黃炤炤，彭寧寧

(1.湖南省瀏醴高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410008;2.湖南天智交通建設(shè)技術(shù)有限公司，湖南長沙 410008)

2005版《新理念公路設(shè)計(jì)指南》(以下簡稱《指南》)提出:當(dāng)超高橫坡大于6%時，裝載較高、運(yùn)行速度較低的貨車容易出現(xiàn)向內(nèi)側(cè)翻事故。如果這一觀點(diǎn)正確，不僅《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》JTJ 011—94(以下簡稱《94線規(guī)》)所規(guī)定的超高值不能再采用，而且已往建成公路超高凡大于6%路段存在是否要改造的問題，關(guān)系重大，不能不慎重對待。

為了弄清這個問題，本文就《94線規(guī)》設(shè)置的超高橫坡會不會引起貨車側(cè)翻、加大橫向力系數(shù)與車輛穩(wěn)定性關(guān)系、汽車向內(nèi)側(cè)翻的原因及其預(yù)防對策等問題進(jìn)探討。

1 正常情況下汽車在彎道上受力分析

汽車在彎道上行駛必需要受到一個指向圓心的橫向力有作用，這個力稱為向心力F向，向心力F向是由汽車重力的橫向(平行路面)分力Fg和路面對汽車橫向阻力Fμ共同提供的，或者F向說是Fg與Fμ的合力。其中:

式中:m為汽車質(zhì)量，kg;V為汽車速度，m/s;R為汽車運(yùn)行半徑，m;g為重力加速度，(m·s-2);α為路面橫坡與水平面夾角;μ為橫向力系數(shù)。

由于Fμ作用在車輪底，它相當(dāng)于作用在汽車的重心處另加一個傾覆力矩Mμ=Fμ·h=h·m·g·μ·cosα，μ的取值有一個范圍，取決于車輛橫向位移的趨勢和大小，h是汽車重心至路面的高度。

F向與Fg作用在汽車的重心處，在正常情況下，兩力的方向相同，如果F向=Fg，則Fμ=0;如果F向＞Fg，則Fμ作用方向向內(nèi)，另加一個向外翻的力矩Mμ=Fμ·h;如果 F向＜Fg，則 Fμ作用方向向外，另加一個內(nèi)翻的力矩Mμ=Fμ·h。

汽車在公路上發(fā)生滑移是由于F向-Fg＞Fμ，或者說維持汽作正常行駛所需求路面的橫向力大于所能提供的最大Fμ;發(fā)生側(cè)翻是由于傾覆力矩Mμ＞M0(穩(wěn)定力矩)，即 Fμ·h＞b·m·g·cosα，b是輪距的一半，對于貨車取0.9 m。

2 《94線規(guī)》所設(shè)超高不會引起汽車向內(nèi)側(cè)翻

超高路面橫坡所產(chǎn)生的Fg是為汽車轉(zhuǎn)彎提供向心力，而向心力的大小由汽車速度和轉(zhuǎn)彎半徑?jīng)Q定，汽車速度較低有 F向＜Fg，則 Fg-F向=Fμ，F(xiàn)μ最大值等于 Fg。《94線規(guī)》規(guī)定的最大超高為10%。為了說明問題，令汽車處于最不利情況，讓汽車停10%橫坡的路面上，此況傾覆力矩大，穩(wěn)定力矩最小，有:

如h=3 m，穩(wěn)定系數(shù)為3;如h=4 m，穩(wěn)定系數(shù)為2.25，這說明在最不利情況下，汽車是安全的。認(rèn)為超高大于6%、運(yùn)行速度較低、裝載較高的貨車容易導(dǎo)致側(cè)翻事故，是不對的。雖然超高大、速度低、裝載高，會影響汽車的穩(wěn)定系數(shù)，但超高再大不會超過10%;運(yùn)行速度再低不會低于停車狀態(tài);裝載再高不應(yīng)超過5 m。因此可以斷定，汽車向內(nèi)側(cè)翻不是由于超高大、速度低、裝載高所引起的。

對于靜止的汽車穩(wěn)定性的判斷還有一個簡便方法，即汽車重心的作用線是否處車輪支承范圍之內(nèi):當(dāng)h×i＜b時，汽車是穩(wěn)定的，否則就不穩(wěn)定。如h=3 m，對于10%的路面橫坡，汽車重心作用線偏離車輪支承面中心線 3 m×10%=0.3 m，小于 b(0.9 m)，因此汽車是穩(wěn)定的。當(dāng)然汽車裝載后重心不一定在貨車的中心線處，有可能偏向貨車的一側(cè)，上述例子其最大容許偏離應(yīng)在0.6 m以內(nèi)。

3 汽車在不利側(cè)風(fēng)作用下的穩(wěn)定分析

《指南》論述超高較大汽車向內(nèi)側(cè)翻情況下或考慮不利側(cè)風(fēng)的作用，但在加大橫向力降低超高值的情況下，則未考慮不利側(cè)風(fēng)作用，兩者前提條件不一致，也無法比較兩者的穩(wěn)定性。為了比較穩(wěn)定性，可都考慮不利側(cè)風(fēng)的作用，假定貨車重心距路面h=3 m，b=0.9 m，不利風(fēng)力的大小為風(fēng)壓乘貨車的側(cè)面積。為了方便計(jì)算，可令風(fēng)力P· m·g即為汽車重力的P倍，風(fēng)力作用在貨車的重心處。按兩種典型情況進(jìn)行研究。

1)A況:貨車停在最大超高的路面上(高速公路I=10%、其它公路I=8%)，在不利側(cè)風(fēng)作用下，貨車處在向內(nèi)側(cè)翻的臨界狀態(tài)。以內(nèi)側(cè)車輪底為軸，有:

當(dāng)超高10%時，PA=0.200 0;當(dāng)超高8%時，PA=0.219 3。

2)B況:貨車在6%超高的彎道上行駛，其橫向力系數(shù):高速公路為0.15，其它公路為0.20，在不利側(cè)風(fēng)作用下，貨車處在向外側(cè)翻的臨界狀態(tài)。以外側(cè)車輪底為軸，有:

當(dāng) μ=0.15時，PB=0.149 7;當(dāng) μ=0.20 時，PB=0.099 8。

從上計(jì)算來看，在不利側(cè)風(fēng)作用下，貨車達(dá)到側(cè)翻臨界狀態(tài)所需要的風(fēng)力A況要比B況大得多，對高速公路A況是B況的1.336倍;對于其它公路A況是B況的2.197倍，也就是說汽車在A況比B況要穩(wěn)定。

還應(yīng)指出的是，對于汽車的運(yùn)行速度而言，A況是極限狀態(tài)，而B況是理想狀態(tài)，B況的車速是給定的，而實(shí)際上有相當(dāng)路段的車速有可能大于所給定的，如長下坡路段、B型單喇叭互通中的環(huán)形匝道等，就存在汽車向外側(cè)翻的可能。

綜合上述分析，加大橫向力系數(shù)、減小路面橫坡，降低了汽車運(yùn)行的穩(wěn)定性，特別對汽車速度較高具有安全隱患。隨著科技進(jìn)步，汽車性能將有進(jìn)一步提高，這種隱患會進(jìn)一步加大。

4 汽車向內(nèi)側(cè)翻的原因是駕駛失誤

汽車向內(nèi)側(cè)翻的原因是駕駛員操作失誤，即司機(jī)以較高的速度行車，發(fā)現(xiàn)前面有障礙物或因其它的原故，采取緊急反向駕駛來繞避，所謂“反向”即逆路面橫坡方向轉(zhuǎn)，這樣汽車所需向心力向外，而路面提供的橫向力向內(nèi)，此時路面對汽車橫向阻力向外，F(xiàn)μ要克服Fg，還要提供F向，在數(shù)量上等于Fg和F向之和，因此Fμ最大，所產(chǎn)生向內(nèi)側(cè)翻的力矩也最大，這就是汽車向內(nèi)側(cè)翻的原因。汽車向內(nèi)側(cè)翻就發(fā)生在急轉(zhuǎn)方向盤的一瞬間，它處于臨界狀態(tài)有:

根據(jù)以上公式計(jì)算出不同速度汽車、在不同路面橫坡側(cè)翻的臨界半徑，見表1。

從表1可以看出只要司機(jī)作了反向(汽車的橫向分力與向心力方向相反)駕駛，其急轉(zhuǎn)的半徑小于臨界半徑，汽車就會側(cè)翻，不管是在直線上(路面橫坡2%)，還是在彎道上。車速越高、車的重心越高，側(cè)翻的臨時半徑就越大。

5 汽車向內(nèi)側(cè)翻的預(yù)防對策

為了預(yù)防汽車向內(nèi)側(cè)翻，《指南》提出減小超高的路面橫坡，但從以上計(jì)算來看，路面橫坡的減小，對汽車側(cè)翻的臨界半徑影響不大，如運(yùn)行速度60 km/h、重心高3 m的貨車，在超高為8%的路段臨界半徑為129 m;而在超高為6%的路段臨界半徑為118 m，其臨界半徑基本上屬一個檔次?？梢姕p小超高橫坡不是預(yù)防汽車向內(nèi)側(cè)翻的有效辦法。

表1 重心距路面3 m/2 m貨車側(cè)翻的臨界半徑 m

既然汽車向內(nèi)側(cè)翻的原因是司機(jī)操作失誤，那么要預(yù)防這樣的事故，首先就必須讓司機(jī)保持正確的駕駛行為。要讓司機(jī)明白方向盤轉(zhuǎn)急了是要翻車的道理，養(yǎng)成不要急轉(zhuǎn)方向盤來繞避障礙的習(xí)慣，特別在彎道處、隧道洞口處，也不要在彎道上超車。對路面病害要做好預(yù)案，行車道上最常見的病害是坑洞，坑洞低于路面，遠(yuǎn)距離難以發(fā)現(xiàn)，近距離發(fā)現(xiàn)了不要采取急拐來繞避，可以考慮從坑洞上開過去，所帶來的不良后果遠(yuǎn)比急拐導(dǎo)致汽車側(cè)翻輕微得多。

其次，公路管理部單位應(yīng)加強(qiáng)對公路養(yǎng)護(hù)，及時消除公路上的病害，消除有可能引發(fā)司機(jī)作急拐駕駛的路況，公路出現(xiàn)病害及在維修期間，要及時樹立預(yù)告標(biāo)志，使車輛遠(yuǎn)距離繞避，其拐彎半徑應(yīng)在臨界半徑2倍以上。

設(shè)計(jì)人員要消除有可能引發(fā)司機(jī)作急拐駕駛的環(huán)境，在環(huán)境發(fā)生較大變化路段，如隧道洞口:洞外明亮、路寬、側(cè)向余寬大，洞內(nèi)昏暗、路窄、側(cè)向余寬小;高速公路互通:主線路寬、平縱指標(biāo)高、車速高，匝道路窄、平縱指標(biāo)低、車速低，在這些環(huán)境急烈變化時，司機(jī)不一定都能適應(yīng)，有的就可能出現(xiàn)操作失誤，因此設(shè)計(jì)要做好環(huán)境的過渡，盡可能縮小環(huán)境的反差，而不要擴(kuò)大反差，這些路段要使司機(jī)專注駕駛，那些吸引司機(jī)眼球的景觀設(shè)計(jì)是不適宜的。只有各方面共同努力，避免汽車向內(nèi)側(cè)翻的事故是完全可能的。

6 建議

公路超高值的大小直接關(guān)系到汽車運(yùn)行的安全和舒適。應(yīng)該說《94線規(guī)》所規(guī)定的超高值并沒有大的問題，可以繼續(xù)采用。06版《公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范》提出:超高橫坡應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)速度、圓曲線半徑、路面類型、自然條件和車輛組成情況確定。與《94線規(guī)》比較，增加了路面類型和車輛組成兩項(xiàng)因素，實(shí)際上這兩項(xiàng)對超高值影響不大，只要路面能提供足夠的摩阻力就行，那些不能提供足夠的摩阻力的材料是不能作路面材料，并不因?yàn)樗嗷驗(yàn)r青的路面類型不同，而采用超高值有所不同;至于考慮車輛組成情況，無非是要考慮低速車輛的安全性，實(shí)際上超高的路面首先要保證停車是安全的，在此基礎(chǔ)上再考慮低速的安全性實(shí)屬多余。俗話說，十次事故九次快，就單輛汽車的事故，絕不可能是因其低速所致。

《06線規(guī)》沒有規(guī)定超高取值，在運(yùn)用上很不方便，而且由于設(shè)計(jì)人員認(rèn)識上的差異，設(shè)置超高會有較大的不同，有可能就留下安全隱患。因此建議在路線設(shè)計(jì)規(guī)范中仍然要規(guī)定超高值，這不僅可能，而且必要。

［1］交通部公路司.新理念公路設(shè)計(jì)指南［Z］.2005.

［2］JTJ 011-094公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］JTG D20-2006公路路線設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.