[摘要] 1 绪论1 1 研究背景及意义桥梁作为一种跨越自然障碍的结构，
1 绪论
1.1 研究背景及意义
桥梁作为一种跨越自然障碍的结构，是道路的重要组成部分，被称作道路的“咽喉”。截至 2015 年底，我国共有公路桥梁 77.9 万座[1]，比改革开放初期的 12.8 万座增长近 5 倍[2]。现阶段，我国桥梁总数众多，但总体技术状况不容乐观。2013 年，文献[3]对浙江地区中小跨径桥梁的整体技术状况做了统计分析，如图 1.1 所示， 一类桥有 15532 座，二类桥有 15214 座，三类桥 7494 座，四类桥 1266 座，五类桥 366 座。其中三~五类桥梁占到中小跨径桥梁总数的 1/4，平均每 4 座桥就有 1 座“带病工作”。由此推知“带病工作”为全国桥梁现阶段普遍现状。实际使用中的桥梁有相当一部分技术状况为三类、四类，甚至五类，这部分桥梁安全性能不足，存在较大安全隐患。随着经济的发展，公路交通量以及货运总量呈现逐年攀升的态势。2015 年，全国国道网机动车年平均日交通量为 15424 辆，比上年增长 2.5%，交通拥挤度较上年增长 1.3%。2015 年全年，公路运输完成货运总量 335.0 亿吨、货物周转量 57955.72 亿吨公里，比上年分别增长 1.2%和 2.0%[1]。图 1.2 给出了“十二五”期间，国道网年平均日交通量柱状图以及货运总量折线图。交通量及货运量的增长给本就“伤痕累累”的桥梁带来更大安全隐患。对于众多病害桥梁，由于种种原因维修加固往往是滞后的，“带病工作”仍然会在短期内普遍存在。此时，对在用桥梁进行合理的限载通行，可以有效提高结构的安全性能，降低安全隐患。制定限载通行标准需要考察在用桥梁的实际受力状态，重点考察实际运营中汽车荷载对结构的影响。一方面，随着交通量以及货运量的快速增长，有关文献已经证实，《公路工程结构可靠度设计统一标准》[7]（GB/T 50283-1999）中关于汽车荷载效应的统计参数已经不太适用于当前交通状况；另一方面，规范《公路梁桥承载能力检测评定规程》[8]（JTG/T J21-2011）利用活载修正系数法对在用桥梁汽车荷载效应的评定，忽略了影响因素的随机特性表达，也忽略了评定指标等级间的模糊性，评估结果缺乏必要的合理性与可靠性。因此，如何根据实际交通调查数据，对在用桥梁的汽车荷载效应进行合理评估，是本文所要解决的重点问题，也是整个限载分析的关键所在。
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1.2 公路桥梁汽车荷载研究现状
汽车荷载是桥梁设计的重要依据之一，也是桥梁可靠性评估、运营维护的重要指标，关乎桥梁设计、运营和维护的各个阶段。针对桥梁汽车荷载，国内外学者已经开展了大量研究。新中国成立以来，根据各个时期的交通运输实际情况，对公路桥梁设计汽车荷载进行了多次修改。以 2003 年作为时间界限，2003 年以前汽车荷载以车队荷载形式表示，2003 年以后汽车荷载以均布荷载加集中荷载的形式表示。建国以前，汽车荷载标准基本套用美国规范。建国以后，分别于 1951 年、1954 年[9]和 1956 年[10]颁布了 3 个版本的《公路工程设计准则》，其中设计汽车荷载基本借鉴苏联标准。20 世纪 60 年代我国开始编写适用于自己国情的汽车荷载标准，在对我国汽车工业发展水平以及公路桥梁修筑水平调研的基础上，与 1967 年[11]颁布《公路桥涵车辆荷载及净空标准暂行规定》，将以往规范中 5 种计算荷载缩减到 3 种，并适当提高了验算荷载的等级，新的计算荷载与验算荷载分别是：汽-10、汽-15、汽-26 与履带-50、拖车-60、拖车-100。1972 年颁布的《公路工程技术标准（试行）》[12]没有大的调整，只将原规范计算荷载中汽-26 调整为汽-20，验算荷载中挂车-60 调整为挂车-80。为了满足重载车辆的需要，1985 年的《公路桥涵设计通用规范》[13]在原规范的基础上增加了汽车-超 20 级计算荷载及挂车-120 验算荷载，至此，计算荷载与验算荷载扩充为各 4 种。各级车队荷载如图 1.3 所示。汽车车队由一辆重车和具有若干间距的标准车组成，实践表明这种图式对人工和计算机加载计算都不方便，且计算效应随桥梁跨径变化不连续。而车队荷载也有优点，车队中的重车可以作为新建桥梁的限载控制车型。七部委联合治超行动中超载车辆的认定标准[12]二轴车 20 吨、三轴车 30 吨、六轴车 55 吨则分别以“85 通规”[13]中汽车-15 级、汽车-20 级以及汽车-超 20 级车队的重车荷载作为限载指标。
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2 汽车荷载效应影响因素的随机性分析
2.1 在用桥梁汽车荷载效应计算的规范方法
《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）[64]汽车荷载以车道荷载形式表示，分为公路Ⅰ级和公路Ⅱ级两个等级，由均布荷载和集中荷载组成，图示如1.4 所示。汽车荷载效应通常采用影响线加载计算，为了产生最不利加载情形，均布荷载往往满布于同号影响线一侧，集中荷载作用于最大峰值处，求得荷载效应记作QkS 。汽车荷载效应由交通量、车辆荷载以及车辆轴重等因素共同影响决定，是不确定的随机变量。规范的评定流程忽略了影响因素的随机特性，缺乏必要的合理性与可靠性。因此，本章拟从影响因素的随机性讨论入手，将因素的不确定性引入到汽车荷载效应的评估中，以期得到更合理的评定结果。
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2.2 交通量的随机性分析
由于不同车型的大小不同、载重不同、所占资源不同，在交通量统计时往往将不同车型乘以换算系数转化成同一种车型。典型代表交通量即是以小客车为换算标准的交通量代表值。进行典型代表交通量的换算时，可以结合规范 JTG B01-2014[45]《公路工程技术标准》与 GB 50220-1995[62]《城市道路交通规划设计规范》中的相关规定，对公路交通情况调查的车型分类及车辆折算系数进行调整，交通量换算以小客车为标准，折算系数如表 2.4 所示。现行桥涵设计规范 JTG D60-2004[24]取消了原规范以车队荷载表示汽车荷载的形式，改用车道荷载模式，模糊了大吨位车辆的判断标准，不便作为判断依据。原规范车队荷载由一辆重车与若干标准车组成，一般可将每个荷载等级中的标准车作为判断大吨位车辆的依据[50]。大吨位车辆混入率即为大吨位车辆在统计交通量中所占的比例，用希腊字母 表示。参照规范（JTJ021-85）[13]表 3.12各级汽车荷载主要技术指标，拟定大吨位车辆判断标准如下表所示。
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3 随机模糊综合评估系统的建立 ....... 20
3.1 模糊综合评估方法 ....20
3.1.1 评估对象因素集 U 的确定 .... 20
3.1.2 隶属函数确定 ......... 21
3.1.3 评价集 V 确定 ........ 22
3.1.4 模糊综合评定 ......... 23
3.1.5 评定结果的确定 ..... 23
3.2 模糊综合评估模型的建立 ........24
3.2.1 交通量影响修正系数 ..... 24
3.2.2 大吨位车辆混入率影响修正系数 ......... 28
3.2.3 轴荷分布影响修正系数 ......... 30
3.3 随机模糊综合评估系统 ....31
3.4 小结 ....36
4 某在用桥梁汽车荷载效应及限载分析 ........... 37
4.1 设计基本资料 ....37
4.2 模型建立 ....39
4.3 汽车荷载效应随机模糊综合评估 ....40
4.4 基于随机模糊的可靠性评估 ....48
4.5 限载分析 ....53
4.6 小结 ....55
5 结论与展望 ....... 56
5.1 结论 ....56
5.2 展望 ....57
4 某在用桥梁汽车荷载效应及限载分析
4.1 设计基本资料
桥面净宽 44m，左右两幅对称布置，每幅由 10 片 T 梁组成，每片 T 梁中心距 2.25m，梁高 1.8m，T 梁横向接头属刚性联结，翼板、横隔板间留有宽 55cm的湿接缝。桥梁布置横断面及 T 梁横断面尺寸见图 4.2-4.3。混凝土：预制 T 梁及其现浇接缝、墩顶现浇连续段均采用 C50 混凝土；墩身、承台采用 C30 混凝土。预应力钢绞线：采用高强低松弛钢绞线（Φｓ15.2），公称面积为 140mm2，标准强度 fpk=1860Mpa，弹性模量 1.95×105Mpa。预应力管道采用塑料波纹管成型，真空辅助压浆，夹片式锚具，两端对称张拉。普通钢筋：直径大于等于 12mm 的钢筋采用 HRB335 热轧带肋钢筋，小于12mm 的普通钢筋则采用 R235 热轧光圆钢筋。由于桥梁左右两幅完全对称，因此受力情况一致，为了提高分析效率，本文选取右半幅进行建模计算。鉴于本文主要对桥梁上部结构进行受力分析，建模时可忽略桥墩、承台、基础等下部结构，仅对梁体以及支座等上部结构进行模拟即可。预制 T 梁、湿接缝、横隔板均用梁单元进行模拟。利用弹性连接单元模拟板式橡胶支座，支座型号为 GYZ450×84，具体弹性连接参数按照规范JT/T 4[52]与《Midas 使用指南》计算得到，如表 4.1 所示。
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结论
随着经济的发展，交通量以及汽车载重量逐年攀升。99 规范（GB/T50283-1999）[7]有关汽车荷载效应的统计参数不太适用于现阶段车辆荷载状况。同时，基于规范[8]的确定性分析方法忽略了车辆荷载的随机性，评定结果不够准确。在此背景下，本文结合规范[8](JTG/T J21-2011)中活载影响修正系数，建立了在用桥梁汽车荷载效应的随机模糊综合评估系统。主要成果如下：将修正系数模糊综合评估模型与蒙特卡洛随机模拟相结合形成了汽车荷载效应的随机模糊综合评估系统。本文第五章，用该评估流程对某在用 T 梁桥进行评估，得到汽车荷载效应呈多峰分布，可用两个正态分布的加权和表示。当取 95%保证率时，评估结果比“99 规范”[7]高出 20%左右。该评估系统将交通量及汽车载重量的实际状况考虑在内，既能得到符合当前交通状况的评估结果，也能满足可靠性评估的需要，比规范[8]的确定性分析方法更有说服力。在随机模糊综合评估的基础上建立限载评估系统，将“85 通规”[13]各级汽车车队作为限载模型，以可靠指标作为限载基准。本文第五章利用该评估系统对某在用 T 梁桥进行限载分析，得到总重 30 吨，单轴重 13 吨的限载控制标准。证明了限载评估系统的实用性，能够根据在用桥梁的实际状态制定合理限载标准，为桥梁安全运营提供依据。
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参考文献（略）
