文摘

公路交通负荷、速度和体积不断增加。由于其特殊的结构形式,疲劳大跨度钢管混凝土拱桥的问题变得越来越严重。研究车辆载荷谱和疲劳车辆模型的大跨度钢管混凝土拱桥,拱桥的交通数据收集使用weight-in-motion系统。车辆类型和车辆荷载的实际交通流具有很强的随机特性,不能直接应用。因此,根据测量的数据,10代表模型提出了促进车辆数据的分类和筛选。轴距,质量、轴载和过载数据代表车辆的类型进行了分析,并在不同车道车辆的轴负载分布特征进行了研究。发现车辆负载不是均匀分布在不同车道,而是集中在一个车道。此外,车辆载荷谱的疲劳评估提出了大跨度钢管混凝土拱桥。基于疲劳疲劳损伤等效原则,车辆模型和简化的疲劳车辆模型,提出了重型车辆的桥梁。与AASHTO模型的规范相比,发现当地的疲劳车辆荷载模型的重量15.1吨重比规范中给出的车辆模型。 This study could be further referenced in bridge-fatigue life prediction, management and maintenance, etc.

1。介绍

近年来,随着公路交通流量不断增加,公路桥梁的疲劳问题已经变得越来越重要。大跨度钢管混凝土的结构(钢管混凝土拱桥是复杂的,和服务环境是不合适的。一般来说,有三种主要类型的疲劳载荷谱(1- - - - - -3]:(a)重型车辆的静强度设计标准活荷载,这可能是保守的结果;(b)的频谱的频率值车辆负载,这是明显的在各代表模型,通过交通调查在日常操作(4];和(c)标准疲劳车,导出了简化车辆载荷谱获得的第二种方法(5]。

曼和诺瓦克相信车辆载荷谱作用在桥上有明显的区域特征,和车辆荷载强度更大的工业发达地区。此外,交通负荷不均匀分布在每个车道,和一些车道承担大部分的交通负载(6]。科恩等人的研究表明,车辆的极限载荷能力逐年增加,在疲劳设计规范和一些卡车模型不再适用于当前的驾驶环境(7]。Obrien et al .,基于大量weight-in-motion测量两个欧洲网站,显示交通负载特征的敏感性影响拟合过程。提出了一种半参数拟合方法,即直接使用测量直方图有足够的数据,这是可靠的和参数拟合的统计分布尾部区域有更少的数据8]。赵和Tabatabai提出了最大允许卡车模型基于weight-in-motion系统,进而基于车辆模型与最大伤害由加载5%的重型卡车交通流分析。他建议five-axle车辆应采用最大允许卡车模型在威斯康辛州(9]。Fiorillo称,通常情况下戈恩weight-in-motion系统收集分析了交通流数据的在美国的公路上,发现越来越多的超载车辆加速公路桥梁的疲劳损耗,导致维护和强化成本高(10]。莱希等人研究了17的卡车数据高速公路在美国16个州,相比的装载结果hl - 93疲劳车辆模型,并提出一个修改的车辆模型(11]。truck-overload汉等人进行了一项比较研究收集的数据不合格的疲劳车辆和动态大系统。结果表明,80%的80 - 130 t重载车辆有质量,和six-axle重载车辆重载车辆的占总数的97.86% (12]。Yongtao等人指出,中国有广袤的国土和不能直接应用欧美疲劳车模型规范。根据大量的道路和桥梁交通车辆载荷测量数据,每个省的标准疲劳车相结合,并采用一个统一的标准疲劳车模型设计(13]。局域网等人使用桥梁健康监测系统的监测数据获得,使统计数据的概率分布模型和极值分布总的车重。通过结合的疲劳载荷谱基于交通量预测模型,提供了桥梁荷载模型估计的疲劳损伤演化14]。陆等人使用一种概率模型的车辆载荷作为疲劳应力谱的基础评估桥梁的可靠性和开发疲劳极限状态函数,考虑交通生长因子和车重。钢桥是作为一个例子来说明的可行性提出了随机疲劳车辆荷载模型(15]。然而,由于中国地域辽阔、车辆荷载谱在不同地区不同;因此,很难提出一个统一的钢桥疲劳载荷模型。此外,由于区域交通组织问题和城市规划,一些桥梁携带重型卡车交通和超载车辆比例很高,因此形成一个车辆载荷谱型这是明显不同于该代码。张等人使用交通流由程序生成的数据,建立了疲劳车辆模型来分析车辆载荷对疲劳寿命的影响拱桥吊杆的中国西南部[16]。陈等人研究了各种车辆的交通流参数基于疲劳数据获得的长期结构健康监测系统组合拱桥。代表车辆类型和车辆特征数据确定。最后,各种起重机的疲劳性能分析(17]。太阳等人发现,重复动作的车辆荷载的疲劳失效的主要类型拱桥的背带。通过24小时交通流量调查,建立了交通载荷谱,疲劳可靠性分析模型提出了基于累积损伤模型(18]。钢管混凝土拱桥上的交通负载可能导致过早的吊裤带的裂缝和其他组件,这将影响服务状态和桥的耐久性(19,20.]。实际车辆荷载在高速公路上经常超过设计荷载,这不仅会导致不可逆转的损害,桥组件也威胁着公路和桥梁安全操作。由于在不同的地方不同的操作环境,桥梁在不同车道的负载水平,甚至在同一行,是不一样的(21]。

研究疲劳车辆荷载模型适应当地的路况,基于车辆负载从动态称重系统获得数据,进行统计分析在桥上的车辆实际观察,分类和总结了不同车辆荷载类型,获得疲劳车辆模型符合当地的驾驶环境。因此,重视开发车辆载荷谱和疲劳载荷模型对大跨度钢管混凝土拱桥提高公路桥梁和车辆载荷谱疲劳载荷模型用于补充背带和其他组件的疲劳设计和评价大跨度钢管混凝土拱桥。

2。车辆动态承载系统的统计数据

动态称重系统是位于Beisheng桥在阳泉,山西。桥的整体外观如图1。大跨度悬挂物拱桥是一种通过钢管混凝土拱桥跨越深沟在山区主要跨度为260米。车道梁是7.5 + 3×9 + 9.85 + 8.15 + 19×9 + 8.15 + 9.85 + 3×9 + 7.5米钢筋混凝土π形梁。的高程设计这座桥是描绘在图2。整个桥采用简单的支持,然后连续施工技术。桥道的布局图所示3,管理和维护单位在这方面建立了一个动态称重系统记录驾驶车道车辆的数量,车辆速度、车辆质量、轴负荷、轴数、轴距等参数。这些基本的数据可以提供桥的疲劳评估的一个重要基础,可以用来估计使用寿命的桥吊裤带(22]。

在这项研究中,驱动加载数据记录的1^圣到30^th2019年9月。记录的数据显示,每日平均数量的车辆穿过这座桥是11394年,如图4。驾驶的车辆数据根据轴的数量进行分类,如图5。据统计在图中,两轴汽车占最大比例的过往的车辆,平均每天4260辆汽车,车辆负载变化很大。货运汽车的每日平均数量与不同的轴数字显示了不同的特征。大约有两辆车与七轴以上,每天还有其他专用车辆通过。桥上的交通频率非常小,这样的车辆不满载能力。因此,这种汽车桥造成的损害可以忽略。三个代表天选择图6根据交通量的分时统计数据,从图可以观察到,在8:00点。后,交通量急剧增加,而6:00点。交通量开始稳定;因此,更要注意后期的桥梁养护管理。

动态称重系统是用于获得日常驾驶数量、车辆总质量,轴距,和相应轴负载到24类型的车辆,如表中列出1,在那里D_我的平均值我th轴距的目标车辆,σ相对应的标准偏差吗我th目标车的轴距,G和代表车辆的总重量和标准偏差的目标模型,分别。在这项研究中,计算车辆分为代表模型V1 -V11根据他们的轴距,如表所示2,在那里一个是k -目标车辆的等效轴重。从表可以看出1轴距变化不大,个人汽车的轴距的最大标准偏差,如5-axle类型III车辆,达到3.7米。然而,由于发生的低频,样本的总体影响是有限的,和他们可以分为相似的车辆轴距比。相比之下,轴距,车辆总质量的变化比较大。车辆的平均车辆质量与三个或更多轴较大,和每日交通量达到9320。可以看出,卡车大交通量和交通比例高,这表明运费负载由这座桥是沉重的负担。

3所示。参数分析的车辆载荷谱

力量和加载频率的主要参数是车辆载荷谱。在疲劳载荷谱的研究,不够全面,只考虑车辆的总重量外加负载;结构的响应特性车辆负载时还应该考虑(23]。长轴距卡车经过一座桥时,负载传播繁荣可能有多个压力周期。研究了疲劳载荷模型更全面,有必要完善车辆负载参数根据轴负载和轴距。此外,驱动负载的车道分布应考虑为特定的桥梁(24]。

3.1。轴距、轴数

代表部门的车辆类型,轴距是一个重要的特征参数的车辆载荷谱。每个代表车型的轴距的加权平均作为车辆轴距相同分类代表车辆类型,计算如下: 在哪里l_我是计算我th代表汽车的轴距,l_ij是我th的轴距jth汽车分类在同样代表车辆类型,和N是这种类型的车辆总数的代表。

从表1和2,可以看出,普通车辆的质量V1模型小于3 t,日均超过2521 veh车辆的占总数的21.4%。因此,这个汽车模型被认为不会导致bridge-fatigue损伤和可以被忽视的疲劳载荷谱(6]。每日平均交通量V2,V三轴汽车是阿明费2075元。每日平均交通量V4和V5三轴汽车是1742。每日平均交通量V6和V7四轴的汽车是1181。的日均交通量V8和V9 five-axle汽车是648。因为的日均交通量V9模型相对较小,因为这些模型在中国代表,他们分为一类。six-axle汽车的日均交通量,即V10,V11日是1531。如果轴距约1.3米,前后被认为是邻边。三轴被定义为两轴(如后两轴四轴的车),和三轴前后相邻的轴距约1.3米被定义为三轴(如V8和后方的三个轴six-axle车),这样类型的轴组可分为单,双,三轴。

3.2。汽车的质量

实际的车辆质量可以直接反映负载强度和桥吊裤带的疲劳评估的一个重要参数(25]。根据疲劳损伤等效原则,相当于汽车质量给出 在哪里W相当于汽车的质量代表模型中,f_j的相对频率吗jth属于代表汽车模型,即频率的值jth汽车在这个模型中,所有统计车辆W_j车辆的质量吗jth代表的汽车模型。

当计算的等效质量和等效轴负载统计车辆,车辆的数据质量的不到3 t被排除在外(6]。图7显示汽车的总质量往往会随着数量的增加而增加的车辆轮轴。最低相当于汽车的质量V2模型7.7 t,最大等效车辆的质量V10模型64.5 t。的V9模型只有24 veh但相当于车辆质量达到63.1 t。因此,的影响V9模型在桥上是不容忽视的。从统计图中,我们可以看到V2模型呈现出单峰偏态分布,和其他类型的车辆现在multipeak分布。的V3 -V11模型主要是卡车,汽车的总质量是受他们的货物质量的影响,经常出现超载。因此,将会有许多山峰附近正常负载和超载车辆的负载范围(表3)。

3.3。轴负载

应力幅值的循环次数与车轮轴的数量。因此,一辆卡车与一个长轴距可能生成多个压力振幅在旅行。的我th某些类型的车辆的等效轴重是定义在[26](车辆荷载调查和当地公路桥梁的疲劳分析) 在哪里一个_ij是我th的轴负载jth代表的汽车模型。

图8显示了轴载荷分布和相应的等效轴重的车辆类型。在《AASHTO LRFD规范》(27),标准疲劳车规定前轴的轴负载为2.6 t,单轴轴的中间和后面双轴都是5.4吨。在统计,大多数模型的等效轴重太大,和第二轴的轴负载V9模型17.4 t,这是最大的单轴轴负载统计模型。等效轴的重量V3后桥达到14.7吨,这表明《中定义的标准疲劳轴荷AASHTO LRFD》不适用。通过分析的分布特征,可以推断,每辆车的轴负载分布类似于相应的车辆,质量分布和两轴的轴负载车辆呈现单峰分布。为V3 -V11模型,除了单峰分布载荷的前轴,multipeak分布的轴负载后桥是常见的。的和每个车型的等效轴重和等效质量是一致的,以及它们之间的区别是保持在1 t。相当于每个轴车辆质量可以分布比例根据车辆类型的分配比轴负载获得等效轴负载。

3.4。分布在车道车辆类型

一般来说,车辆的车道桥面上的不均,这可能会导致疲劳载荷的集中地区。因此,有必要研究车辆载荷谱的分布特征以及桥的横向方向。车辆的行驶车道的位置桥如表所示4,左栏中的数字的比例总交通流车辆类型。在正确的数量列是车辆类型的总数的比例相同类型的车辆。一般来说,V2 -V11模型占总交通流量的81.5%。尽管的数量V2辆很大,他们对疲劳损伤的贡献可以忽略不计由于小型车辆质量。虽然V3是一个两轴车,对bridge-fatigue负载的影响不容忽视,因为重要的过载和巨大的身体质量。

3.5。轴再分配的车道

在不同位置的分布汽车过桥的结果在不同的动态负载对桥梁结构的影响。通过统计分析交通流的横向位置的分布规律,可以更准确地模拟交通流,从而获得一个桥梁结构的分析计算更接近实际情况。图9显示每个车道的轴负载分配根据车辆载荷谱。车辆在车道运行2和3主要是两轴汽车;因此,相当于轴负载很小。通道1和4中的交通量是相当大的,和车道方向相同的负载不平衡很重要,这是极其不利的钢管混凝土拱桥的疲劳性能,尤其是拱桥的背带。

4所示。疲劳的汽车模型

4.1。标准疲劳车模型

基于疲劳损伤等效原则,代表车辆模型,对bridge-fatigue影响最大的加载可以通过车辆载荷谱,并提出的疲劳车辆模型可以以这个汽车模型为原型。被定义为疲劳加载的贡献 在哪里C_k有助于代表车辆类型的疲劳载荷K,r_k的频率代表车辆交通流,W_k是代表车型的等效质量K,N代表了车辆类型。

表5介绍了疲劳贡献中每个代表车辆的车辆载荷谱。从表中,可以观察到车辆和车辆类型的数量几乎没有影响疲劳载荷的贡献,贡献和影响疲劳载荷的主要因素是车辆的质量。V2交通频率占总访问量的9.35%,但由于相当于车辆质量的车辆为10.3 t,它对疲劳载荷的贡献仅为0.14%。的交通量V3的两轴卡车=V2,但等效质量V3达到22.2 t,疲劳的贡献率达到1.95%,这表明两轴卡车bridge-fatigue负荷的贡献不容忽视。三轴汽车的装载贡献(V4和V5)是0.67%和3.17%,四轴的汽车的装载贡献(V6和V7)是5.87%和15.40%,five-axle汽车的装载贡献(V8和V9)分别为10.73%和1.04%,。的疲劳载荷的贡献V10模型是49.46%,这是最大的在所有的模型。的疲劳载荷的贡献V11模型是11.56%。根据车辆载荷谱和疲劳贡献,V10模型最大的疲劳贡献可以用作原型车辆的疲劳车辆。随后,根据负载的特征V10模型,疲劳车辆模型和简化的疲劳车辆模型可以推导出适用于这座桥。

背带和其他桥组件的负载效应研究的拱桥将取决于车辆疲劳模型。促进疲劳车辆的应用模型,除了第一轴的轴负载,其他车辆的车轴的轴负载模型是均匀分布的,如图10。这种简化方法带来了在实际应用中非常小的错误。为了有一个更好的比较,图11显示了标准疲劳车模型定义为《AASHTO LRFD》。推荐的疲劳可以转化为一个简化的车辆模型使用治疗疲劳车辆模型类似于《AASHTO LRFD规范》。邻近的原型车轮轴合并成一个轴,和合并后的轴的中心线位于前面的相邻轴作为方法来简化模型。

通过比较数据12和13可以看出,尽管标准疲劳车的单轴轴负载模型本文提出接近《AASHTO LRFD》,后桥的疲劳车辆提出了一种三轴,和简化的疲劳车辆模型获得的后轴负荷为18.25 t,这是明显高于简化疲劳车辆后轴负荷的10.8 t AASHTO LRFD。此外,疲劳车辆质量建议在本文34.3 t,也明显大于24.2 t的疲劳车辆质量推荐AASHTO LRFD。

4.2。疲劳重型车辆模型的车道

AASHTO LRFD表明一个车道的卡车日均交通量应该用于疲劳设计。短的拱桥背带更严重受到车辆荷载的影响。根据之前的统计分析,卡车桥甲板上的分布是不均匀的,和71.6%的卡车背带附近分布,特别是在4号车道。评估的疲劳性能的作用下吊裤带重型车辆更合理,需要推导出标准疲劳车和简化疲劳车辆模型对应巷附近车辆的悬挂物根据上述数据质量和轴载荷分布在车道上。

图14显示推荐的疲劳卡车模型。相比于单向标准疲劳疲劳和简化的车辆模型派生,重型巷的标准疲劳车模型和简化的疲劳车辆模型推导出本文轴距分布相同,但所有轴负载增加,和疲劳车辆质量增加了37.7吨,大约是10%比单向标准疲劳车质量提出,大约1.6倍AASHTO LRFD标准疲劳车质量。这是一个进一步的迹象表明,高速公路交通量大的卡车,高比例的卡车,重要的过载。

5。结论

摘要车辆负载大跨度钢管混凝土拱桥的计算和统计系统数据基于赢。车辆类型、轴负载、轴距和载荷分布考虑,和车辆载荷谱和车辆模型按照国家真正的本地车辆流量是通过分析和计算,并与《AASHTO LRFD规范》。主要结论如下:(1)车辆的疲劳载荷谱可以分为10代表模型。汽车沿着车道分布和轴负载分布给出了基于相应的轴距,车辆质量、轴负载,和过载数据和基础V10模型确定了车辆与疲劳载荷最大的贡献率。(2)货车通过钢管混凝土拱桥有一个大的负载,并在总货运汽车交通流量的比例比较大。货运汽车的总质量和轴负载明显超载,和吊裤带巷附近的负载集中。通道1和4占70%的车辆。(3)《AASHTO LRFD》定义了一辆卡车,导致疲劳损伤桥梁的车辆超过两轴。因为超载的重量和轴负载两轴汽车可能相对较大,两轴卡车在疲劳载荷的影响不容忽视。(4)普通的疲劳车辆模型和相应的简化模型和重型车辆与车辆质量的34.3 t和37.7 t,分别提出了。常见的疲劳的汽车模型比疲劳车重10.1吨模型建议AASHTO规范中。(5)大跨度钢管混凝土拱桥的疲劳车辆模型提出了一个特定的地区,导致一定的限制模型的应用范围。

数据可用性

所需的原始/处理数据复制这些发现也不能在这个时候作为数据共享一个正在进行的研究的一部分。

的利益冲突

作者宣称他们没有任何商业或关联利益代表的利益冲突与提交的工作。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金(批准号51678459和51678459)和山西的技术项目交通控股集团有限公司,有限公司(批准号19-JKKJ-8)。