公路桥梁车辆荷载相关问题研究

公路桥梁车辆荷载相关问题研究

李晓明

李晓明（陆河县交通测绘队广东汕尾516700）

中图分类号：U441+.2文献标识码：A

摘要：本文首先分析了影响车辆荷载因素，然后针对不同地区车辆荷载进行了统计分析，得出了不同地区车辆荷载的概率模型，并对车辆荷载进行了蒙特卡洛模拟。结果表明，本文中的概率模型可以较好的模拟实测数据。

关键词：公路桥梁车辆荷载概率模型

一、概述

作为公路桥梁基本可变荷载之一，车辆荷载在各种荷载组合中占有很重要的地位。为了准确确定车辆荷载的分布类型和统计参数，需要大量的资料和实测数据，但是，车辆荷载是变异性很大的随机变量，其大小因时间、地区的差异而显著不同。与风、洪水、地震等自然作用相比，车辆荷载是一种更社会性和人为性的作用，具体而言，汽车工业的发展和对待超载的政策法规是影响车辆荷载的两个关键要素。

二、公路桥梁车辆荷载概率模型的影响因素

(一)汽车工业

2004年4月1日，国家发布了汽车生产的强制性国家标准《道路车辆外廓尺寸、轴荷及质量限值》(GB1589-2004)，自2004年10月1日起实施。标准对在道路上使用的汽车(最大设计总质量超过26000kg的汽车起重机除外)、挂车及汽车列车的外廓尺寸、轴荷及质量限值做出了详细的具体规定。标准规定汽车及挂车单轴的最大允许轴荷为:每侧单轮胎的挂车及二轴货车为6000kg，每侧双轮胎的为10000kg;每侧单轮胎的客车、半挂牵引车及三轴以上(含三轴)货车为7000吨，每侧双轮胎的为l0000kg~11500kg。

（二）政策法规

随着我国经济的飞速发展，对煤炭、矿产等重载运输的需求急剧增加，各地超载车辆大量出现。桥梁的超载一方面可能引发结构破坏事故，尤其对于中小跨径的桥梁，由于其活载效应在总荷载效应中的比重较大，重载车辆往往会对其产生严重的损害甚至垮塌。另一方面，由于重载造成的桥梁内部损伤不能恢复，将使得桥梁在正常荷载作用下的工作状态发生变化，从而可能危害桥梁的安全性和耐久性。

三、车辆荷载效应标准值

为了适应不同极限状态下的设计要求，公路桥梁车辆荷载效应采用标准值、频遇值和准永久值作为代表值。标准值适用于承载能力极限状态设计，是荷载效应的基本代表值。频遇值和准永久之用于正常使用极限状态设计，前者为按短期效应组合采用的代表值;后者则是按长期效应组合采用的代表值。这里需要说明的是，由于本章效应的计算采用的是非治超地区的车辆荷载调查数据，所以，本章的结论只适用于非治超地区的车辆荷载效应分析。

根据《工程结构可靠性设计统一标准》（GB50153-2008）的规定，车辆荷载效应的标准值由设计基准期内最大值分布的某一分位值确定。由前面的概率分布函数知，一般运行状态和密集运行状态的剪力效应均不起控制作用，这与桥梁设计的一般情况吻合，因此，荷载效应标准值的取值以弯矩效应的概率分布为基础。

四、车辆荷载的蒙特卡洛模拟

确定了车辆荷载的概率密度函数后，即可对其进行随机模拟，车辆荷载的出现本身可以看做是一个随机实验问题，在得到其概率特性后，就可以按照需求产生足够多的样本，从而可以更为准确的反映实际运行的车辆荷载。随机变量抽样最常用的方法就是蒙特卡洛方法，基本原理就是根据随机变量的概率特性，产生其随机样本的过程，当产生的样本足够多时，这些样本值统计上应符合用来抽样的随机变量的概率特性。一般情况下，产生随机变量的样本主要有两个过程:随机数的产生和随机变量的抽样。

（一）随机数的产生

随机数是随机模拟的基础，因此产生随机数的方法一直是随机模拟理论研究的一项重要内容。曾经使用过的随机数产生方法包括三种，即随机数表法、物理方法和计算机方法。随机数表法是将通过某种方法产生的随机数纪录于磁盘中，使用时输入计算机即可。物理方法是通过在计算机上安装一台物理随机数发生器，把具有随机性质的物理过程变换为随机数。目前这两种方法也不再采用。

通过计算机来产生随机数是目前应用最广泛的方法，这种方法产生随机数的速度快。用计算机产生随机数，是根据数论方法通过数学递推公式运算来实现的。

（二）随机变量的抽样

随机变量的抽样主要分为连续性随机变量抽样和离散型随机变量抽样，在结构工程中，大部分随机变量是连续的，如永久荷载、可变荷载、结构抗力等，车辆荷载同样属于这一范畴，所以这里只介绍连续型随机变量抽样的两种常用的方法:反函数法和舍选法。

（三）车辆荷载象特卡洛模拟实例

车辆荷载为一类连续型随机变量，但是这里其概率分布函数的反函数不易求得，所以抽样方法采用舍选法。对于随机数的产生，这里采用计算机方法中的乘同余法产生均匀分布的随机数。

本节以广东省的车辆荷载为例说明蒙特卡洛模拟的基本过程。由于广东省的概率密度函数为分段函数，抽样过程不同于一般的抽样。

按照上述过程本节以广东四个测点的车辆荷载为例进行随机抽样，某大桥三车道、某高速公路一车道、某国道五车道和某道路一车道的抽样次数分别为33万次、40万次、88万次和60万次。

抽样一定次数后，抽取的样本与实测数据非常接近，即可用蒙特卡洛方法较为准确的模拟实测车辆荷载，研究时可以根据需要生成任意多的车辆荷载样本。

参考文献：

[1]河南省交通规划勘察设计院.河南省特种荷载下公路桥梁结构标准化研究技术报告.2005；

[2]林忠民等.工程结构荷载研究的基本问题.1989；

[3]沈其明.公路桥涵设计中的车辆荷载分析[J].重庆交通学院学报.1986；

[4]公路桥梁车辆荷载研究课题组.公路桥梁车辆荷载研究[J].公路.1997；

[5]王磊、张健仁.既有公路桥梁不同车辆荷载连续到达过程模拟[J].中外公路.2008；