考虑结构抗力时变性和动力冲击系数独立随机性的公路桥梁限载研究

Overloaded vehicles traveling on bridges may lead to the deterioration of load-carrying capacity and shortened operation life of bridges, and may even cause bridge collapse under some extreme conditions. Recent years have witnessed a number of bridge collapse accidents in China. However, the research in the area of vehicle weight regulation in China is lagging behind the needs, and no standard vehicle weight regulation has yet been established. Current research on bridge load limit is usually based on reliability methods. In the reliability analysis, the independent randomness of dynamic impact factors is usually ignored, and the ideal bridge capacity rather than the true capacity of the bridge structure is usually used, both of which will affect the accuracy of the resulting load limit. In addition, large variability exists between different load limit standards, leading to difficulties in the enforcement of these standards. This proposed project will fully consider the following factors: (1) a reasonable target reliability index based on the consideration of the needs from the local economy and transportation and the consideration of bridge safety, (2) time variation of the structure resistance due to the deterioration of materials, and (3) accurate statistic properties of the dynamic impact factor and its independent randomness. A rational load limit analysis method will be established and reasonable load limits will be proposed. The proposed project will focus on the following three aspects: establishing accurate bridge resistance models while considering its time variation, creating typical vehicle load models and calculating their load effects, and developing vehicle weight regulations based on reliability analysis. The research results from this project will provide theoretical foundation and scientific support for the development of rational vehicle weight regulations in China.

车辆超载运行轻则可以导致桥梁承载能力劣化、运营寿命缩短，重则可以直接导致桥梁垮塌。我国近年来由超载车辆引起的桥梁垮塌事故频发，然而在桥梁限载方面的研究严重滞后，尚未形成规范性的公路桥梁限载标准。目前基于可靠度理论的桥梁限载研究通常忽略了动力冲击系数的独立随机性，也少有考虑桥梁结构的真实抗力，影响了最终限载值的准确性；限载标准的多样化也给实际操作带来困难。本项目将综合考虑（1）基于实际经济、交通需求和桥梁安全等因素的合理目标可靠度，（2）由材料性能退化引起的结构抗力时变性，和（3）动力冲击系数的准确统计特性及其独立随机性，建立科学的限载分析方法，提出合理可行的桥梁限载标准。主要研究考虑时变性的准确桥梁抗力模型的建立、典型车辆荷载模型的建立及相应车载效应的计算、以及基于可靠度理论的车辆荷载限重标准的制定三个内容。本项目的完成将为我国制定合理的公路桥梁限载标准提供理论依据和科学支撑。

随着世界各国交通运输需求的不断提高，车辆超载问题日益严重，对桥梁的损伤极其显著。近年来我国由于车辆超载引起的桥梁破坏以及垮塌事故屡见不鲜。制定合理的限载标准，合理控制超载车辆，是保证桥梁安全的关键之一。然而，我国在桥梁限载方面的研究较为滞后，由于目前基于可靠度理论的桥梁限载研究鲜有考虑桥梁的真实抗力，同时动力冲击系数的独立随机性也通常被忽略，因此最终限载值的准确性很难得到保障。本项目的总体目标在于获得较为客观、合理的桥梁限载值，为我国公路桥梁限载标准提供参考依据。.本项目的主要研究内容以及研究成果包括以下几个方面：（1）研究了超载对桥梁疲劳寿命的影响规律。以往的公路桥梁限载分析方法均是基于桥梁的极限承载能力，而忽略了桥梁结构在反复车辆荷载作用下的疲劳问题。本项目提出了一种基于桥梁疲劳寿命的车辆限载取值方法，分析了超载车辆对疲劳寿命的影响以及相关重要影响因素对桥梁疲劳可靠性指标的影响，填补了该部分研究的空白。（2）研究了不同桥梁响应动力冲击系数之间的关系。以往的研究未对由不同桥梁响应计算所得的动力冲击系数的差别进行详尽讨论，规范中对于动力冲击系数的计算公式也未规定明确响应类型。本项目建立了一系列桥梁模型，通过数值模拟研究了根据不同桥梁响应（弯矩和剪力）计算的动力冲击系数值之间的关系，得到了有用的结论。（3）研究了基于虚拟简支梁法的桥梁动态称重系统算法。以往的商用BWIM系统受影响线标定的约束仅适用于短跨径桥梁，本项目提出了虚拟简支梁法，即利用桥梁上某一区段的隔离应变推算车辆的总重和轴重，所得方法可不受桥梁跨径的限制。（4）研究了钢混组合梁桥在受腐蚀疲劳耦合作用下的行为。目前，桥梁的疲劳设计是基于未考虑腐蚀影响的实验疲劳测试的数据，本项目研究了腐蚀疲劳耦合作用对最大应力幅和等效应力幅个数的影响，提出了一种简便的考虑腐蚀疲劳的桥梁设计方法。（5）研究了超限运输车辆通过多梁式简支梁桥时的合理横向行驶位置。以往对超重车辆通过公路桥梁的最佳横向位置的确定则关注较少。本研究考虑随机车辆横向位置引起的荷载分布系数的随机性，根据梁的最大弯曲应力建议了超重车过桥的最佳横向位置。.该研究项目成果一共发表（含录用）SCI论文 19篇，EI收录论文7篇。本项目所取得的成果填补了本方向上的多处空白，为限载标准的制定提供了重要的参考依据，为保障我国桥梁的安全服役以及评估提供了重要指导。