的随机数；

4.将所有轴重按照车辆间距进行随机布置，即可得到随机车流。

步骤五：计算桥梁目标可靠度指标β₀以及汽车荷载效应

结合既有桥梁的设计资料，根据其结构安全等级和结构或构件破坏类型，按2020年中华人民共和国交通部颁布的第28号文件《公路工程结构可靠性设计统一标准》确定桥梁目标可靠度指标β₀，其取值详见下表：

建立对应的桥梁的有限元模型，计算桥梁恒载效应S_G，并进行随机车流加载，对于多主梁桥，选取横向分布系数最大的一根主梁，偏安全角度考虑认为随机车流全部作用于其上，提取其车道弯矩影响线，将随机车流加载到影响线上，按步长1m或0.1m连续移动，模拟随机车流过桥并记录这一过程中汽车荷载效应最大值S_Q，在指定周期内重复随机车流生成和加载过程即可得到S_Q服从的概率分布类型及参数。

步骤六：确定既有桥梁结构抗力R

选取桥梁结构或重要受力构件的特征截面(比如支点、跨中等)，重点检测混凝土强度、碳化深度、钢材锈蚀程度及保护层厚度、物理与化学表观损伤，根据检测试验数据得到实际技术状况下桥梁结构抗力R服从的概率分布类型及其参数。

步骤七：基于结构可靠度理论计算桥梁结构可靠度

对于既有桥梁的承载能力极限状态方程为：

Z＝g[R(t),S_G,S_Q(t)]＝R(t)-S_G-S_Q(t)＝0

式中，R(t)为桥梁结构抗力随机变量；S_G为桥梁恒载效应随机变量；S_Q(t)为汽车荷载效应随机变量；

计算桥梁结构可靠度时，已知桥梁的极限状态方程Z＝g(x₁,x₂,…,x_n)＝0,其中X＝(x₁,x₂,…,x_n)是n个服从概率分布且互相独立的随机变量，U＝(u₁,u₂,…,u_n)为X通过当量正态化后的标准正态分布随机变量，可靠度的求解可定义为标准正态空间内坐标原点到极限状态曲面的最短距离，将上述极限状态方程Z在设计验算点U^*处进行Taylor级数展开，并近似地取一阶项：

Z的均值m_Z为：

由于设计验算点在极限状态曲面上，因而有

因此m_Z为：

假设各个随机变量互相独立，可求解Z的方差σ_Z：

为了表述方便，引入分离函数式，将上面的根式线性化得：

其中：

α_i表示第i个随机变量对整体标准差的相对影响，称为灵敏系数，α_i完全由

确定，且有

根据结构可靠度的定义，桥梁结构可靠度的计算表达式为：

即：

其中，

表示随机变量u_i的均值，

表示随机变量u_i的方差，

表示在验算点处随机变量u_i的取值，α_i为灵敏系数，进一步得到：

设计验算点U^*还应满足：

式(1-1)代表n个方程，再加上式(1-2)共有n+1个方程，未知数

和β亦有n+1个，将随机车流加载产生的汽车荷载效应最大值S_Q以及桥梁恒载效应S_G和既有桥梁结构抗力R的概率分布带入桥梁承载能力极限状态方程，通过联立方程组即可求解桥梁当前状态下的可靠度β。

步骤八：计算汽车单轴限值与结构可靠度的函数关系

指定迭代计算次数N和轴重折减系数η(其中：

)，由步骤七中的计算方法计算桥梁结构可靠度β⁽ⁱ⁾,(i＝0,1,…,N)，若该可靠度β⁽ⁱ⁾小于规定的目标可靠度指标β₀或者计算未达到迭代次数N，则返回随机车流模型，根据汽车单轴限值L⁽ⁱ⁾＝L_max×η,(i＝0,1,…,N)，初始值L⁽⁰⁾＝L_max，L_max为随机车流中轴重的最大值，剔除随机车流中超过该限值的车辆后重新计算S_Q，并计算得到修正后的可靠度β⁽ⁱ⁾，得到汽车单轴限值与对应可靠度的关系点对(L⁽ⁱ⁾,β⁽ⁱ⁾)，(i＝0,1,…,N)，拟合两者的函数关系L＝f(β)。

步骤九：确定各个典型限载车型的限载取值

计算目标可靠度指标β₀下的汽车单轴限值L₀＝f(β₀)，设各个典型限载车型的限载取值为W_i(i＝1,2,…,n)，最大轴重分配系数分别为γ_i(i＝1,2,…,n)，根据限载取值与最大轴重分配系数的关系W_iγ_i＝L₀确定各个典型限载车型的限载取值W_i，此时各个车型的轴重都不超过单轴限值且最大轴重接近，使荷载分布更加均匀，有助于亚健康公路桥梁的安全运营。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (4)

1.一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：收集交通荷载数据

设定采样时间段并对既有桥梁的交通荷载数据进行调查统计，包括车辆数量、车头间距、车重、轴距、轴重以及轴重系数；

步骤二：对统计车型进行划分

依据《中国汽车车型手册第一版》和2014年中国工业与信息化部颁布的第85号公告《车辆生产企业及产品公告》，根据各车型出现的频数进行加权平均，然后选取与轴距和轴重系数的加权平均值最为接近的车型作为代表车型，同时结合2006年中华人民共和国交通部颁布的第486号文件《高速公路管理部门车型划分标准》，将交通荷载划分为一类-五类共计V1-V17这五大类17种车型；

步骤三：确定典型限载车型

对上述五大类17种车型进一步归类，对轴数相同的车型提炼出典型限载车型，通过计算车辆在标准车重条件下引起的最大荷载效应值

确定V1车型作为2轴车的典型限载车型、V7车型作为3轴车的典型限载车型、V12车型作为4轴车的典型限载车型、V13车型作为5轴车的典型限载车型和V17车型作为6轴车的典型限载车型；

步骤四：模拟随机车流

采用Monte-Carlo方法产生随机车流从而模拟实际的汽车荷载；

步骤五：计算桥梁目标可靠度指标β₀以及汽车荷载效应

结合既有桥梁的设计资料，根据其结构安全等级和结构或构件破坏类型，按2020年中华人民共和国交通部颁布的第28号文件《公路工程结构可靠性设计统一标准》确定桥梁目标可靠度指标β₀，建立有限元模型，计算桥梁恒载效应S_G，并进行随机车流加载，提取弯矩影响线，将随机车流加载到影响线上，模拟随机车流过桥并记录这一过程中汽车荷载效应最大值S_Q，重复随机车流生成和加载过程得到S_Q服从的概率分布类型及参数；

步骤六：确定既有桥梁结构抗力R

选取桥梁结构或重要受力构件的特征截面，检测试验得到实际技术状况下桥梁结构抗力R服从的概率分布类型及其参数；

步骤七：基于结构可靠度理论计算桥梁结构可靠度

桥梁的极限状态方程Z＝g(x₁,x₂,…,x_n)＝0,其中X＝(x₁,x₂,…,x_n)是n个服从概率分布且互相独立的随机变量，U＝(u₁,u₂,…,u_n)为X通过当量正态化后的标准正态分布随机变量，将极限状态方程Z在设计验算点U^*处进行Taylor级数展开，桥梁结构可靠度的计算表达式为：

其中，m_z表示Z的均值，σ_Z表示Z的方差，

表示随机变量u_i的均值，

表示随机变量u_i的方差，

表示在验算点处随机变量u_i的取值，α_i为灵敏系数，进一步得到：

设计验算点U^*还应满足：

将随机车流加载产生的汽车荷载效应最大值S_Q以及桥梁恒载效应S_G和既有桥梁结构抗力R的概率分布带入桥梁承载能力极限状态方程，求解桥梁当前状态下的可靠度β；

步骤八：计算汽车单轴限值与结构可靠度的函数关系

指定迭代计算次数N和轴重折减系数η，其中：

由步骤七中的计算方法计算桥梁结构可靠度β⁽ⁱ⁾，i＝0,1,...,N，若该可靠度β⁽ⁱ⁾小于规定的目标可靠度指标β₀或者计算未达到迭代次数N，则返回随机车流模型，根据汽车单轴限值L⁽ⁱ⁾＝L_max×η，i＝0,1,...,N，初始值L⁽⁰⁾＝L_max，L_max为随机车流中轴重的最大值，剔除随机车流中超过该限值的车辆后重新计算S_Q，并计算得到修正后的可靠度β⁽ⁱ⁾，得到汽车单轴限值与对应可靠度的关系点对(L⁽ⁱ⁾,β⁽ⁱ⁾)，i＝0,1,...,N，拟合两者的函数关系L＝f(β)；

步骤九：确定各个典型限载车型的限载取值

计算目标可靠度指标β₀下的汽车单轴限值L₀＝f(β₀)，设各个典型限载车型的限载取值为W_j，j＝1,2,...,n，最大轴重分配系数分别为γ_j，j＝1,2,...,n，根据限载取值与最大轴重分配系数的关系W_jγ_j＝L₀确定各个典型限载车型的限载取值W_j。

2.根据权利要求1所述的一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，其特征在于：所述步骤一中设定的采样时间段在50d以上。

3.根据权利要求1所述的一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，其特征在于：所述步骤四中采用Monte-Carlo方法产生随机车流具体步骤如下：

S1、根据交通量以及各个车型的占比，得到不同车型在一个模拟周期内的数目；

S2、生成满足车重分布的随机数，由车型确定轴距并根据轴重系数分配每一个轴重；

S3、按照车头间距的概率分布生成车辆间距的随机数；

S4、将所有轴重按照车辆间距进行随机布置，即可得到随机车流。

4.根据权利要求1所述的一种亚健康公路桥梁的汽车荷载智能限载方法，其特征在于：所述步骤五中建立有限元模型时，对于多主梁桥，选取横向分布系数最大的一根主梁，随机车流全部作用于其上。

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