【原】基于动态称重系统实测轴载分布特征研究

职称申报 2022-09-07 发布于河南

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丁婷婷孙建秀韦金城张晓萌倪广聪

山东省交通规划设计院集团有限公司山东省交通科学研究院顿河国立技术大学

摘要：以济青高速改扩建工程为例，利用动态称重系统（Weight-in-Motion,WIM）实测数据分析了2019年至2020年的济青高速公路的交通轴载分布特征，获得了不同轴型车辆的轴载谱变化规律；通过对全年交通量的分析，得到了车道拓宽后的高速公路年平均日交通量调节系数及车辆横向分布系数的变化规律。研究结果表明：采用轴载谱的方法可以更加全面、精确地分析交通荷载对路面结构产生的破坏机理，可以为类似区域条件下道路设计分析提供基本的交通输入参数。

关键词：改扩建工程;动态称重系统(WIM);实测数据;轴载谱分析;交通量分析;

0 引言

交通荷载参数因交通量大、轴型多、车型多、轴重分布区间较大等原因[1,2,3]，使之成为路面结构设计中最重要的设计参数之一，也是最难以准确确定的参数之一[4,5]。目前，现行沥青路面设计规范中利用当量轴载作为输入参数，采用轴载谱方法分析采集数据，并借鉴美国AASHTO力学-经验法设计指南[6]，故可以准确、全面地描述交通荷载，有效地避免当量轴载换算带来的误差。但随着WIM系统在山东省高速公路收费站的普及应用，实测轴载谱数据成为可能[7]。WIM系统不仅可以测量动态轮胎力、车速、车辆通过时间等信息，还可以计算轮重、轴重、总重等数据，可以根据采集的数据建立数据库，可在人工无法确定交通荷载参数的情况下，为区域道路结构设计与分析提供参数参考依据，极大程度上提高了工作效率。

1 交通荷载参数的收集与处理

用轴载谱的方法描述交通荷载比以往采用交通量数据和代表车型额定轴载更全面、精确。目前我国的设计体系采用累积当量标准轴次（ESALs）来描述交通荷载，但是为了更如实地反映实际的交通水平，需采用轴载谱来计算累积当量标准轴次。

车辆荷载作用是影响路面使用寿命的关键因素之一，它一般以车辆（单车或组合车）总重、各轴型（单轴、双轴或三轴）的轴重、各轮组（单轮或双轮）的轮重表征。我国及其他一些国家对道路上行驶车辆有一个最大车辆总重和轴重许可值，如表1所示。

表1 道路上行驶车辆的轴重和车辆总重最大容许值下载原图

为了获得公路的实际交通荷载，考虑到数据采集的复杂性和完整性，尽可能地为路面设计提供完全详尽的信息，采用动态称重系统（Weight-inMotion,WIM）进行道路实测轴载谱数据采集分析处理。该系统不仅可以避免交通量数据与代表车型轴载不符的问题，还可以在计算机的控制下，对正常高速行驶中的载重车辆进行重量检测，收集车辆的重量、行驶速度、车道流量等交通信息。为类似交通条件下利用道路轴载谱来分析道路的交通荷载情况。

2 交通量分析

为能全面、精确地反应交通荷载特性，从而得到更加可靠的路面结构设计参数，对济青高速公路从2019年10月26日到2020年10月27日所有通行车辆所采集的数据处理分析，根据《公路沥青路面设计规范》[8](JTG D50—2017）确定车辆类型分布系数、轴数系数、轴重分布系数等相关数据。

2.1 年平均日交通量

通过WIM系统进行采集及统计处理，得到2020年较2019年相比，年平均日交通量明显增多，且在春秋季节（4月至5月、9月至10月）达到高峰期。如表2。

表2 济青高速年平均日交通量下载原图

2.2 车辆类型分布系数

车辆类型分布系数指的是各种类型卡车在所有卡车中所占的百分比，根据WIM数据统计，对济青高速各类车辆类型所占比例分析得到：3类车型所占分布系数最高，4类车型最少。在交通组成中，4类、7类、8类车分布系数占比重较小，3类、9类车分布系数比重较大，5类、11类车型并未分布。

2.3 车辆的行驶速度

车辆的行驶速度会对路面产生不同程度的损伤破坏，通过WIM系统对济青高速所采集到的数据分析和处理，得到了所有车的行驶速度分布图和车速的累积分布图，如图1所示。

图1 济青高速车速累计分布图下载原图

从图1分析可知，车辆速度主要集中在75～90km/h之间，且车速在85km/h分布率高达15.3%左右；车辆速度的累积分布率在50%时对应车速为73km/h，符合设计使用车速范围。

2.4 轴数系数

轴数系数是指每一种车型各种类型轴（单轴、双联轴、三联周）的平均轴数。通过我国的当量轴载换算公式（式1），对于单轴单胎和单轴双胎采取不同轮组系数分开分析，得到各车辆类型的平均轴数如表3。

表3 各类车型的平均轴数下载原图

式中：NAPTmi—m类车辆中i种轴型的平均轴数；

NAmi—m类车辆中i种轴型总数；

NTm—m类车辆总数；

i—分别为单轴单胎、单轴双胎、双联轴和三联轴；

m—2～11类车型。

2.5 卡车小时分布系数

卡车交通量小时分布系数指的是年平均日交通量在每个小时内的分布。由济青高速WIM数据统计得出2020年卡车小时分布系数，如图2所示。

图2 济青高速卡车小时分布系数下载原图

由图2分析可知：6轴车占比重最大，且夜间显著增加；3轴、4轴车型分布及运动轨迹基本一致，7轴车型分布最小，高峰时段主要分布在6:00～8:00之间，之后波动变动趋势不大；一天之中，因货车重量大、数量多，路面温度随气温的变化而变化，能够准确地反映当今社会的交通变化情况。

3 交通轴载特征分析

车辆轴载谱表示车辆不同轴型在不同轴重区间所占的百分比。按《公路沥青路面设计规范》[8](JTG D50—2017）中式A.3.1-2（式2）计算2类～11类车辆不同轴型在不同轴重区间所占的百分比，得到不同轴型的轴重分布系数[8]。

式中：ALDFmij—为m类车辆中i种轴型在j级轴重区间的轴重分布系数；

NDmij—为m类车辆中i种轴型在j级轴重区间的数量；

NAmi—为m类车辆中i种轴型的数量；

i—分别为单轴单胎、单轴双胎、双联轴、三联轴；

m—2类～11类车。

借助道可道系统软件，将WIM系统所采集到的数据按各种轴载类型的轴重区间划分得到车辆不同类型、不同轴型的轴载分布，即轴载谱，如图3～图6所示。

图3 单轴单胎轴载谱下载原图

通过分析可得，2类、3类、4类、6类、7类、8类、9类、10类车都有单轴，不同的是有前、中、后单轴之分，单轴单胎车辆类型分布比较广泛，2类、4类、6类、7类、8类、9类、10类车有双联轴，其中2类车小轴重区间分布多于其他类型车；只有8类、9类、10类车有三联轴，8类车比9类、10类车轴重区间分布相对均匀；5类、11类车型未有分布。

通过在济青高速两条拓宽车道上（3车道、4车道）设置车辆拍照系统，根据WIM系统采集的数据信息，对各断面内货车的轮迹横向分布研究得到：3车道左轮路面横向分布主要分布在90～130cm处，且115cn处所占分布比重最大，而右轮主要分布在290～325cm处，其中在305cm处分布比重较大；4车道左轮沿路面横向分布主要在65～105cm之间，其中85cm处所占分布率最大，而右轮主要分布在265～305cm处，275cm处分布所占比重最大。

图4 单轴双胎轴载谱下载原图

图5 双联轴轴载谱下载原图

图6 三联轴轴载谱下载原图

由此可见，货车在重载车道（3车道、4车道）上行驶分布比较均匀，且在大多数时间内，货车是以系列车队的形式行驶。因3车道、4车道货车相对车流量大，车速相对较慢，车间距相对较小，很难完成超车，行车安全系数高。但在交通量小时，部分货车会变换车道完成超车行为，表现为在低交通量时段，横向分布频率在左侧增大，右侧减小。

4 结语

对在山东省济青高速公路上，利用动态称重系统（WIM）实测的2019年至2020年的轴重数据进行了分析，确定了其轴载谱分布特征，通过分析发现拓宽后的高速公路年平均日交通量明显增多，交通量调节系数变化幅度较大。另外，通过采用移动测速设备，对拓宽后货车车辆的交通横向荷载分布特征进行观测分析，发现该路段行车安全系数较高。本研究也体现了在路面结构分析和设计中，采用轴载谱的方法可以更全面、更精确地分析交通荷载对路面结构的破坏作用，为类似区域条件下道路设计分析提供了基本的交通输入参数。