張科超，王 博，劉海強(qiáng)

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044； 2. 中路高科交通檢測(cè)檢驗(yàn)認(rèn)證有限公司，北京 100088；3. 長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 4. 北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

隨著我國(guó)綜合國(guó)力的增強(qiáng)，橋梁的建設(shè)規(guī)模及技術(shù)水平已經(jīng)居于世界前列，截至2019年末,全國(guó)公路總計(jì)橋梁87.83萬(wàn)座，總里程達(dá)6 063.46萬(wàn)m[1]。路橋結(jié)合部存在差異沉降、路面凹陷、坑洼等病害，汽車駛過(guò)該路段時(shí)，由于落差原因，車輛會(huì)發(fā)生跳車現(xiàn)象，尤其是車速較大時(shí)，汽車極易失控，引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。此外，橋頭跳車現(xiàn)象會(huì)引起較大的沖擊力，會(huì)直接影響乘客及駕駛員的舒適性[2]。

目前，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者對(duì)橋頭跳車現(xiàn)象進(jìn)行了研究，并積累了一定了研究基礎(chǔ)，主要集中在橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生的危害、原因機(jī)理及防治措施方面[3]。在橋頭跳車危害方面，Hu等[4]利用減速度指標(biāo)分析了設(shè)置搭板和不設(shè)置搭板2種情況下，橋頭跳車對(duì)行車安全的影響，發(fā)現(xiàn)行車速度、臺(tái)階高度、搭板設(shè)置情況對(duì)行車安全有明顯影響。Bai等[5]在橋頭路段車輛碰撞機(jī)理研究的基礎(chǔ)上，以減速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)提出了交通安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和各安全等級(jí)的閾值。杜志剛等[6]利用車輛振動(dòng)加速度差值作為指標(biāo)，分析了橋頭跳車行車風(fēng)險(xiǎn)，發(fā)現(xiàn)橋頭跳車的危害程度與車輛經(jīng)過(guò)橋頭時(shí)的行駛速度呈正相關(guān)。在橋頭跳車原因機(jī)理及防治措施方面，Yang等[7]在深埋混凝土板法的基礎(chǔ)上提出了一種低分割板-樁基礎(chǔ)處理方法，克服了深埋混凝土板機(jī)械承載力的不足和易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的問(wèn)題。潘曉東等[8]研究發(fā)現(xiàn)駕駛員心率的變動(dòng)和行車加速度可作為橋頭跳車路段行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，橋頭跳車加重駕駛員心理負(fù)擔(dān)會(huì)對(duì)行車安全產(chǎn)生較大影響。章蘇亞等[9]利用FLAC3D仿真計(jì)算軟件分析了等長(zhǎng)樁、2種長(zhǎng)短樁各類情況下橋頭的沉降特性，發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)短樁聯(lián)合格柵能減小沉降量并避免樁基路段結(jié)束處的跳車感。

目前橋頭跳車現(xiàn)象舒適性研究較少，尤其缺乏舒適性的相關(guān)控制標(biāo)準(zhǔn)，本研究提出橋頭跳車現(xiàn)象舒適性評(píng)價(jià)的一種方法，以縱向加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用Carsim仿真軟件分析橋頭落差、行駛速度、道路平縱線形等因素對(duì)行車舒適性的影響，并對(duì)仿真路段進(jìn)行行車舒適性評(píng)價(jià)。

1 橋頭跳車現(xiàn)象及影響分析

1.1 橋頭跳車現(xiàn)象

橋頭跳車是橋涵兩端與道路連接處不均勻沉降，繼而引起車輛行駛在該位置時(shí)產(chǎn)生顛簸的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，如圖1所示。橋頭跳車引起的車輛顛簸會(huì)直接影響車輛行駛舒適性，間接影響駕駛員對(duì)車輛的控制能力，尤其在高速公路行駛中，橋頭跳車引起的車輛躍起和急減速會(huì)引發(fā)諸多安全問(wèn)題，車輛狀態(tài)較差時(shí)橋頭跳車可能引發(fā)車輛機(jī)械故障。同時(shí)，橋頭跳車現(xiàn)象對(duì)交通流也會(huì)產(chǎn)生間接影響，導(dǎo)致道路通行能力降低。

圖1 橋頭沉降示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridgehead settlement

橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生原因有多種，其中主要原因?yàn)闃蝾^與路堤之間不均勻沉降產(chǎn)生橋頭沉降引起的橋頭跳車。路堤沉降量主要由地基沉降量和填土沉降量2部分組成。當(dāng)橋頭伸縮縫設(shè)置不當(dāng)時(shí)，也會(huì)出現(xiàn)伸縮縫變形引起的橋頭跳車，由于更換伸縮縫可有效解決此類問(wèn)題，因此該問(wèn)題較少存在。此外由于橋頭與路面剛度不同，也會(huì)增加橋頭跳車的振動(dòng)效果，但并非主要原因。因此本研究主要以橋頭與路堤之間沉降不均勻產(chǎn)生“錯(cuò)臺(tái)”引起的橋頭跳車為研究對(duì)象。

1.2 橋頭跳車對(duì)行車影響

車輛經(jīng)過(guò)橋頭路段時(shí)，具有一定經(jīng)驗(yàn)的駕駛員會(huì)在經(jīng)過(guò)橋頭前采取減速制動(dòng)措施，以減小車輛顛簸。當(dāng)車輛出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象后，大部分駕駛員會(huì)采取減速措施以控制車輛穩(wěn)定性。根據(jù)目前研究可知，當(dāng)橋頭落差高度小于1.5 cm時(shí)，橋頭跳車引起的車輛顛簸較小，對(duì)車速幾乎無(wú)影響。而隨著橋頭落差高度的增高，車輛顛簸嚴(yán)重程度增加，對(duì)車速影響增加，當(dāng)橋頭落差高度達(dá)到5 cm以上時(shí)，車速受影響程度極大[10]。橋頭落差高度對(duì)行車速度的影響如表1所示。

表1 橋頭落差高度對(duì)行車速度的影響Tab.1 Influence of bridgehead drop height on driving speed

根據(jù)相關(guān)研究，橋頭落差高度與車速降低值呈正相關(guān)，即車速降速值隨橋頭落差高度的增加而增大，其定量關(guān)系為：

v=1.845h1.12,

(1)

式中，v為速度的降低值；h為橋頭落差高度。

除了橋頭落差外，已有相關(guān)研究表明橋頭跳車現(xiàn)象引起的車輛顛簸程度與行車速度直接相關(guān)，郭益安[11]利用ADAMS對(duì)不同車速條件下經(jīng)過(guò)橋路連接處時(shí)車輛的振動(dòng)情況進(jìn)行仿真，發(fā)現(xiàn)隨著車速的提高輪胎受力和底盤(pán)垂向加速度均有明顯的增加。

2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

行車舒適性主要指車輛行駛過(guò)程中乘客心理和生理的感受狀態(tài)水平，其主要受車輛狀態(tài)、車內(nèi)空間環(huán)境、道路線形、路面狀況及駕駛?cè)瞬僮魉降纫蛩赜绊?。在公路研究領(lǐng)域主要考慮路面狀況和道路線形2個(gè)方面。行車舒適性較差時(shí)，乘客在會(huì)出現(xiàn)惡心、嘔吐、頭痛、面色蒼白、精神緊張、心率紊亂等現(xiàn)象。

在行車舒適性評(píng)價(jià)研究方面，目前采用斯佩林舒適性評(píng)價(jià)方法[12]、國(guó)際舒適性評(píng)價(jià)方法[13]、橫向力系數(shù)評(píng)價(jià)方法[14]、縱向加速度評(píng)價(jià)方法[15]、加速度干擾法[16]5種方法較為廣泛，具體見(jiàn)表2。

表2 行車舒適性評(píng)價(jià)方法Tab.2 Evaluation method of driving comfort

當(dāng)汽車在平直路段行駛時(shí)，縱向加速度as幾乎為零，在經(jīng)過(guò)路橋連接處時(shí)，橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生縱向加速度，縱向力作用在車內(nèi)駕駛員及乘客身上產(chǎn)生顛簸引起不適。目前，根據(jù)《汽車?yán)碚摗穂16]中縱向加速度允許的界限值的規(guī)定，見(jiàn)表3。

表3 縱向加速度與行車舒適性的關(guān)系Tab.3 Relationship between longitudinal acceleration and driving comfort

Herman提出將加速度干擾作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用加速度與平均加速度的標(biāo)準(zhǔn)差描述行車舒適性，目前多用于橫向加速度干擾的評(píng)價(jià)[17]。由于車輛經(jīng)過(guò)橋頭路段時(shí)，車輛加速度會(huì)因車輛前后輪通過(guò)產(chǎn)生多次波動(dòng)，并且一般路段縱向加速度幾乎為零，因此本研究在加速度干擾法的基礎(chǔ)上，引入縱向加速度干擾作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，以充分考慮多次顛簸情況，具體計(jì)算方法為：

(2)

式中，φ為縱向加速度干擾；amax為單次波動(dòng)的加速度波峰極值；amin為單次波動(dòng)的加速度波谷極值；n為顛簸次數(shù)。

根據(jù)Herman提出的以加速度干擾為行車舒適性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[17]，將縱向加速度干擾為指標(biāo)進(jìn)行舒適度評(píng)價(jià)分級(jí)，見(jiàn)表4。

表4 縱向加速度干擾與行車舒適性評(píng)價(jià)分級(jí)Tab.4 Longitudinal acceleration interference and driving comfort evaluation classification

3 仿真模型建立

已有許多學(xué)者利用Carsim軟件對(duì)公路安全性及舒適性進(jìn)行研究，為道路行車相關(guān)研究提供了可行有效的試驗(yàn)方法[18]。本研究采用小型車動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》建立道路模型、車輛模型及駕駛員模型,其中道路模型中平面指標(biāo)采用“直-緩-圓”基本組合，路段長(zhǎng)度共500 m，其中直線段長(zhǎng)100 m，緩和曲線長(zhǎng)100 m，圓曲線長(zhǎng)300 m，縱斷面采用直坡，圓曲線半徑和縱坡坡率根據(jù)仿真工況選擇，橋頭位置位于K0+250處。車輛模型選擇“B-Class，Hatchback 2012”車型，簧載質(zhì)量1 130 kg。駕駛員模型采用人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)仿真，由軌跡控制、速度控制和剎車控制3部分組成。沿車道中心線行駛，速度控制根據(jù)仿真工況選擇，剎車控制根據(jù)式(1)計(jì)算模擬。

4 舒適性影響因素分析

4.1 仿真策略

為了綜合驗(yàn)證分析道路線形指標(biāo)、橋頭落差、車速、高速公路橋頭跳車路段對(duì)駕駛員舒適性的影響，選用橋頭落差高度、車速、縱坡和曲線半徑作為主要影響因素，根據(jù)不同工況，設(shè)計(jì)4組仿真試驗(yàn)，仿真策略見(jiàn)表5。

表5 四種工況下的仿真策略Tab.5 Simulation strategies under 4 working conditions

4.2 仿真結(jié)果分析

圖2(a)～(d)分別表示不同橋頭落差、行駛速度、縱坡及圓曲線半徑條件對(duì)縱向加速度Az的影響?？梢钥闯?，在橋頭前后位置行駛平穩(wěn)時(shí)，縱向加速度為零；車輛在K0+250處經(jīng)過(guò)橋頭位置時(shí)，縱向加速度出現(xiàn)震蕩，對(duì)駕駛員舒適性有明顯影響。此外，各工況條件下波峰呈狀態(tài)趨勢(shì)一致，且縱向加速度峰頂絕對(duì)值大于峰谷絕對(duì)值，多數(shù)情況下第2次震蕩的縱向加速度峰頂絕對(duì)值大于第1次震蕩，與2軸車輛實(shí)際經(jīng)過(guò)橋頭臺(tái)階的現(xiàn)象一致。

由圖2(a)可知，縱向加速度的峰值隨橋頭落差增大而增大，且當(dāng)橋頭落差達(dá)20 mm以上時(shí)第2次震蕩明顯，說(shuō)明車輛駕駛員及乘客舒適度隨橋頭落差增大而降低。由圖2(b)可知，縱向加速度的峰值隨行駛速度V的增大而增大，但除80 km/h工況條件外，當(dāng)車速為60，100，120 km/h時(shí)，第2次震蕩的縱向加速度波峰明顯，說(shuō)明一定范圍內(nèi)車輛駕駛員及乘客舒適度隨行駛速度增加而減小，但車輛以較低車速經(jīng)過(guò)橋頭時(shí)震蕩次數(shù)與車速較高時(shí)一致，因此車輛通過(guò)橋頭臺(tái)階時(shí)，車速降低超過(guò)一定范圍后不會(huì)增加乘車舒適度。由圖2(c)可知，縱向加速度的最大峰值在上坡路段較下坡路段少，并且下坡路段縱坡越陡，乘車舒適性越低，上坡路段縱坡越陡，乘車舒適性越高。由圖2(d)可知，在一定范圍內(nèi)，縱向加速度的峰值隨平曲線半徑變化不明顯，因此乘車舒適性與平曲線半徑關(guān)系不大。

4.3 行車舒適性評(píng)價(jià)

根據(jù)仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示橋頭落差、車速、縱坡對(duì)乘員舒適性影響較大，而曲線半徑對(duì)乘員舒適性影響較小，進(jìn)一步對(duì)最大縱向加速度amax和縱向加速度干擾φ進(jìn)行計(jì)算，并根據(jù)表3及表4評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)行駛舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表6所示。

5 結(jié)論

(1)運(yùn)用車輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件Carsim進(jìn)行了仿真。仿真試驗(yàn)結(jié)果顯示，橋臺(tái)落差、車速、縱坡對(duì)乘員舒適性影響明顯，而曲線半徑對(duì)乘員舒適性無(wú)明顯影響。根據(jù)舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果，當(dāng)橋頭落差大于20 mm、車速大于100 km/h時(shí)舒適性相對(duì)較差。此外，橋頭位于上坡路段時(shí)較下坡路段舒適性高。

(2)驗(yàn)證了以最大縱向加速度和縱向加速度干擾為指標(biāo)的評(píng)價(jià)效果，評(píng)價(jià)結(jié)果基本一致，均能夠有效評(píng)估乘車舒適性，并對(duì)乘員舒適性進(jìn)行評(píng)價(jià)分級(jí)，可以作為評(píng)價(jià)橋頭跳車現(xiàn)象的主要依據(jù)和方法。根據(jù)目前指標(biāo)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，以最大縱向加速度為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，指標(biāo)較為嚴(yán)苛，在制訂實(shí)際工程養(yǎng)護(hù)策略中難以分辨重點(diǎn)及難點(diǎn)，而以縱向加速度干擾為評(píng)價(jià)指標(biāo)能夠更加精確地分辨舒適度提升的重點(diǎn)及難點(diǎn)，更加適用于實(shí)際工作。

圖2 四種工況下縱向加速度變化情況Fig.2 Changes of longitudinal acceleration under 4 working conditions

表6 橋頭跳車路段乘員舒適性評(píng)價(jià)結(jié)果Tab.6 Evaluation result of occupant comfort on bridgehead bumping section

(3)所提出的舒適度評(píng)價(jià)指標(biāo)和方法，為評(píng)估和防治橋頭跳車現(xiàn)象對(duì)舒適度影響提供了一種新的方法，在運(yùn)營(yíng)階段可通過(guò)實(shí)車測(cè)試橋頭位置處的縱向加速度，進(jìn)一步根據(jù)最大縱向加速度和縱向加速度干擾判定橋頭跳車嚴(yán)重程度。在設(shè)計(jì)階段可以采用控制縱坡大小，將橋頭設(shè)置于上坡路段等方法；運(yùn)營(yíng)階段可以采用路段限速等方法，以提高路段行車舒適性。