近年來隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,公路交通運(yùn)輸量和車輛荷載均逐年增大,各地車輛超重現(xiàn)象普遍,嚴(yán)重影響了在役橋梁的安全可靠性。本文是一篇農(nóng)村金融研究投稿的論文范文,主要論述了考慮橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束的車輛荷載效應(yīng)研究。
摘 要:通過對(duì)某市貨車駕駛員進(jìn)行問卷調(diào)查,研究了橋梁限重標(biāo)志對(duì)貨車駕駛員駕駛行為的約束作用規(guī)律;基于實(shí)測(cè)隨機(jī)車流的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律,利用蒙特卡洛法編寫了考慮橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束作用的隨機(jī)車流模擬程序.以55t橋梁限重值為例,根據(jù)《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》的荷載效應(yīng)分析方法,計(jì)算了簡(jiǎn)支梁橋在模擬隨機(jī)車流荷載作用下的跨中彎矩和支座剪力.對(duì)日均交通量、條件約束水平和橋梁跨徑進(jìn)行了參數(shù)分析,并將隨機(jī)車流荷載作用下的荷載效應(yīng)與中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)應(yīng)的汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值做了比較.研究結(jié)果表明:1)只有當(dāng)超重貨車駕駛員均嚴(yán)格遵守橋梁限重規(guī)定時(shí),橋梁限重標(biāo)志才能有效地控制車輛荷載效應(yīng),從而保障橋梁的安全可靠性;2)中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)荷載可能低估了某些路段實(shí)際車流的荷載,且在小跨徑橋梁上尤為突出,應(yīng)當(dāng)引起重視.
關(guān)鍵詞:橋梁工程,車輛荷載效應(yīng),蒙特卡洛法,簡(jiǎn)支梁橋,限重標(biāo)志,駕駛員行為
由超重車引起的橋梁垮塌事件屢見不鮮,如2009年黑龍江省伊春市的鐵力西大橋和2011年北京市的懷柔白河橋的垮塌事故等[2-3].為了保障在役橋梁的安全可靠性,近年來全國(guó)多地投入了大量財(cái)力物力對(duì)在役橋梁進(jìn)行限重,如2009年青島為本市橋梁增設(shè)了239塊限重標(biāo)志牌,以及2011年浙江對(duì)省內(nèi)所有普通國(guó)、省道上的3894座橋梁設(shè)置了限重標(biāo)志進(jìn)行限重.
近年來國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁限重問題進(jìn)行了廣泛研究.Nowak等[4]基于實(shí)測(cè)車輛動(dòng)態(tài)稱重(WIM)數(shù)據(jù)研究了公路橋梁的貨車荷載譜,F(xiàn)u等[5-6]也進(jìn)行了相關(guān)研究.Ghosn和Moses[7-9]應(yīng)用結(jié)構(gòu)可靠度理論分析了現(xiàn)行橋梁限重公式的可靠性,提出了具有規(guī)定可靠性水平的橋梁限重建議公式.宗雪梅等[1]利用等代荷載法計(jì)算超重車輛荷載模型的限載系數(shù)最終確定超重車輛的限載值.Correia等[10]基于超重車的統(tǒng)計(jì)特性和車輛荷載效應(yīng)簡(jiǎn)化分析方法,根據(jù)安全系數(shù)判別超重車是否過橋.王碩[11]利用對(duì)實(shí)橋交通荷載模型進(jìn)行修改試算的方法來確定橋梁限重值,為《上海市城市橋梁限載技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》提供了理論依據(jù).王松根與李松輝[12-14]根據(jù)公路橋梁抗力及荷載效應(yīng)的概率分布函數(shù)與統(tǒng)計(jì)參數(shù)提出了一種基于結(jié)構(gòu)可靠度理論的典型車輛限重分析方法.
然而,極少有研究考慮到實(shí)際交通管理中橋梁限重規(guī)定的執(zhí)行效果,即并非所有的駕駛員都一定會(huì)嚴(yán)格遵守橋梁限重規(guī)定.如2004年遼寧盤錦境內(nèi)田莊臺(tái)大橋由于一輛總重110t的大貨掛車嚴(yán)重超重導(dǎo)致橋梁垮塌,而相關(guān)部門早在2000年7月就對(duì)該橋?qū)嵤┝讼拗?5噸的規(guī)定.因此,設(shè)置橋梁限重標(biāo)志對(duì)保障橋梁的安全可靠性所發(fā)揮的實(shí)際作用值得研究.目前僅Astantey[15-16]以一種典型貨車為對(duì)象研究過超重車違規(guī)率對(duì)過橋貨車的車重分布規(guī)律以及對(duì)簡(jiǎn)支梁橋結(jié)構(gòu)可靠度的影響,且在研究中假設(shè)所有超重車過橋的概率都相同,這與實(shí)際情況有較大出入.
本文通過對(duì)某市貨車駕駛員進(jìn)行抽樣問卷調(diào)查分析了橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員駕駛行為的主觀約束效果.根據(jù)基于WIM數(shù)據(jù)得到的自然隨機(jī)車流統(tǒng)計(jì)參數(shù),利用MATLAB語言編制了考慮限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束的隨機(jī)車流模擬程序和橋梁影響線加載程序,模擬多種狀況下的隨機(jī)車流,計(jì)算了中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋在模擬生成的隨機(jī)車流荷載作用下的荷載效應(yīng),并與中國(guó)現(xiàn)行的橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范[17]中對(duì)應(yīng)的汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比.從而探討橋梁限重規(guī)定(標(biāo)志)對(duì)限制超重車過橋和保障橋梁安全所發(fā)揮的真實(shí)作用.
1 基于統(tǒng)計(jì)調(diào)查研究限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行
為的主觀約束效果
橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員駕駛行為的約束可歸納為客觀約束和主觀約束.客觀約束指國(guó)家相關(guān)管理部門的規(guī)定及行政執(zhí)法等客觀因素對(duì)駕駛員過橋行為的約束;主觀約束指駕駛員考慮所駕車的超重水平后對(duì)其過橋行為的約束.前者側(cè)重管理部門干預(yù)和處罰的客觀影響,后者側(cè)重駕駛員自身對(duì)安全駕車過橋的主觀考慮.
考慮到在真實(shí)交通中調(diào)查橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為主觀約束作用的困難性,2013年,本文通過抽樣問卷調(diào)查的方式研究了橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為的主觀約束規(guī)律,本問卷只調(diào)查駕駛員的主觀約束行為,不考慮客觀約束的影響.調(diào)查對(duì)象為某市的貨車駕駛員.有兩點(diǎn)假設(shè):1)假設(shè)客觀約束和主觀約束相互獨(dú)立;2)假設(shè)主觀約束行為只跟貨車總重有關(guān),與貨車車型無關(guān).
本次調(diào)查一共發(fā)放問卷250份,有效反饋問卷194份.調(diào)查內(nèi)容分為兩部分,第一部分為駕駛員的基本信息,包括駕齡、所開貨車的種類及裝載物等;第二部分為與超重相關(guān)的內(nèi)容,包括是否會(huì)留意橋梁限重標(biāo)志、超重經(jīng)歷、超重的原因、在橋梁不同限重水平下意愿駕駛車過橋的車重等.通過SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)分析軟件對(duì)調(diào)查問卷數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析顯示:被調(diào)查者中駕齡為1~5年的占20.6%,6~10年的占35.6%,11~15年的占30.9%,大于16年(含)的占12.9%,說明被調(diào)查者的駕齡分布廣泛且各自所占比例較為平均;大部分駕駛員都有過駕駛超重車的經(jīng)歷,并且一般都會(huì)留意橋上的限重牌;78%的貨車超重時(shí)裝載的貨物為煤、建材或機(jī)械設(shè)備,其超重的原因主要包括兩方面:一是迫于較高的運(yùn)營(yíng)成本和競(jìng)爭(zhēng)壓力,若不超重公司(或個(gè)人)的盈利率低,其比例占49.5%;二是駕駛員認(rèn)為橋梁承載力具有一定的安全系數(shù)(即規(guī)定的橋梁限重值是偏安全的),其比例占21.6%.
對(duì)調(diào)查問卷結(jié)果進(jìn)一步整理分析獲得了當(dāng)橋梁限重分別設(shè)為10 t,15 t,20 t,30 t,40 t和55t時(shí),貨車總重與駕駛員意愿駕車過橋的概率之間的關(guān)系.并利用MATLAB曲線擬合工具中的冪函數(shù)、多項(xiàng)式和指數(shù)函數(shù)等函數(shù)對(duì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了曲線擬合.根據(jù)擬合優(yōu)度的判定準(zhǔn)則(包括殘差平方和(SSE)、均方根誤差(RMSE)和調(diào)整的判定系數(shù)(Adjusted R-square)等)對(duì)擬合結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià),發(fā)現(xiàn)用冪函數(shù)擬合的效果最優(yōu). 冪函數(shù)表達(dá)式為f.L(x)=αxβ,其中x表示貨車總重(x≥L),L表示橋梁限重值(x,L的單位為噸(t)),α和β為冪函數(shù)的參數(shù),f.L(x)表示駕駛員意愿駕車過橋的概率.在不同限重水平下,駕駛員意愿駕車過橋的概率與貨車總重的關(guān)系的曲線擬合結(jié)果見圖1,其中散點(diǎn)為調(diào)查問卷統(tǒng)計(jì)結(jié)果,實(shí)線為擬合曲線.從圖1可以發(fā)現(xiàn),在不同的限重水平下,駕駛員意愿駕車過橋的概率與貨車總重的關(guān)系有相似的規(guī)律:隨著貨車車重的增加,駕駛員意愿駕車過橋的概率下降較為明顯,到最后逐漸趨近于零.但值得注意的是,當(dāng)車重達(dá)到限重值的兩倍時(shí),駕駛員意愿駕車過橋的概率仍在10%以上,說明橋梁限重標(biāo)志對(duì)貨車駕駛員行為的主觀約束作用是有限的.
2 考慮駕駛員行為約束的隨機(jī)車流模擬
為了研究限重標(biāo)志引起的駕駛員行為約束對(duì)隨機(jī)車流變化的影響,首先基于對(duì)WIM數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析獲得的真實(shí)車流統(tǒng)計(jì)特性(軸距、車頭間距和車重等參數(shù)),利用蒙特卡洛法[11](Monte Carlo Method,簡(jiǎn)稱M-C法)生成大量與真實(shí)車流具有相同統(tǒng)計(jì)規(guī)律的模擬隨機(jī)車流樣本,然后根據(jù)問卷調(diào)查的統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果對(duì)模擬隨機(jī)車流樣本進(jìn)行修正,從而獲得考慮了限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束的修正隨機(jī)車流.
2.1 自然隨機(jī)車流的統(tǒng)計(jì)參數(shù)
選取梁棟等[18]于2008年通過WIM調(diào)查得到的某Ⅰ級(jí)公路自然隨機(jī)車流的統(tǒng)計(jì)參數(shù)作為模擬隨機(jī)車流的源數(shù)據(jù).車頭間距服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,參數(shù)為μ=2.873 1,ν=0.620 1.模型車輛共6種,分別用A~F表示,各模型車輛的車輛總重的分布類型及相關(guān)參數(shù)見表1;各模型車輛的軸重分配系數(shù)及軸距見表2;模型車輛A~F在隨機(jī)車流中所占比例分別為20.0%,15.3%,12.6%,15.1%,16.6%和10.4%.
2.2 絕對(duì)約束和條件約束
為研究超重車駕駛員受橋梁限重標(biāo)志主觀約束的水平對(duì)隨機(jī)車流以及車輛荷載效應(yīng)的影響,將主觀約束分為絕對(duì)約束和條件約束,分別用R.A和R.I表示:
R.A=(N.A/N)×100%; (1)
R.I=(N.I/N)×100%.(2)
式中:N.A為任何超重水平下均能嚴(yán)格遵守限重規(guī)定的超重車駕駛員人數(shù);N.I為根據(jù)實(shí)際超重水平再?zèng)Q定是否違規(guī)過橋的超重車駕駛員人數(shù);N為超重車駕駛員總?cè)藬?shù).顯然,R.A和R.I的取值范圍均為\[0,1\],且有R.A+R.I=1.
2.3 模擬隨機(jī)車流的基本流程
基于實(shí)測(cè)隨機(jī)車流的統(tǒng)計(jì)參數(shù),用MATLAB語言編寫考慮橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束的隨機(jī)車流模擬程序.首先模擬生成初始隨機(jī)車流,然后考慮橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員的行為約束從而對(duì)初始隨機(jī)車流進(jìn)行修正,基本流程如圖2所示.
圖2中,rand(1,1)是MATLAB庫函數(shù),作用為生成服從區(qū)間(0,1)上均勻分布的隨機(jī)數(shù).超重車駕駛員受絕對(duì)約束或條件約束由條件“rand(1,1)≤R.I”判定,若該式成立則表示該超重車駕駛員會(huì)考慮車輛實(shí)際超重水平再?zèng)Q定是否過橋,反之則表示該超重車駕駛員會(huì)嚴(yán)格遵守限重標(biāo)志而不過橋.受條件約束的超重車駕駛員決定是否過橋由條件“rand(1,1)≤f.L(x)”判定,該式若成立則表示該超重車駕駛員在考慮所駕車的實(shí)際超重水平后最終決定駕車過橋,反之則最終決定不過橋.
3 車輛荷載效應(yīng)分析
3.1 利用影響線對(duì)橋梁進(jìn)行隨機(jī)車流荷載加載
假定隨機(jī)車流在橋上通過時(shí)保持橫向位置不變,且不考慮結(jié)構(gòu)非線性對(duì)荷載效應(yīng)的影響,則可利用影響線對(duì)橋梁進(jìn)行隨機(jī)荷載流加載并得到相應(yīng)截面的荷載效應(yīng).常見加載程序的基本思路[3,18-19]如下:1)計(jì)算控制截面響應(yīng)的影響線;2)將生成的隨機(jī)車流沿影響線以步長(zhǎng)d.s(d.s的值一般取為10 cm)移動(dòng),計(jì)算每一步的車輛荷載效應(yīng),并記錄目標(biāo)周期(一般以日為時(shí)間周期)內(nèi)的車輛荷載效應(yīng)最大值;3)重復(fù)步驟2),得到n個(gè)目標(biāo)周期內(nèi)的最大荷載效應(yīng)值.
3.2 不同條件約束水平下日均交通量對(duì)控制截面荷載效應(yīng)的影響
選取跨徑為20 m,限重L=55 t的簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,利用《公路工程結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T50283-1999)[20]的荷載效應(yīng)分析方法,考察單車道加載下橋梁的跨中彎矩和支座剪力.本文計(jì)算了日均交通量分別為500,1 000,2 000,4 000輛時(shí)不同R.I水平(0,0.025,0.05,0.1,0.3,1)下的橋梁荷載效應(yīng),并在各種情況下均對(duì)橋梁加載20000日.為便于將隨機(jī)車流荷載作用下的荷載效應(yīng)與中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行對(duì)比研究,引入無量綱荷載效應(yīng)比值K:
K=S.Q/S.QK.(3)
式中:S.Q表示模擬隨機(jī)車流荷載作用下的荷載效應(yīng)最大值分布的95%分位值,S.QK表示中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范中公路Ⅰ級(jí)荷載對(duì)應(yīng)的汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值.K.M表示基于跨中彎矩計(jì)算得到的荷載效應(yīng)比值,K.Q表示基于支座剪力計(jì)算得到的荷載效應(yīng)比值,兩者在不同R.I水平下與日均交通量的關(guān)系如圖3和圖4所示.不難發(fā)現(xiàn):1)隨著日均交通量在區(qū)間\[500,4 000\]上逐漸增大,K.M和K.Q均逐漸增大,當(dāng)日均交通量大于2 000輛后,曲線走勢(shì)趨于平緩,說明隨著日均交通量的增大,日均交通量對(duì)K.M和K.Q的影響逐漸變小;2)K.M和K.Q隨著R.I的減小而減小,但起初減速比較緩慢;當(dāng)R.I從0.025降為零時(shí),K.M和K.Q突然有明顯減小,說明只有當(dāng)超重車駕駛員均嚴(yán)格遵守橋梁限重規(guī)定時(shí),才能有效控制車輛荷載效應(yīng).此外,值得注意的是,在基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)模擬生成的隨機(jī)車流作用下,K.M和K.Q的值均大于1.表明我國(guó)現(xiàn)有規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)荷載可能低估了某些橋梁上實(shí)際車流的荷載.因此實(shí)際車流作用下橋梁的荷載效應(yīng)應(yīng)該引起工程界深刻的關(guān)注. 3.3 不同條件約束水平下橋梁跨徑對(duì)控制截面荷
載效應(yīng)的影響
選取跨徑增量為5 m的10~50 m的9座簡(jiǎn)支梁橋?yàn)檠芯繉?duì)象,日均交通量為2 000輛,計(jì)算不同R.I水平下的K.M和K.Q值,結(jié)果如圖5和圖6所示.從整體上來看,隨著跨徑的增加,K.M和K.Q逐漸降低,但當(dāng)R.I≠0時(shí),在小跨徑區(qū)段\[10,20\]內(nèi),K.M和K.Q值的變化并無明顯規(guī)律,說明中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)小跨徑橋梁的汽車荷載考慮相比其他跨徑可能不足,文獻(xiàn)\[21\]也有相似的結(jié)論.此外,本文所采用的模擬隨機(jī)車流數(shù)據(jù)來源于交通實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),而圖5和圖6均顯示,即使當(dāng)R.I等于零時(shí),K.M和K.Q的值仍然大于1,說明中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)荷載效應(yīng)可能低估了某些橋梁上實(shí)際車流的荷載效應(yīng),并且剪力效應(yīng)更加明顯.
4 結(jié) 語
本文基于對(duì)貨車駕駛員的問卷調(diào)查,研究了橋梁限重標(biāo)志對(duì)貨車駕駛員過橋行為的約束作用.編寫了考慮橋梁限重標(biāo)志對(duì)駕駛員行為約束的隨機(jī)車流模擬程序.以55 t橋梁限重值為例,分析了日均交通量、條件約束水平和橋梁跨徑對(duì)簡(jiǎn)支梁橋跨中彎矩和支座剪力的影響,并與中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的彎矩標(biāo)準(zhǔn)值和剪力標(biāo)準(zhǔn)值做了比較.值得說明的是,本文是基于對(duì)某一城市貨車司機(jī)的調(diào)查問卷結(jié)果來分析橋梁限重標(biāo)志對(duì)貨車駕駛員過橋行為的約束作用規(guī)律的,其調(diào)查結(jié)果并不一定能完全準(zhǔn)確地反映真實(shí)情況.本文旨在初步探索由橋梁限重規(guī)定(標(biāo)志)對(duì)駕駛員主觀駕駛行為的影響而產(chǎn)生的對(duì)橋梁上車輛荷載效應(yīng)的影響.本文獲得了如下主要結(jié)論:
1)橋梁限重標(biāo)志對(duì)貨車駕駛員駕駛行為的約束作用是有限的.在不同的限重水平下,總有相當(dāng)數(shù)量的駕駛員意愿駕駛超過限重值一倍以上的貨車過橋;并且,在不同限重水平下,駕駛員意愿駕車過橋的概率與貨車總重的關(guān)系有相似的規(guī)律,均可用冪函數(shù)來描述.
2)只有當(dāng)超重車駕駛員均嚴(yán)格遵守橋梁限重規(guī)定時(shí),才能有效控制車輛荷載效應(yīng),否則,橋梁限重達(dá)不到預(yù)期效果.因此,在交通管理中,必須嚴(yán)格執(zhí)行橋梁限重規(guī)定,以保障橋梁的安全可靠性.
3)本文所采用的隨機(jī)車流數(shù)據(jù)來源于實(shí)測(cè)交通統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù).而本文研究發(fā)現(xiàn),即使駕駛員嚴(yán)格執(zhí)行限重規(guī)定,隨機(jī)車流產(chǎn)生的荷載效應(yīng)仍大于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)值,說明中國(guó)現(xiàn)行橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范的設(shè)計(jì)荷載可能低估了某些橋梁上實(shí)際車流的荷載,且在小跨徑橋梁上尤為突出,應(yīng)當(dāng)引起重視.
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相關(guān)期刊簡(jiǎn)介:《農(nóng)村金融研究》是中國(guó)農(nóng)業(yè)銀行股份有限公司主管,中國(guó)農(nóng)村金融學(xué)會(huì)主辦,面向國(guó)內(nèi)外公開發(fā)行的中文核心期刊。創(chuàng)刊于1980年,1994年開始與臺(tái)灣多家金融機(jī)構(gòu)建立期刊交換;1996年被列為“中文核心期刊”第五名;同年八選世界期刊博覽中心參展,并成為會(huì)員。
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