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车辆横向荷载效应在车道位置对桥梁荷载的影响：一个案例研究
Xiao-Yi Zhou1; Mark Treacy2; Franziska Schmidt3; Eugen Bruuml;hwiler4; Franccedil;ois Toutlemonde5，and Bernard Jacob6.
摘要
本文提出了一种车辆荷载作用在横桥向不同的车道位置对桥梁影响的研究。为了分析影响，采用有限元分析和统计分析的方法，并研究了各种技术方面的问题，包括车辆横向的车道位置，应力谱直方图，和等效应力范围的统计。在法国不同地区的公路上安装了四套运动系统收集车辆在横向车道位置的数据。对这些数据集进行统计分析，以探讨其分布特征和车辆类型、装载条件、车辆速度与车道轮廓的关系。提出双案例来研究车辆荷载效应在横向车道位置对不同类型的桥面的影响。结果表明，车辆横向位置对所经历的这两个桥面的横向应力有显着影响，且疲劳分析表明，正交各向异性钢桥面板在等效应力范围内的疲劳损伤与车辆的横向位置有着近密的联系。
关键词：动态测重系统；桥梁；车辆在横向车道位置；正交异性钢桥；钢筋混凝土桥面；有限元分析；统计分析。
引言
准确预测现有桥梁的承载能力对桥梁维修和管理具有重要意义，因为一座危桥可能对用户的安全和利益构成危害，特别是近年来随着世界范围内的交通量的 增长，由于近年来技术和动态称重技术（WIM)理论的发展，使用WIM收集交通数据进行桥梁评价是一个最流行和最有效的方法，基于WIM数据进行桥梁设计或评估的一般程序由库玛等人发明。
传统上来说，WIM数据被用来评估桥梁结构或构件的整体性能，例如主梁的纵向弯矩和剪力。然而，桥面是桥梁结构中最易损坏的地方，特别是在轻型钢桥面，正交异性钢桥面板的板肋（或板槽）焊缝产生疲劳裂纹在近年来被频繁的报道出来。研究表明这种焊接接头容易产生裂缝，因为由车轮荷载引起的弯矩在横向方向这是一个非常局限的平面弯矩。而且，车轮作用的位置在这些由于槽的尺寸和槽的间距影响应力的因素（如路面厚度、桥面板厚度）中是特别重要的。相比与正交异性钢箱梁桥面，如果钢筋混凝土桥面板结构的设计遵循适当的规范，如欧洲规范（EN），钢筋混凝土桥面板在正常的交通条件下是不可能发生疲劳损坏的。然而，车轮荷载对局部效应有着显著的影响，这可能会扩大现有的裂缝，从而加快结构的退化。轻型桥面板、倾斜桥面板和用梁间距较大的梁支撑的桥面板的应力应变在加固的情况下会变大。混凝土板受收缩和底部钢筋的约束，例如那些经常使用的钢-混凝土组合桥面板，可能是脆弱的。要求定量分析车轮荷载在混凝图桥面板和正交异性钢桥面板的精确作用位置对局部的影响。
许多基于WIM数据对现有桥面的研究主要集中在车轮荷载值和不考虑车轮荷载精确位置的研究。例如，Wang et al. (2005) and Xiao et al. (2006)使用将车轮荷载完全地放置在所研究的接头处引起的应力，以评估疲劳损坏，这可能会高估疲劳损坏。虽然英国标准协会（BSI）的多路径模型（1980）和欧洲标准化委员会的标准（CEN）（2003）通过步骤中的车辆中心线100毫米和指定重量引起的集中应力被发展来设计的新结构，一些研究者已经使用了这些建议的模型来评估现有的结构。例如，巴蒂斯塔等人（2008）使用英国标准5400 -建议的模型，以评估巴西现有桥梁的正交异性钢桥面。各种研究人员指出，推荐的模型过于保守，不适合评估现有的结构。Xiao et al. （2008）假定车轮的横向位置遵循正态分布，标准偏差为300毫米。Maljaars -et al.（2012）推荐使用正态分布与150毫米的标准差而不是欧洲规范推荐的模型来评估在荷兰的桥梁。此外，由于潜在的好处，以概率为基础的安全评估方案已经越来越受工程界的欢迎。准确地了解相关参数的不确定性对使用基于概率的方法是必要的。对关键的细节如正交异性钢桥桥面接缝槽的疲劳计算，对横向分布的中心位置应清楚，与一个300毫米的槽间距约plusmn;精度50毫米（德容2006；kolstein 2007；戈麦斯2012）。总之，当使用WIM数据更准确的获得车辆荷载对桥梁的影响可以用考虑减少车辆在横向车道的位置。然而，很少同时测量车辆轴载和相关车辆在车道横向位置。
用考虑车辆荷载在车道横向位置分布模型来评估交通荷载效应对桥梁响应的影响，动态称重系统是用来收集在车辆在横向的位置信息。与常规性两传感器称重系统相比，在这项工作中使用的系统有三条传感器；附加条传感器用于测量车辆相对于车道中心的横向位置。对收集到的数据进行统计分析，通过结合对结果产生影响的交通数据进行结构分析。在下面的章节中，对在车轮荷载作用下的钢筋混凝土桥面板和正交异性钢桥面板的应力分布进行说明。三条传感器称重系统及其测量车辆的横向位置的原理作简要介绍。利用统计和灵敏度技术分析了车辆在车道位置的车辆反式特征。将车轮在车道横向位置的影响与规范推荐分布模型进行比较研究车辆荷载在横向对桥面的影响。最后，得出本研究的结论。
桥面板在车轮荷载作用下的应力特性
在这项研究中进行有限元分析，以证明卡车车轮荷载对桥面板的局部和横向应力的影响。采用商业软件ANSYS 11对两种类型的桥面板进行分析：（1）钢筋混凝土桥面板（2）正交异性钢桥面板。以下两小节分别描述这两种桥面板的细节。
箱梁桥面板
以在瑞士弗州莫尔日的桥面板为钢筋混凝土的预应力混凝土桥梁，作为一个典型案例。这座桥为三跨，双箱梁结构，总长度为110.5米（图1），在本研究中使用的横截面的细节如图1所示。八节点壳单元被用于匹配混凝土箱梁。为了分析局部效应，在整体模型中用粗网格仔细地划分为50times;50 mm的元素进行研究（图2）。被应用在桥面板上面积为400times;400毫米的正方形的10 kN（约1吨）单元荷载模拟一个与EN 1991（CEN 2003）引用的荷载模型一致的典型的轮胎接触面积,荷载沿纵向和横向移动，在靠近桥面中心的研究点位置以每步0.1m的速度移动，然后每步以更大的速度远离检查点。通过这一数值分析，就可以研究桥面板的钢筋应变的影响面。如图3所示横向钢筋的应变在查位置的影响面（见图1）。
以下的观察资料可以绘制影响面：（1）在横桥向，在这个点上的轨迹完全可以比其他轨迹产生更大的横向应力，加载位置远离检查位置时应变是显著减少的，当加载位置远离检查点的位置超过2m时产生的影响可以忽略不计；（2）在纵桥向，有相似的曲线，但是影响范围更大，例如，当荷载位置在5m远时应力消失。一般来讲，钢筋的横向应变显著的集中在一个局部的小区域形成尖锐的影响面，尤其在横桥向。应变对车轮的加载位置敏感。然而，需要注意的是，在目前的状况下，荷载在钢筋上产生的应力振幅比钢筋的强度小。比如，由交通荷载引起的钢筋最大应力大约26.5MPa，但屈服强度300MPa。虽然疲劳不是特别要关心的细节，所观察到的影响面的表现可能对于其他桥面板更薄的同类型桥更重要。
正交异性钢桥面板
正交异性钢桥面板主要用于轻型移动桥梁和大跨度桥梁。在这项研究中，选定一个位于法国南部的多塔斜拉桥米约高架桥的正交异性钢桥面板（图4），作为一个例子来说明正交异性钢板对通过卡车车轮荷载的敏感性。它被设计为一个封闭的盒子，具有一个全焊接的正交各向异性桥面板，构造深度为4.2米，宽度为32米，有两个车道且每个方向都有一个应急车道。该桥的桥面板厚度为12至14mm，慢车道下方的桥面板厚度为14mm，其他车道的桥面板厚度为12mm，槽形加劲肋的壁厚和长度分别为6mm和600mm，槽顶宽300mm，槽底宽200mm，槽深300mm。因此，在横桥向每隔300mm都有一个槽形加劲肋支撑，在纵桥向每隔4m都有一根横梁支撑槽形加劲肋。钢材的杨氏模量为210GPa，泊松比为0.3。桥面板被4mm的防水层和70 mm的桥面铺装层覆盖。
为了进行横向应力分析，用部分结构代替全桥结构建模是足够的。因此，慢车道下方的梁段用7根梯形肋和4根横梁来模拟。槽形加劲肋和桥面板用线弹性板桥单元模拟，因为这些都可以在平面内张拉/压缩，平面内/平面外剪切，平面外弯曲。效率与精度之间的平衡，三个内槽和甲板之间进行精细的网格划分，采用25times;25毫米的元素，其他部分的啮合采用50times;50毫米粗元素测量，在横纵向约束桥面板垂直方向（Z）的平动，但允许转动，并约束横向和垂直向（X和Z向）的平动，但可以绕模型的Y轴转动或横梁可以伸出梁腹板。
为了研究关注点位置的应力影响线，考虑了两种车轮荷载的路径，一种是车轮荷载沿着纵向移动，另一种是沿着横向移动。车轮荷载对桥面板上的37条横向路径和99条纵向路径进行模拟，因此，每一种类型的车轮都考虑了3663种情况下的车轮荷载。大多数情况下荷载被分布在第二跨的三根加劲肋上，在这个特殊的区域，荷载在纵向和横向分别以每步0.1m和每步0.075m的速度移动。
选择5个易疲劳开裂位置（见图5）的应力来评价它们与车辆荷载位置的关系，桥面板的外部和内部分别至槽外面的接缝处和槽壁，在这些位置的应力应该和桥面板底面的焊脚与向上传播到桥面板的疲劳裂缝有关。在槽的上部至槽与桥面板接缝处位置的应力可能与在腹板上的疲劳裂缝有关，在槽面与槽底至加劲肋拼装节点的纵向应力可能与疲劳裂缝有关，在第二跨跨中的五个点的纵向应力影响线和横向应力影响线如图6和图7所示。在图6中，纵坐标表示在桥面板不同位置的应力，横坐标表示荷载在纵桥向的位置。先前的研究表明沿着不同的纵向路径的车轮荷载的影响线具有相似的形状，因此，车轮荷载在接头处移动的纵向影响线如图6所示。
如图6所示，所有的应力向影响线很短，而跨区域外的应力可以忽略不计。这意味着这种纵桥面板的一个重要特征一个车轴都产生一个应力循环，车轮荷载的位置进一步远离所考虑的点，产生的应力较小。最大应力总是发生在车轮荷载靠近断面时，当荷载接近该点时应力由拉应力变成压应力，在车轮荷载下的桥面板的应力达到了75.3MPa，在槽形加劲肋上的横向应力影响线比在桥面板上的更小。例如，承受相同荷载时槽形加劲肋上部的应力约为20.6MPa。
图7清楚的表明，当荷载位置远离考虑的点的位置时，槽形加劲肋和桥面板上的应力显著小，当加载位置距离考虑的的点600mm时所有的应力都变为零。在桥面板底面的两个应力在加载位置远离节点时都迅速消失。在槽壁上产生最大应力或应力范围。应力是压应力或者拉应力取决于车轮荷载是在槽形加劲肋上还是在槽形加劲肋之间，这意味着车辆处于不同的横向位置可以产生很大的应力范围。由于车轮荷载横向移动，槽行加劲肋上部的槽壁的应力波有明显的波动。当荷载位置在槽壁的左侧时槽壁受压，当荷载位置在槽壁的右侧时槽壁受拉。当加载位置距离加劲肋接头位置大约200mm而不是在加劲肋上时将产生最大压应力或最大拉应力。在槽形加劲肋旁边和底部的应力与桥面板接近检查点的应力具有相似的特征，即车轮荷载相当接近应力调查点时应力显著增加，当车轮荷载移动到应力调查截面时应力达到峰值。
量化应力波的波动与加载位置，不同加载位置已产生的应力、sigma;相比，sigma;高峰时产生的荷载定位在研究对象的相对差异百分比为：
在一般情况下，荷载位置在桥面板的外缘时产生峰值应力，当荷载远离时在桥面板上、槽形加劲肋旁边和底部的应力减小，如表1所示。当加载位置远离300mm时，在某些位置的应力（如桥面板外缘）已经减少了大约一半。当加载位置远离450mm时，在大多数位置的应力已经减少超过50%，甚至减少了100%。此外，加载位置从槽形加劲肋右侧远离比从左侧远离时应力减少更快。在这五个研究的位置上槽形加劲肋上部的应力对加载位置更加敏感。这表明加载位置，尤其在横桥向，对所研究的应力产生显著的影响。当车轮加载时尽可能的去研这些关键位置的应力是十分必要的。
从动态称重系统测量结果的统计分析
车道位置记录装置车辆横向
在这项研究中使用的数据记录采用了新开发的三次压电动态称重系统。 这类系统已经在位于法国的RN4高速公路进行测量车辆轴载和标定车辆车轴的横向位置的开放性试验。测试结果显示了这套系统可以提供非常均匀且一致的测量。动态称重系统有两条横向压电传感器
和斜向条形传感器（如图8所示）。由于通过的车辆在压力传感器上作用压力从而使压电传感器的电压产生变化，在这个变化的基础上可以计算出车辆轴载。通过车辆车轴也中断由循环传感器产生的磁信号，从而可以确定车辆构造信息，如数量的车轴，轴间距，以及之间的保险杠和转向/后桥的距离。
假设车辆从装置左侧向右侧行驶，在一条直线上，车辆到达传感器A的时间为TA，通过传感器B离开装置的时间为TB，车辆以恒定的速度通过该装置，并已知两个传感器沿行驶方向之间的距离为D，车辆的速度被确定为：
当左侧和右侧的车轮通过传感器C时，相应的时间和被分别记录下来，然后通过公式得出车辆的宽度：
在车道上的车辆的中心线的横向位置可以在已知位置的车道中心线的基础上计算：
因此，一个负的值意味着车辆被转移到左侧，和一个正值对应于向右侧的转向。
结论
在本文提出的研究的基础上，得出以下结论：
1.以一个考虑了车辆在横向的车道位置的更复杂的方法对现有桥梁结构进行实地交通荷载效应分析，车辆在车道的横向位置对正交异性钢桥面板上的槽形加劲肋和桥面板有非常重要的影响。不考虑横向车道的位置可能会导致在细节上高估或低估实际疲劳损伤。因此可能作出不适当的决定用于对桥梁进行干预。评价桥梁状态或生成维护策略，进行现场测量和模拟交通荷载的影响时，应同时记录车辆的重量和车辆在横向的车道位置。
2.WIM系统从法国的四条高速公路收集到的车辆在横向车道的位置信息的统计分析结果表明，车辆在横向车道位置的分布不同于EC1中推荐使用的模型的分布类型和统计类型。敏感性分析表明差异是由不同的车道横截面和车辆速度引起的。虽
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