文摘

公路大桥额定载荷自发行以来一直朝着结构可靠性AASHTO LRFR规范;然而,推荐的负载因素是由几个可靠的卡车数据。本研究的目的是校准的活载因素AASHTO LRFR评级规范通过使用大量的WIM在加州十多年收集的数据在2001和2013之间。以来交通卷,车辆超载和交通组件是高度相关的负载效应诱导,一套校准方程提出了这里,在名义使用标准荷载效应模型和考虑加载不同的需求。排的卡车的分析模型的外推法在短时间内聚集WIM数据到远程在较长时期,未来预期的最大活载效应评级段5年也获得。然后,活载系数校准编纂的产品价值乘以名义标准之间的比例负载效应和预期的平均值。结果表明,这两个比率的产品出现,而不变,这意味着该方法和负载配置选择是有效的。最后,1.0和0.7的活载因素随着负载配置是推荐一个简单的跨度小于300英尺。推荐的标定方法和活载因素将消除不必要的逆向约束评级规范。

1。介绍

公路桥梁设计和额定载荷在美国一直朝着结构可靠性实践由LRFD里程碑(负载和阻力系数设计)桥梁设计规范的美国州国家公路运输官员协会(AASHTO)在1994年。在过去的二十年里,这个运动的努力一直在稳步增长,包括不断开发新的LRFD规定和改善现有的规定,发展中负载和阻力系数评级(LRFR)规范。AASHTO手册的发行条件和负载电阻因素等级的公路桥梁,这个国家已经进入耳朵的LRFR桥梁评级。

的努力实施新LRFR规格,负载因素校准通过几个砂浆材料的研究项目,368年生产砂浆材料报告(1454年,砂浆材料报告(2],和砂浆材料报告20-7/186 [3]。然而,当进行研究,有一些可靠的卡车数据可用。因此,卡车调查收集的静态重量数据被用于这些研究遵守一些假设,如平均每日卡车交通(ADTT),进展之间的距离卡车,卡车的多个因素(强积金)存在桥跨和卡车的重量之间的相关性在相邻车道,等等。

如今,大量的可靠的卡车已经系统地收集数据通过动态称重(WIM)系统。利用这种新技术,一些国家交通部如密歇根州立交通部(MDOT)精炼他们的活载的因素,并提出了一个调整因素增加活载占重型卡车交通在大城市4]。也得出结论,卡车负载可能变化很大从州和桥桥,由于不同的位置,交通卷,和经营状况,从而为公路桥梁结构在不同的风险水平。类似地,比较研究支持的纽约州交通部(NYDOT)是由戈恩et al .,活载的因素校准基于活载模型使用WIM开发收集的数据从几个代表纽约网站(5]。在俄勒冈州,卡车WIM数据也被用于开发具体由各州完成LRFR活负载因素,使用相同的统计方法和因素校准使用的原始发展LRFR [6]。最近,埃蒙等人进行了可靠性校准的活载因素桥设计特定于密西根州和密歇根州发现负载效果比之前更大,要求更高的负载因素比当前使用(7];拉希德等人实施了上层建筑的公路桥梁结构可靠性分析中巴经济走廊8];Oudah等人校准桥梁活载因素系统输送极重型矿山卡车(9];Anitori等人提出了一个WIM-based活载高级分析模型简单支撑短期和medium-span公路桥梁(10],Siavashi和埃蒙发达交通桥梁活载模型上层建筑评级(11]。此外,一些一直努力提高负载效应预测的准确性需要长时间的设计和评级12- - - - - -17]。这些作品可以被认为是本研究的先兆。尽管有价值的,因为数据可用性的限制,有些问题还需要澄清。例如,没有显式地并排卡车配置研究;少量的WIM网站;一个小的桥梁;和其他近似转换WIM数据加载效果,尤其是在短期WIM的投影数据长时间(即。,设计使用寿命或评估阶段)。

这个工作团队一直在努力收集WIM数据在美国和在中国,和收集的数据从加州十多年发现在2001年和2013年之间有一个时间戳到0.01 s,可用的时间戳最高分辨率WIM数据。本研究的目的是校准的活载因素AASHTO LRFR评级规范使用这些大量的数据。注意,454年砂浆材料报告提出了一个通用的计算方法具体活负载因素,这是与在LRFR手册(18,19]。因此决定使用相同的近似校正的概念在这项研究中,指定的方程29 454年砂浆材料报告: 在哪里 是兴趣和活载因素 是参考活负载因素已经在实践中设计活载等因素或评级活载的因素。活载的因素 在这里表示这项研究发现活负载因素作为参考 乘以一个校正系数,比预期的最大负载效应之间的利益和预期的活载效应的参考案例。请注意,为了简单起见,负荷的总重量是用来代替负载效应在方程(如上所述1在454年砂浆)。它也出现在方程(1)的可靠性指标β对于评估不显式地参与校准但含蓄地提到。

因为目标可靠性指标β0一直在嵌入式结构设计/评估规范,本研究试图解决上面提到的问题,考虑到负荷模型配置反映在负载的额定荷载效应模型中指定AASHTO LRFD,完全填补相同概念的可靠性和实现可靠性相对校准;因此,方程(1)可以修改如下:

方程(2)代表完整的概念实际使用454年LRFR校准报告砂浆材料报告,并明确表明它是活载的产品因素和名义标准荷载效应(如HL93、法律工具),被校准,不只有一个单独的两个。换句话说,可以使用许多不同的组合两个达到相同的结构可靠性水平的产品只要两个保持不变。因此,是否规定负载配置可能会达到一个目标需要检查安全要求以及相关的活载的因素。事实上,调整负荷系数和不加载配置更为方便实用。提出检查方程的实现,用户更有可能喜欢一个新的活负载因素在一个新的卡车配置,因为一个新的活负载因素更容易实现。因此,本研究选择了固定负载配置根据实际实现考虑然后校准活载的因素。

2。WIM数据处理

大致比较和分析后,记录收集的70个网站在加州在2001年和2013年之间是首先选择这个研究覆盖尽可能多的桥梁类型和桥梁有不同数量的车道在一个方向上。感兴趣的情况下,交通量和卡车的重量是高度关注,因为平均每日卡车交通(ADTT),车辆总重量(总)和轴负载(AL)是主要的变量,确定桥梁主梁活载的影响,有必要了解这些随机的分布参数增加对可靠性分析的信心。

具体来说,ADTT的直方图,以上,艾尔每年为每个网站策划,了解他们的特点和分布。根据这三个参数,即如果ADTT的大小,总,和网站的AL非凡的在过去的十二年,指示一个稳定和可靠的交通状况,那么它可能是一个代表站点,用于接下来的分析,考虑到现实ADTT通常对应于一个多种类型的卡车,和总基地直接相关诱导桥梁活载效应。处理如图的概述1。


图1
记录数据的过程的概述。

因此,选择15个网站。其中,9网站有三个车道和其他人在一个方向上有两个车道。ADTTs范围从5218年到12816年重交通量和777到2560网站。分析前的数据进行擦洗,通常不到4%的记录数据明显不一致时被淘汰。前5的计算结果选择表中列出的网站1作为一个典型的例子,2011年的年度WIM数据集使用的时刻和剪力都是30英尺张成的空间。因为有太多的年、网站和跨度的长度在这项研究中,使用更多的细节不方便被列在这里。

表1
前5的计算结果选择网站作为一个例子。

3所示。荷载效应分析基于马尔可夫链的随机过程

先前的研究[20.)指出,马尔可夫链随机理论是一个理想的数学模型来模拟卡车在桥上旅行的过程。涵盖所有卡车定位同时跨越,一个排的卡车被视为一个基本分析单元,如图2,一座桥的结构响应系统受到移动排的卡车所描述的是一个影响线;这中间的一排称为主要卡车(T米)以后的诱导影响线最大负载效应,然后其他的卡车排在跨度根据他们的距离主要的卡车。如果卡车到达遵循一个马尔可夫链的过程,所代表的桥作为一个过滤器的弯矩影响线在一个给定的位置,时刻响应E(t)是一个过滤马尔可夫过程。如果l是一座桥的影响线表示结构,响应时间t在大桥上的点由于卡车n是 在这t- - - - - -Tn描述了卡车的位置n关于时间t,主要的卡车被测量的响应。这个卡车位置计算的速度和时差的到来主要卡车。Xn描述了占用车道,将用我。这个词我可以取任何值1、2、3、……这取决于可用的通道数量。桥上的总反应由于一个卡车事件(排)之间的一个参考T米=0(主要卡车的到来t的时间响应是由测量)


图2
插图中跨计算荷载效应的时刻。

值得注意的是,如果在任何时候一辆卡车离开了桥跨,然后影响线函数自动分配一个值为零E(t)。因为新一排卡车的到来是在前一个条件,每一排的卡车可以通过检查研究相应的到来前一个。另外,卡车的数量排(表示N)可以改变,N= 21在这项研究中,这是足以涵盖所有卡车同时继续跨度小于300英尺,和之间的纵向间距N卡车可以使用时间戳和速度记录在WIM数据。这些卡车的横向分布的跨度也记录在WIM数据作为车道被每个卡车。

用方程表示(4),然后添加到个人贡献从每个卡车的主要卡车发现的总负载效应,排的卡车。注意,这些卡车的载荷的叠加效应需要考虑效应在两个垂直的方向。交通方向的一个是,另一横的方向,这将涉及到横向荷载分布到感兴趣的桥组件。因此,总负载效应考虑横向叠加的卡车在不同车道建模如下: 在哪里E我- - - - - -总=总负荷的影响我加载事件(即。,我th排卡车)的WIM数据;E我1来E伊尔卡车在车道1 =负载的影响l分别到所有可用的通道;DF1dfl横向分布因素在车道1 -分发负载l集中桥接组件。基于现有研究成果的回顾各种公路大桥的类型和跨度的长度(21- - - - - -23)以及以前的工作由第一作者(24),横向分布的因素0.45,0.15,0用于双车道,三车道,分别和四个或更多通道情况。为例,计算时间和剪切机的五大网站中可以看到表1。

另一方面,WIM数据通常在很短的时间内聚集,与时间间隔由桥梁评估和设计规范(通常从几年到几十年或者一个世纪),它是不可能收集WIM这么长时间跨度的数据,这样的投影测量数据到远程的未来长时期需要评估结构可靠性保证的规范和发展中至关重要的代码要求感兴趣。

过程由傅et al。24)和富(25这里使用]获得荷载效应的统计评估时间。基于我分布的极端,它使用短期最大值分布来获得长期的最大值分布如下: 在哪里μ和σ=平均值和标准偏差(SD)的最大负载效应对时间段的数量由下标表示。下标米和1代表米长期时间和对应一个周期,分别。需要有大量的WIM数据集短期时间内执行统计估计的意思μ1和SDσ1。换句话说,一年的WIM数据可以分成12个月的数据为12月最大负载效应,然后可以用来估计μ1和σ1。因此,它们可以用于方程(6)和(7)找到长期的最大负载效应的意思μ米和SDσ米。这种外推方法的精度和效率已经验证通过“长期”WIM收集的数据(例如,使用年度数据,检查每日/每月数据集的投影),和更多的细节在刘26,27]。

4所示。校准LRFR活载的因素

本部分中有一个重点推导bridge-structural-reliability-based公路桥梁的车辆配置和负载相关因素与不同加载水平。具体来说,四个装货要求被认为是在这里,组成的案例(一):光不乘坐超载车辆桥梁交通状况;案例(b):交通拥挤有许多重载卡车桥横跨频繁移动;案例(c):中有几个重载卡车偶尔经过,和案例(d):交通的最后一个组件是未知的。在所有情况下,考虑到超载车辆作为一个特定类以及它们的体积(或频率),被许多国家符合所需的许可检查(28,29日]。校准现场负荷系数为每个负载条件下,方程(2)然后明确书面与名义标准负载模型方程(8)- (11)为例(a) - (d),分别。 在这米代表名义标准荷载效应和下标表示标准的卡车模型固定;E代表预期的最大活载效应,下标代表所涉及的参考案例。具体地说, =名义AASHTO标准荷载效应法律加载; =名义标准5-axle CA允许负载的负载效应; =名义标准CA允许加载负载效应; =期望最大活载效应5-axle CA允许加载; =期望最大活载效应联邦法律加载; =期望最大活载效应CA允许加载; =预期最大活载效应。

与方程(2),方程(8)- (11)包括加州允许负荷的负荷情况的兴趣和卡车负载流量遵守联邦法律要求的参考案例。注意,活载的因素 在方程(8)- (11活载)表示为参考因素 乘以两个比率,可以视为修正因素。除了名义价值比,另一个是预期值的比值的利益的情况下(卡车交通包括加州允许加载)和参考的情况下(卡车交通遵守联邦法律负载要求)。例如,前负荷方程(8)建模使用WIM数据不包括这些车辆的负载效应超过了5-axle CA允许卡车,而后者也建模使用上面WIM数据但不包括那些联邦大桥公式。类似的统治者是应用于其他三个方程。所有预期的最大活载效应获得使用前一节中给出的方法。,基本的期限为一年。总共13年的WIM数据被用来提取13年最大值,根据投影被执行时,使用N= 13×5 = 65 5年段。此外,对于现实建模估算预期值10%和20%余量分别给出当排除那些卡车超过上限。整个标定过程证明了下面的流程图(图3)。


图3
校准过程的流程图。

基于这一概念,数字4- - - - - -6显示两个预期值的比率的两个卡车交通负荷方程(8),0%,10%和20%分别津贴。他们绘制功能的跨度,剪切,剪切,分别。由于空间限制,仅显示结果从一个站点。


图4
在方程(平均值比8)网站002津贴(0%)。

图5
在方程(平均值比8)网站002津贴(10%)。

图6
在方程(平均值比8)网站002津贴(20%)。

当预期的比率图最大负载的影响4乘以额定荷载效应之间的比率AASHTO法律需要加载和5-axle CA允许卡车在方程(8如图),由此产生的产品7也是函数的简单跨度剪中跨时间和支持。这是如图7这两个比率的乘积在跨度似乎相当稳定。据统计,预期的最大负载效应的标准差比率是0.23 - -0.12,这些产品的两个比率降低到0.11 - -0.06。这表明AASHTO合法的负载和CA允许卡车负载配置提出了评级可以达到合理统一的可靠性在这里使用的跨度范围。这被认为是真正的对中跨的时刻和支持剪。


图7
期望值比乘以额定荷载效应比在方程(8)网站002津贴(0%)。

数据8和9显示对应的结果分别为10%和20%的津贴,从这也可以看出,这两个比率的产品出现,而不变,这意味着该方法和负载配置选择是有效的。注意,桥梁跨度小于300英尺可以被定义为中短期跨类别,实施和实用方便,每个跨度的计算比选择这里可以作为一个平均,因为这些比率似乎相对恒定和适用于中短期桥梁。同样,中跨时间的比率和支持剪切机以及不同的平均津贴也可以提出一个比率作为方程的最终产品(8)的情况下(a)。因此,002年网站获得值为0.35。由于有限的空间,其他14个站点的校准过程这里不重复,但结果显示在表中1。然后进行同样的校准过程方程(9)(11),分别与上述不同的额定荷载效应;他们的结果如表所示2- - - - - -4。应该说,方程(8)- (11)近似忽略恒载效应的影响,这可能成为重大跨度很长。接下来,用最后的值在表中2- - - - - -5方程(8)- (11)结果所需的活载的因素 0.59,0.91,0.60和0.66,分别 = 1.3被操作的活载因素在LRFR评级。是相当保守的,0.7和1.0的值是实践的建议。


图8
期望值比乘以额定荷载效应比在方程(8)网站002津贴(10%)。

图9
期望值比乘以额定荷载效应比在方程(8)网站002津贴(20%)。
表2
率方程(8)和15个网站。
表3
率方程(9)和15个网站。
表4
率方程(10)和15个网站。
表5
率方程(11)和15个网站。

总结建议派生在本节中,以下活负载因素随着负载配置建议跨度小于300英尺。(1)评级光交通网站不乘坐超载车辆桥梁,使用5-axle CA允许卡车作为负载配置和活载系数为0.70(2)评级与重载卡车移动交通拥挤桥跨度(经常,偶尔),使用CA的集合允许卡车和活载系数为1.0(3)评级桥梁交通一个未知的情况下,使用相同的CA允许集卡车(2)是相当保守的,建议和活载系数为0.7

显然,活载因素相关的推荐都小于1.3,这是参考活载的因素 在方程(8)(11)。事实表明,AASHTO列车负载overconservative或不必要的。此外,交通状况会明显影响桥梁评级,尤其是桥梁有中短期广度和加载的不同需求。因此,最好使用不同的活载因素来反映现实,减少不必要的成本。

5。结论

在目前的研究中,结构可靠性活负载因素已经由货车荷载效应统计排的卡车使用分析模型和外推方法,采取一些时间最大值。然后,活载因素建议及其近似负荷配置评级中短期桥跨度小于300英尺,有或没有超载的汽车旅行。推荐的标定方法和活载因素将消除不必要的逆向约束评级规范。此外,额定负载模型推荐作为负载配置,现场负荷系数为0.7和1.0,分别。应该注意的是,所有WIM数据收集来自加州的研究和结论本文关注简支桥梁跨度小于300英尺,并进一步调查需要更多的桥梁类型和在加州以外的其他网站。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项研究是由美国国家科学基金会资助的中国(批准号51708069和51708069),重庆市自然科学基金(cstcstc2018jcyjA2535),青海省和科技项目(2017 - sf - 139)。作者非常感谢它。