《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２1）第三部分 基础设施篇《基于重载大型车特性的港区道路桥梁设计关键技术研究与应用》

完成单位：天津市政工程设计研究总院有限公司、中交天津港湾工程设计院有限公司、山东省路桥集团有限公司

主要完成人：白子建、柯水平、吴庆东、张立文、李灿、李连强、孙峣、樊存伟、宋广君 、赵瑞军、王新岐、宋春丽、徐汉清 、付浩洋、冯仕清

项目简介

　　1.研究背景及意义

　　自“一带一路”战略实施以来，港口已发展成为海上丝绸之路的重要枢纽。目前，港口90%以上的集装箱货物都要通过港区道路交通系统进行疏解，作为港口集疏运服务的关键子系统，其服务水平直接关乎港口的服务质量和综合竞争力。为此，课题组梳理了当前港区道路交通系统存在的问题：

　　1）随着港口规模的扩大、功能的拓展、吞吐量的增加、港城关系的日益紧密，港区道路交通系统需求日益增长，导致系统安全性和通行效率大大降低；

　　2）现有港区道路设计依据一般道路设计标准规范，与真实的港区道路交通系统存在差距；

　　3）传统路基路面结构与桥梁荷载无法适应港区道路“软基重载”的特点，港区道路和桥梁长期处于超负荷状态，难以达到设计使用年限要求，维修养护频率高，使得系统服务水平降低。

　　基于上述背景，本课题以道路桥梁专业理论知识为基础，融合交通工程学、材料学、结构力学、计算机科学等多学科理论，采用多智能体仿真实验、三维虚拟现实技术，通过分析重载大型车驾驶特性和港区集疏运特征，提出港区道路安全设计、路基路面设计和桥梁荷载安全设计方法，旨在突破基于重载大型车特性的港区道路桥梁设计关键技术，提高港区道路交通系统安全性和服务水平，研究意义重大，恰逢其时。

　　2.技术概况

　　本课题以港区实地调研数据为基础，以解决港口与道路交通系统建设规模不匹配、基于港区道路系统运行特征的道路安全设计技术标准缺失、针对重载和超载条件下的港区道路路基路面结构设计要求不达标、桥梁荷载安全设计考虑不充分等问题，通过系统研究港区集疏运道路特征和重载大型车辆驾驶行为，构建了“调查数据分析—模型参数标定—三维虚拟现实仿真—实证反馈再校验”的港区道路设计与仿真协同平台；以道路桥梁专业理论知识为基础，融合交通工程学、材料学、结构力学、计算机科学等多学科理论，从道路规模预测、道路安全设计、路基路面结构设计和桥梁荷载安全设计四个方面开展研究，开发了基于重载大型车特性的港区道路桥梁设计关键技术，最后将上述研究成果应用于工程项目。

　　3.适用范围

　　本项目属于交通运输领域的技术开发类研究项目，适用于港区道路交通规划、设计与管理等工作。特别是在港区大型车集疏运交通系统评价、港区道路设计规模预测、几何线形安全设计、转弯半径与坡度组合安全设计、平面交叉口交通安全优化设计、高架下道路平面交叉口交通安全设计、港区道路出入口设计和出入口间距控制的设置、港区重载大型车道路沥青路面结构组合设计、重载大型车道路路基加固处理技术研究、各型重载车辆的荷载计算图式及其在不同运行状态下的荷载效应研究等内容。

　　4.获奖情况

　　课题荣获2021年度“中国交通运输协会科学技术奖”土木工程类一等奖。

项目创新点

　　（1）提出了一种基于船舶到离港触发的车船联动港区道路宏微观仿真技术

　　建立了基于多智能体的港区道路关键节点微观仿真模型，精准预测分车型轴载次数，合理确定港区道路设计规模。

　　（2）提出基于重载大型车驾驶行为的港区道路设计与仿真协同优化技术

　　在采集重载大型车行驶工况、驾驶员行为、港区道路等数据基础上，构建“调查数据分析—模型参数标定—三维虚拟现实仿真—实证反馈再校验”的港区道路设计与仿真协同平台，提出了适合重载大型车通行的港区道路平纵线形、交叉口、出入口的设计参数。

　　（3）提出了基于重载大型车特性的港区道路路面结构设计技术

　　首次构建重载大型车特性的港区道路路基路面综合处置措施，系统分析重载大型车港区道路的交通特性、土基加固、路面力学响应及结构组合，提出了适合于重载大型车特性的港区道路的沥青路面典型结构。

　　（4）提出了基于重载大型车特性的港区桥梁荷载安全设计方法

　　首次提出了基于重载大型车特性的桥梁荷载效应分析法和港区桥梁车辆荷载计算图示方法，建立了一套反映港区车辆荷载水平和运行状态的分析技术，提出了港区新建和既有桥梁的荷载标准和限载措施。

应用案例

　　本项目通过天津港航工程有限公司、中交海洋建设开发有限公司、山东省路桥集团青岛建设有限公司、曹妃甸港西码头有限公司、宁波市交通规划设计研究院有限公司等单位在天津、青岛、上海、大连、宁波、秦皇岛，以及喀麦隆、柬埔寨、加蓬、莫桑比克等国内外24个地区的50余个港区道路桥梁的设计、施工和养护工程项目得到了应用，应用及推广效果显著。

　　天津港南疆港区南港路示范工程，应用了路基路面结构设计方法。结果显示：各种配比固化土室内CBR均在9%以上，满足公路路基规范对CBR的要求，现场实测土壤固化剂处理层回弹模量明显高于石灰处理层，强度有较大的增加，在碎石层上施作一步固化处理层（4％石灰）压实度可达到95%以上。

　　上海洋山港临港道路建设维护项目中，应用了港区道路几何线形设计技术，针对港口道路具体交通流特点，进行交通安全设计。在应用中，提高了港区的集疏运效率，有效的减缓了港口拥堵。

　　喀麦隆克里比深水港道路桥梁工程项目，应用了路基路面和桥梁荷载安全设计方法，显著提高了喀麦隆克里比深水港港区道路桥梁设计的工程质量，设计技术先进，节约工程造价约15%，事故率降低约20%，维修养护成本减少40%以上，经济社会效益显著。

　　实践证明，本课题投入少、产出高且符合资源节约、环境友好的根本宗旨，技术经济指标先进程度很高，应用前景广阔。后续推广工作，拟采取编制相关技术标准、技术转让、技术服务等方式，着力在世界范围内港区道路设计和建设领域进行大力推广。

社会效益与经济效益

　　1.经济效益

　　优化港区用地面积约12.5万亩，按每亩每年2000元收益计算，新增利润约7.5亿元；技术服务新增收益约3.76亿元；新增收益累计约11.26亿元。

　　项目养护成本累计24.5亿元，养护成本降低40%，累计节约9.8亿元；提升道路运输效率，运输成本降低约15%，累计运输3500万辆次，节支约10.5亿元。累计节支约20.3亿元。

　　2.社会效益

　　本项目研究基于重载大型车特性的港区道路桥梁设计关键技术，提出了港区道路规模预测方法、道路安全设计方法、路基路面结构设计方法以及桥梁荷载标准。实际应用证明港区道路集疏运效率得到了较大的提升；项目工程造价节约15%，维修养护成本降低40%以上。