基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的超限車輛荷載模型的建立

周超,陳飛

1.安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽合肥231131

2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)分公司,江蘇南京210019

基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的超限車輛荷載模型的建立

周超1*,陳飛2

1.安徽工商職業(yè)學(xué)院,安徽合肥231131

2.泛華建設(shè)集團(tuán)有限公司南京設(shè)計(jì)分公司,江蘇南京210019

基于廣西公路管理局提供的申請(qǐng)通行超限車輛數(shù)據(jù)表，采用雙峰正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布建立了廣西地區(qū)五軸和六軸超限車輛總重和軸距的概率分布模型；根據(jù)一元正態(tài)線性回歸理論，建立了總重與軸重的線性回歸模型；分析了超限車輛總重和軸距之間的相互關(guān)系。根據(jù)建立的超限車輛荷載模型，采用蒙特卡洛（Monte Carlo）法各隨機(jī)生成了10000輛五軸、六軸超限車輛，通過(guò)對(duì)比隨機(jī)生成的超限車輛與實(shí)際超限車輛對(duì)中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋產(chǎn)生的跨中最大彎矩效應(yīng)，驗(yàn)證了按照本文方法建立的超限車輛荷載模型用以模擬實(shí)際超限車輛的可行性，同時(shí)也為廣西地區(qū)五軸、六軸超限車輛過(guò)橋時(shí)，橋梁的安全評(píng)估研究提供了車輛荷載數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

超限車輛;車輛荷載模型;線性回歸

超限運(yùn)輸對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展十分重要，但也會(huì)引起橋梁的非正常損傷，大大縮短橋梁的使用壽命。目前國(guó)內(nèi)對(duì)超重車輛的管理主要是通過(guò)行政罰款進(jìn)行處罰，不能從根本上解決問(wèn)題。國(guó)外對(duì)超限車輛過(guò)橋的安全評(píng)估研究相對(duì)較早，有較為系統(tǒng)的規(guī)范條文[1]驗(yàn)算超車車輛過(guò)橋時(shí)橋梁的安全性。因此通過(guò)研究超限車輛的總重、軸重和軸距等輪軸特征參數(shù)的概率分布，建立超限車輛的荷載模型，可以為超限車輛過(guò)橋時(shí)，橋梁的安全評(píng)估提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，確保橋梁的安全性。Jian Zhao[2]等人通過(guò)擬合超重車輛過(guò)橋的荷載效應(yīng)比，給出了五軸車的荷載模型；Gongkang Fu[3]等人基于概率統(tǒng)計(jì)理論，建立了包含超重車輛在內(nèi)的車輛總重概率模型；César Crespo-Minguillbón[4]等人對(duì)超重車輛的總重分布模型進(jìn)行了研究，并給出了超重車輛總重和軸重的相關(guān)系數(shù)矩陣；文獻(xiàn)[5-9]基于實(shí)測(cè)的車輛數(shù)據(jù)，建立了車輛總重、軸重、軸距等輪軸特征參數(shù)的多峰分布概率模型。而這些對(duì)車輛荷載模型的研究，往往只是單獨(dú)研究車輛的總重、軸重以及軸距等輪軸特征參數(shù)各自的概率分布類型，沒(méi)有系統(tǒng)的研究總重、軸重和軸距等輪軸特征參數(shù)之間的相互關(guān)系，也沒(méi)有給出實(shí)例驗(yàn)證所建立的車輛荷載模型的可行性。本文較為系統(tǒng)的研究了總重、軸重和軸距等輪軸特征參數(shù)之間的相互聯(lián)系，基于概率統(tǒng)計(jì)理論，建立了超限車輛的荷載模型，通過(guò)對(duì)比中小跨徑簡(jiǎn)支梁橋的跨中最大彎矩效應(yīng)，驗(yàn)證了按照本文方法所建立的超限車輛荷載模型的可行性。

1 超限車輛數(shù)據(jù)的采集

隨著廣西地區(qū)路網(wǎng)的逐漸完善，廣西地區(qū)的運(yùn)輸業(yè)呈逐年迅猛增加的勢(shì)態(tài)，不斷推動(dòng)廣西地區(qū)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。然而超限運(yùn)輸車輛的逐年增加，使得廣西道路行政管理部門審批超限運(yùn)輸車輛通行的工作量大大增加。依托廣西公路管理局提供的超限運(yùn)輸車輛申請(qǐng)通行表數(shù)據(jù)，可知從2009年至2013年申請(qǐng)通行的超限車輛多達(dá)800多輛，車型從四軸車到十四軸車不等，其中又以五軸和六軸超限車輛居多（見(jiàn)表1），因此本文重點(diǎn)研究五軸和六軸超限車輛的輪軸特性。

表1 超限車輛數(shù)據(jù)Table 1 Overrun vehicle data

2 超限車輛的荷載模型

超限車輛對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的荷載效應(yīng)不僅與總重有關(guān)，還與軸重以及軸距等輪軸特征參數(shù)有關(guān)。不同的輪軸特征參數(shù)使得超限車輛荷載變得更加復(fù)雜。因此只有對(duì)超限車輛的輪軸特征參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，才能建立更加符合實(shí)際車輛特征的荷載模型。

根據(jù)主車和掛車的相對(duì)位置，把主車的前軸作為車輛的第一軸，依次排列下去，分別為第二、三、四、五軸、六軸等。基于上述排序原則，作者對(duì)廣西地區(qū)申請(qǐng)通行的五軸、六軸超限車輛的總重、軸重和軸距等輪軸特征參數(shù)進(jìn)行了詳細(xì)的概率統(tǒng)計(jì)研究，建立了廣西地區(qū)五軸、六軸超限車輛的荷載模型。

2.1 總重的概率模型

廣西地區(qū)申請(qǐng)通行的五軸、六軸超限車輛均以半掛車為主。其中五軸超限車輛的總重分布在294 kN～980 kN之間，且以490 kN和790 kN居多；六軸超限車輛的總重分布在320 kN～1225 kN之間，且以539 kN和784 kN居多。從原始數(shù)據(jù)可以看出，五軸、六軸超限車輛的總重均呈現(xiàn)出雙峰型的概率分布模式[9]。

基于非線性最小二乘法的基本原理，采用Levenberg-Marquardt[10]算法，對(duì)五軸、六軸超限車輛總重的概率分布分別進(jìn)行擬合，經(jīng)K-S優(yōu)度檢驗(yàn)[11]，可得五軸、六軸超限車輛總重的概率分布均不拒絕雙峰正態(tài)分布，且擬合效果較好。擬合的分布參數(shù)見(jiàn)表2，擬合的概率分布曲線見(jiàn)圖1。

表2 超限車輛總重的分布參數(shù)Table 2 The distribution parameters of oversized vehicles’weight

圖1 概率分布曲線擬合圖Fig.1 The probability distribution curve fitting chart

2.2 軸重與總重的線性回歸模型

統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，廣西地區(qū)五軸、六軸超限車輛的總重與各軸軸重之間存在一定的相關(guān)關(guān)系?；谖遢S、六軸超限車輛總重和軸重原始數(shù)據(jù)，采用一元正態(tài)線性回歸[12]理論建立了五軸、六軸超限車輛總重和軸重的一元線性回歸模型。圖2僅給出部分線性回歸圖，具體回歸參數(shù)見(jiàn)表3。

圖2 超限車輛總重和軸重的線性回歸圖Fig.2 Linear regression of oversized and overweight vehicles’weight and gross rail load axle

從上述線性回歸圖和相關(guān)系數(shù)指標(biāo)可以看出，五軸、六軸超限車輛除各自的第一軸的軸重外，其余各軸的軸重和總重之間具有良好的線性相關(guān)性。故五軸、六軸超限車輛除第一軸的軸重外，其余各軸的軸重可以根據(jù)總重按照線性回歸方程推算，而第一軸的軸重則按照總重減去其余各軸的軸重和計(jì)算。

表3 超限車輛的線性回歸參數(shù)Table 3 Linear regression parameters of gauge vehicle

2.3 五軸超限車軸距的概率模型

廣西地區(qū)典型的五軸超限車輛有兩種類型（見(jiàn)圖3）。用L1表示聯(lián)軸的軸間距，L3表示主車和掛車之間的軸間距，L2表示其它相鄰軸的軸間距。

圖3 典型五軸超限車輛圖Fig.3 Typical five axis oversized and overweight vehicles

2.3.1 軸距L1和L2的分布特征軸距原始數(shù)據(jù)顯示，類型一超限車的后三軸為三聯(lián)軸，第三軸和第四軸的軸距與第四軸和第五軸的軸距大小相同；類型二超限車的主車雙聯(lián)軸軸距與掛車雙聯(lián)軸軸距大小相同。對(duì)軸距L1、L2的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了軸距數(shù)值分布的柱狀圖（見(jiàn)圖4）。

圖4 軸距數(shù)值分布的柱狀圖Fig.4 The numerical distribution histogram of wheelbase

由圖4可知，軸距L1主要集中分布在1.36 m、1.5 m和1.8 m三個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的百分比為97%，故在模擬軸距L1的分布時(shí)按1.36 m、1.5 m和1.8 m三個(gè)點(diǎn)所占的比例進(jìn)行分配。

軸距L2主要集中分布在3.45 m和3.5 m兩個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的百分比分別為8%和76%，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)中，個(gè)數(shù)最多的占總數(shù)的百分比不到3.0%，由于3.45 m和3.5 m僅相差5 cm，可以忽略不計(jì)，且L2又以3.5 m占主導(dǎo)地位，故取軸距L2為3.5 m。

2.3.2 軸距L3的概率模型軸距L3分布在2.8 m～32.5 m范圍之間，采用Levenberg-Marquardt算法，對(duì)軸距L3的概率分布進(jìn)行擬合，經(jīng)K-S優(yōu)度檢驗(yàn)，可得軸距L3的概率分布不拒絕雙峰正態(tài)分布，且擬合效果較好。擬合的分布參數(shù)見(jiàn)表4，擬合的概率分布曲線見(jiàn)圖5。

表4 五軸超限車輛軸距L3的分布參數(shù)Table 4 The distribution parameters of the five axis oversized and overweight vehicle's wheelbase L3

圖5 概率分布曲線擬合圖Fig.5 Probability distribution curve fitting

2.3.3 軸距概率模型的建立根據(jù)軸距L1的大小將圖3所示的兩類典型超限車各細(xì)分成三小類（見(jiàn)圖6）。

圖6 五軸超限車輛按軸距大小分類圖Fig.6 The classification chart of five axis oversized and overweight vehicles by the wheelbase size

軸距L3的數(shù)值在上述六小類超限車輛中均隨機(jī)分布在2.8 m～32.5 m范圍之間，因此按上述六小類超限車各自所占的比例和隨機(jī)分配的軸距L3，即可建立五軸超限車軸距的概率模型，具體參數(shù)見(jiàn)表4。

表5 五軸超限車輛軸距的概率模型參數(shù)表Table 5 The probability model parameters of five axis oversized and overweight vehicle’s wheelbase

2.4 六軸超限車軸距的概率模型

廣西地區(qū)典型的六軸超限車輛類型見(jiàn)圖7，用L1Z表示主車聯(lián)軸的軸間距，用L1G表示掛車聯(lián)軸的軸間距，L3表示主車和掛車之間的軸間距，L2表示其它相鄰軸的軸間距。

圖7 典型六軸超限車輛圖Fig.7 Typical six axis oversized and overweight vehicles

2.4.1 軸距L1Z、L1G和L2的分布特征軸距原始數(shù)據(jù)顯示，六軸超限車輛的后三軸為三聯(lián)軸，第四軸和第五軸的軸距與第五軸和第六軸的軸距大小相同。對(duì)軸距L1Z、L1G、L2的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得到了軸距數(shù)值分布的柱狀圖（見(jiàn)圖8）。

圖8 軸距數(shù)值分布的柱狀圖Fig.8 The numerical distribution histogram of wheelbase

由圖8可知，軸距L1Z和L1G主要集中分布在1.36 m、1.5 m和1.8 m三個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的百分比分別為91%和93%，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)中，個(gè)數(shù)最多的占總數(shù)的百分比均不到2.5%，故在模擬軸距L1Z和L1G的分布時(shí)按1.36 m、1.5 m和1.8 m三個(gè)點(diǎn)所占的比例進(jìn)行分配。

軸距L2主要集中分布在3.45 m和3.5 m兩個(gè)點(diǎn)，占總數(shù)的百分比分別為16%和69%，其余數(shù)據(jù)點(diǎn)中，個(gè)數(shù)最多的占總數(shù)的百分比不到3.0%，由于3.45 m和3.5 m僅相差5 cm，可以忽略不計(jì)，且L2又以3.5 m占主導(dǎo)地位，故取軸距L2為3.5 m。

2.4.2 軸距L3的概率模型軸距L3分布在4.47 m～21 m范圍之間，采用Levenberg-Marquardt算法，對(duì)軸距L3的概率分布進(jìn)行擬合，經(jīng)K-S優(yōu)度檢驗(yàn)，軸距L3的概率分布不拒絕對(duì)數(shù)正態(tài)分布，且擬合的效果較好。擬合的分布參數(shù)見(jiàn)表6，擬合的概率分布曲線見(jiàn)圖9。

表6 六軸超限車輛軸距L3的分布參數(shù)Table 6 The distribution parameters of the six axis oversized and overweight vehicle's wheelbase L3

圖9 概率分布曲線擬合圖Fig.9 Fitting curve of probability distribution

2.4.3 軸距概率模型的建立統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)軸距L1Z與L1G之間有關(guān)聯(lián)性，為了更加準(zhǔn)確地模擬軸距的分布，根據(jù)軸距L1Z和L1G的大小將圖7所示的典型超限車類型細(xì)分成四小類（見(jiàn)圖10）：

圖10 六軸超限車按軸距大小分類圖Fig.10 The classification chart of six axis oversized and overweight vehicles by the wheelbase size

軸距L3的數(shù)值在上述四類超限車輛中均隨機(jī)分布在4.47 m～21 m范圍之間，因此按上述四類超限車各自所占的比例和隨機(jī)分配的軸距L3，即可建立六軸超限車輛軸距的概率模型，具體參數(shù)見(jiàn)表7。

表7 六軸超限車輛軸距的概率模型參數(shù)表Table 7 The probability model parameters of six axis oversized and overweight vehicle’s wheelbase

3 隨機(jī)生成超限車輛

前述方法單獨(dú)建立了總重和軸距的概率模型。需要分析總重和軸長(zhǎng)（軸距之和）的關(guān)系，才能隨機(jī)生成更加符合實(shí)際情況的超限車輛。對(duì)總重和軸長(zhǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到了廣西地區(qū)五軸、六軸超限車輛的總重和軸長(zhǎng)散點(diǎn)圖（見(jiàn)圖11）。從超限車輛總重和軸長(zhǎng)的散點(diǎn)圖可以看出，不論是五軸超限車輛還是六軸超限輛，它們的總重和軸車之間沒(méi)有明顯的關(guān)系，均是隨機(jī)分布的。

圖11 超限車輛總重—軸長(zhǎng)散點(diǎn)圖Fig.11 Scatter diagram by total weight-wheelbase of oversized and overweight vehicles

3.1 隨機(jī)生成五軸超限車輛

3.1.1 隨機(jī)生成總重五軸超限車輛包含圖3所示的兩種類型，其中類型一超限車輛的數(shù)量占總數(shù)的百分比為62%，類型二超限車輛為38%。對(duì)兩種類型的超限車輛總重進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，在總重小于550 kN的超限車輛數(shù)量中，類型一超限車輛所占的比例為86.5%，類型二超限車輛為13.5%。

根據(jù)擬合的五軸超限車輛總重的概率分布函數(shù)，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法[13]隨機(jī)生成10000個(gè)五軸超限車輛總重。結(jié)合類型一和類型二超限車各自的數(shù)量以及總重大小的比例，進(jìn)行隨機(jī)分配，即可得到類型一和類型二超限車輛各自的隨機(jī)總重。

3.1.2 生成各軸軸重除第一軸外，其余各軸的軸重按照五軸超限車輛總重與軸重的線性回歸模型進(jìn)行計(jì)算，而第一軸的軸重則按照總重減去其余各軸的軸重和得到。根據(jù)隨機(jī)生成的類型一和類型二超限車輛的總重，按照上述原則即可得到各類型超限車輛各軸的軸重。

3.1.3 隨機(jī)生成軸距基于擬合的五軸超限車輛軸距L3的概率分布函數(shù)，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法隨機(jī)生成10000個(gè)五軸超限車輛軸距L3。根據(jù)表5中的相關(guān)參數(shù)，按照比例進(jìn)行隨機(jī)分配，即可得到類型一和類型二超限車輛的隨機(jī)軸距。

3.1.4 生成超限車輛由于總重和軸長(zhǎng)之間沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，故按照總重和軸距隨機(jī)配對(duì)的原則，即可隨機(jī)生成10000輛五軸超限車輛。

3.2 隨機(jī)生成六軸超限車輛

3.2.1 隨機(jī)生成總重由于六軸超限車輛只有一種類型，故根據(jù)擬合的六軸超限車輛總重概率分布函數(shù)，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法隨機(jī)生成10000個(gè)超限車輛的總重，即可得到六軸超限車輛的隨機(jī)總重。

3.2.2 生成各軸軸重與五軸超限車輛相同，除第一軸外，其余各軸的軸重按照六軸超限車輛的總重與軸重的線性回歸模型進(jìn)行計(jì)算，而第一軸的軸重則按照總重減去其余各軸的軸重和得到。根據(jù)隨機(jī)生成的超限車輛的總重，按照上述原則，即可得到六軸超限車輛各軸的軸重。

3.2.3 隨機(jī)生成軸距基于擬合的六軸超限車輛軸距L3的概率分布函數(shù)，采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法隨機(jī)生成10000個(gè)六軸超限車輛軸距L3。根據(jù)表7中的相關(guān)參數(shù)，按照比例進(jìn)行隨機(jī)分配，即可得到六軸超限車輛的隨機(jī)軸距。

3.2.4 生成超限車輛由于總重和軸長(zhǎng)之間沒(méi)有明顯的相關(guān)關(guān)系，故按照總重和軸距隨機(jī)配對(duì)的原則，即可隨機(jī)生成10000輛六軸超限車輛。

4 荷載效應(yīng)分析

根據(jù)五軸和六軸超限車輛的輪軸特征，按照前述生成超限車輛的方法，各隨機(jī)生成10000輛超限車輛。選取跨徑為8 m、10 m、13 m、16 m、20 m、25 m、30 m、40 m和50 m的簡(jiǎn)支梁橋，計(jì)算超限車輛的跨中最大彎矩效應(yīng)。圖12給出隨機(jī)超限車輛和實(shí)際超限車輛的跨中最大彎矩效應(yīng)的累計(jì)密度曲線。

圖12 彎矩效應(yīng)的累計(jì)分布曲線Fig.12 Cumulative distribution curve of bending moment effect

對(duì)比二者的彎矩效應(yīng)累計(jì)分布曲線可以看出：

1）隨機(jī)生成的五軸超限車輛與實(shí)際五軸超限車輛的跨中最大彎矩效應(yīng)累計(jì)分布曲線基本吻合；跨徑大于40 m時(shí)，隨機(jī)生成的五軸超限車輛彎矩效應(yīng)累計(jì)概率在0.6～0.9區(qū)段的最大彎矩較實(shí)際超限車輛偏小；

2）隨機(jī)生成的六軸超限車輛與實(shí)際六軸超限車的跨中最大彎矩效應(yīng)累計(jì)分布曲線基本吻合；當(dāng)跨徑等于50 m時(shí)，隨機(jī)生成的六軸超限車輛彎矩效應(yīng)累計(jì)概率在0～0.1區(qū)段的最大彎矩較實(shí)際超限車輛偏大。

總體來(lái)說(shuō)，隨機(jī)生成的超限車輛與實(shí)際超限車輛的跨中最大彎矩效應(yīng)基本上是一致的。另一方面說(shuō)明了前述隨機(jī)生成超限車輛的方法是可行的。

5 結(jié)論

(1)根據(jù)廣西地區(qū)申請(qǐng)通行的五軸、六軸超限車輛的原始數(shù)據(jù)，基于概率統(tǒng)計(jì)分析理論，系統(tǒng)研究了超限車輛的總重、軸重和軸距等輪軸特征參數(shù)的概率分布，采用雙峰正態(tài)分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布，建立了超限車輛的荷載模型；

(2)采用蒙特卡洛(Monte Carlo)法各隨機(jī)生成了10000輛五軸、六軸超限車輛。對(duì)比了簡(jiǎn)支梁橋下，隨機(jī)生成的超限車輛與實(shí)際超限車輛的跨中最大彎矩效應(yīng)，驗(yàn)證了隨機(jī)生成超限車輛方法的可行性；

(3)利用隨機(jī)生成超限車輛的方法，可以為廣西地區(qū)五軸、六軸超限車輛過(guò)橋時(shí)，橋梁的安全評(píng)估研究提供車輛荷載數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

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TheEstablishmentoftheLoadModeloftheOversizedandOverweight VehiclesBasedontheMeasuredData

ZHOU Chao1,CHEN Fei2
1.Anhui Business Vocational College,Hefei 231131,China
2.Nanjing Design Branch of Pan-China Construction Group Co.,Ltd.,Nanjing 210019,China

According to the applications of overloaded vehicles pass data provided by Guangxi Highway Authority based on the probability and statistics theory,this paper used bimodal normal distribution and logical normal distribution to establish the probability distribution model of the total weight and axle base of the five-axle and six-axle vehicles in Guangxi. According to unitary normal linear regression theory,the linear regression model of the total weight and axle load were established to analyze the mutual relation between the total weight and axle base of overloaded vehicles.According to the established overloaded vehicle load model,we used Monte Carlo method to randomly generate 10,000 five-axle and six-axle overloaded vehicles and compared the maximum midspan bending moment effects generated from small and medium span simple supported girder bridge of randomly generated vehicles and the actual overloaded vehicles,verified the feasibility of the overloaded vehicles load model in accordance with the proposed method to simulate the actual overloaded vehicles,but also provided vehicle load data base for the bridge safety assessment study while the five-axle and six-axle overloaded vehicles in Guangxi passing the bridge.

Overloaded vehicles;vehicle load model;linear regression

U4

A

1000-2324(2015)05-0753-08

2014-10-02

2014-10-21

2013安徽省級(jí)質(zhì)量工程項(xiàng)目:工程造價(jià)特色專業(yè)省級(jí)質(zhì)量工程(2013tszy091)

周超(1987-),男,安徽舒城人,教師,主要研究方向?yàn)楣こ淘靸r(jià)，結(jié)構(gòu)工程.E-mail:547530304@qq.com

*通訊作者:Author for correspondence.E-mail:547530304@qq.com