胡思濤 項(xiàng)喬君 朱艷茹

（1.東南大學(xué)交通學(xué)院 南京 210096；2.淮陰工學(xué)院 江蘇 淮安 223003）

0 引言

近幾年我國公路橋梁總量持續(xù)增加，至2011年底全國公路橋梁達(dá)68.94萬座、3 349.44萬m［1］。作為公路基礎(chǔ)設(shè)施的組成部分，橋梁在整個(gè)線路中起到了重要的聯(lián)結(jié)作用。但值得注意的是，處于營運(yùn)中的橋梁臺(tái)后普遍存在著搭板斷裂及不均勻沉降，最終導(dǎo)致橋頭跳車現(xiàn)象的產(chǎn)生，嚴(yán)重影響著公路行車的安全性和舒適性。目前針對(duì)橋頭跳車的主要研究集中于其產(chǎn)生的原因、危害及對(duì)策方面［2－5］，缺少橋頭跳車對(duì)行車安全影響的定量評(píng)價(jià)。本文在明確橋頭跳車對(duì)行車安全影響機(jī)理的基礎(chǔ)上，以交通流指標(biāo)為媒介，選取合適的評(píng)價(jià)指標(biāo)和分析方法，建立橋頭跳車評(píng)價(jià)指標(biāo)與行車安全的關(guān)系模型，并提出影響等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)。利用該模型可準(zhǔn)確判斷不同的橋頭跳車狀況對(duì)行車安全的影響程度，評(píng)價(jià)結(jié)果能夠?yàn)橄嚓P(guān)部門日常養(yǎng)護(hù)和采取交通安全改善措施提供依據(jù)。

1 評(píng)價(jià)指標(biāo)

1.1 橋頭跳車評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于不同的橋頭連結(jié)形式，橋頭跳車的形式也不同。當(dāng)橋頭為搭板連結(jié)時(shí)，因?yàn)槌两档脑?，行車軌跡為折線形式，搭板兩端的縱坡差形成了1個(gè)突變的縱坡轉(zhuǎn)折；當(dāng)橋頭不設(shè)搭板時(shí)，橋頭形成了1個(gè)類似于臺(tái)階式的陡坎。這2種橋頭連結(jié)形式下的跳車機(jī)理不盡相同，評(píng)價(jià)指標(biāo)也有所差別。

1.1.1 設(shè)搭板時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

橋頭搭板的設(shè)計(jì)參數(shù)是由橋頭填土的高度決定的，一般搭板長度的取值為3、5、6、8、10 m 不等。由于搭板兩端的不均勻沉降，導(dǎo)致1個(gè)縱坡轉(zhuǎn)折的形成，以搭板長5 m為例，若搭板兩端的不均勻沉降相差10cm，那么搭板的縱坡為：10／500＝2%，見圖1。

圖1 設(shè)搭板的路橋過渡段示意圖Fig.1 Schematic diagram of transition section between bridge and road with approach slab

對(duì)于高速行駛的車輛，縱坡突然的轉(zhuǎn)折對(duì)車輛行駛非常不利，不僅會(huì)加劇汽車的顛簸，影響行車舒適，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)行車事故。汽車在橋頭的行車機(jī)理十分復(fù)雜，不同搭板長度、不同沉降值及不同車型、車速，其影響程度均不相同。當(dāng)汽車行駛至橋頭搭板過渡路段時(shí)，其受力情況見圖2。

圖2 行車經(jīng)搭板時(shí)受力分析圖Fig.2 Stress analysis figure of vehicle passing approach slab

根據(jù)文獻(xiàn)［6］的研究，由于車輛從路面行駛至橋面過程中，前后輪經(jīng)過AB 段因縱坡轉(zhuǎn)折造成一定的動(dòng)能損失，從而降低行車速度。車輛前輪經(jīng)過A 點(diǎn)到后輪經(jīng)過B 點(diǎn)時(shí)的動(dòng)能損失為

式中：d為汽車軸距，m；m為汽車質(zhì)量，kg；L為搭板長度，m；Δy為不均勻沉降量，cm。

由式（1）可以計(jì)算車輛通過橋頭的動(dòng)能損失，由動(dòng)能損失可求出速度差，由此在橋頭跳車和交通流指標(biāo)（速度差）之間建立了聯(lián)系，為后續(xù)評(píng)價(jià)奠定了基礎(chǔ)。因此，對(duì)于設(shè)搭板的路橋過渡段，選取橋頭不均勻沉降量Δy和搭板長度L 作為橋頭跳車的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

1.1.2 未設(shè)搭板時(shí)的評(píng)價(jià)指標(biāo)

未設(shè)置橋頭搭板時(shí)，由于橋臺(tái)和引道土體沉降差異在橋頭形成1個(gè)類似于臺(tái)階的陡坎，見圖3。從車輛的實(shí)際行駛情況來看，臺(tái)階形成的高差對(duì)行車的影響比設(shè)置搭板時(shí)的縱坡轉(zhuǎn)折對(duì)行車的影響更大，降低了行車速度，并且造成駕乘人員嚴(yán)重不適，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成交通事故。其對(duì)行車安全的影響大小與臺(tái)階高度h緊密相關(guān)。所以對(duì)于設(shè)搭板的路橋過渡段，選取臺(tái)階高度h 作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。

圖3 未設(shè)搭板時(shí)路橋過渡段示意圖Fig.3 Schematic diagram of transition section between bridge and road without approach slab

1.2 交通流指標(biāo)

道路交通安全狀況是與交通流運(yùn)行特征有關(guān)，不同的交通流運(yùn)行特征對(duì)應(yīng)不同的交通安全狀態(tài)。交通流運(yùn)行平穩(wěn)，則事故發(fā)生的可能性較低，道路安全狀況較好；反之，當(dāng)交通流處于非穩(wěn)定狀態(tài)，事故發(fā)生的概率將明顯增大。因此，可通過合理地選取交通流指標(biāo)，來間接地表征實(shí)際交通安全狀況。

交通安全狀態(tài)一般通過交通流中的速度指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如速度差、加速度、速度梯度等。要篩選可用于評(píng)價(jià)橋頭跳車對(duì)行車安全影響的交通流指標(biāo)，就需找出與橋梁狀態(tài)指標(biāo)即不均勻沉降量Δy、搭板長度L 或臺(tái)階高度h 相關(guān)性強(qiáng)的交通流指標(biāo)，通過交通流相關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律評(píng)價(jià)橋頭跳車的安全狀態(tài)。

對(duì)于設(shè)搭板的情況，根據(jù)式（1）可計(jì)算出車輛經(jīng)過路橋銜接部后的速度，進(jìn)而計(jì)算出速度差Δv。對(duì)于未設(shè)搭板的情況，經(jīng)試驗(yàn)研究與理論分析，車輛經(jīng)過臺(tái)階后速度差為［6］

式中：Δv為行車速度降低值，km／h；h為臺(tái)階高度，cm；v為初始行車速度，km／h。

通過式（2）可以用臺(tái)階高度h 確定車輛通過路橋銜接部前后的速度差Δv。

因此在設(shè)搭板和未設(shè)搭板2種情況下，都可計(jì)算出速度差Δv，在交通流指標(biāo)選取時(shí)可以考慮速度差Δv 或其相關(guān)指標(biāo)如加（減）速度a。速度差Δv作為評(píng)價(jià)交通安全的指標(biāo)，得到了廣泛的認(rèn)可［7－8］。但考慮到橋頭跳車具有一定的特殊性，車輛在銜接部前后的速度差并不大，由于作用時(shí)間非常短暫，具有突然性，速度差Δv 并不能很好地反映出橋頭跳車這一特殊的運(yùn)行狀況。以未設(shè)搭板的情況為例，根據(jù)公式（2），取臺(tái)階高度h＝5 cm，初速度v＝120km／h，則車輛通過路橋銜接部的速度差為

可見橋頭跳車導(dǎo)致速度降低并不明顯，但這一行為發(fā)生在非常短的時(shí)間內(nèi)。而減速度作為衡量物體在一定時(shí)間內(nèi)速度降低的指標(biāo)，能夠敏感的體現(xiàn)出發(fā)生橋頭跳車時(shí)的交通流特性。在上述情況下，橋頭跳車發(fā)生在很短的時(shí)間間隔內(nèi)，取Δt＝0.3s，則減速度為

由計(jì)算可以看出，車輛經(jīng)過路橋銜接部發(fā)生的跳車對(duì)減速度的影響較為明顯。而且隨著臺(tái)階高度h的增大，跳車越嚴(yán)重，減速度也越大。文獻(xiàn)［10］用行車試驗(yàn)的方法也得出了類似的結(jié)論。因此可以選擇減速度a作為交通流指標(biāo)來間接評(píng)價(jià)行車安全。

對(duì)于設(shè)搭板的情況可以采用同樣的方法加以分析，動(dòng)能的損失由不均勻沉降量Δy和搭板長度L 決定，搭板的長度越小，不均勻沉降量越大，損失的動(dòng)能越多，減速度的值也就越大。因此選取減速度a作為交通流指標(biāo)能夠真實(shí)敏感地反映橋頭跳車的過程，減速度與行車安全之間的相關(guān)性較強(qiáng)。

2 評(píng)價(jià)模型

評(píng)價(jià)模型根據(jù)跳車形式，分為設(shè)置搭板和不設(shè)搭板的2種情況。

2.1 設(shè)置搭板時(shí)

式中：v1為車輛初速度，m／s；v2為車輛末速度，m／s。

通過上式可以看出，汽車的軸距越小，速度差越大，即軸距越小的汽車受跳車的影響越大。為研究的方便，將公式中軸距取為定值，一般小型車的軸距在2～3m 之間，在這里令d＝2.5m，則可求出減速度：

式中：Δt為車輛經(jīng)過搭板前后的所需時(shí)間，s，a為減速度，m／s2。

一般情況下，汽車通過搭板是1個(gè)瞬間的過程，Δt的大小與搭板長度L 有一定關(guān)系，可按表1取值，其余搭板長度可按差值計(jì)算時(shí)間。

表1 設(shè)置搭板時(shí)Δt取值表Tab.1 Value ofΔt with approach slab

所以，只需知道不均勻沉降量Δy、搭板長度L 及車輛接近橋梁時(shí)的速度（一般情況下，可以取高速公路的設(shè)計(jì)車速或限速值），查表1 獲取Δt的值，就可以代入式（3），計(jì)算出車輛通過橋頭時(shí)的減速度用于安全評(píng)價(jià)。

2.2 不設(shè)搭板時(shí)

在未設(shè)搭板的情況下，通過式（2）確定車輛跳車前后的速度差，則可求出減速度為

在實(shí)際情況下，只需要實(shí)地測(cè)量未設(shè)搭板的路橋銜接部的臺(tái)階高度h，即可計(jì)算出車輛通過銜接部的速度差Δv。運(yùn)行速度為120km／h，Δt＝0.25s；運(yùn)行速度為100km／h，Δt＝0.30s；運(yùn)行速度為80km／h，Δt＝0.35s。代入式（4）計(jì)算出減速度。

2.3 影響等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

不同的加速度會(huì)對(duì)形成安全和舒適性造成不同程度的影響。文獻(xiàn)［11］用“總乘坐值法”得出了汽車加減速度與舒適度及行車安全之間的關(guān)系。因此參考該標(biāo)準(zhǔn)，以減速度為依據(jù)將公路橋頭跳車對(duì)行車安全的影響級(jí)別分為三級(jí)，一級(jí)表示影響最小，三級(jí)表示影響最大，各等級(jí)所對(duì)應(yīng)的減速度如表2所示。

表2 影響等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Criteria for the impact classification

3 評(píng)價(jià)模型的應(yīng)用

為進(jìn)一步評(píng)價(jià)橋頭跳車對(duì)行車安全的影響，就搭板和無搭板2種情況下，分別選取幾種比較典型的情況進(jìn)行計(jì)算，并確定其影響等級(jí)。

3.1 設(shè)置搭板的情況

車輛初始速度選取120km／h，搭板的長度選取3、5、8和10m，不均勻沉降量選取5、10、15和20cm，代入式（3），可計(jì)算出相應(yīng)的減速度值。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于設(shè)置了搭板的橋梁，在同樣行駛速度和沉降量的情況下，搭板長度越大，減速度值越小，對(duì)行車安全越有利。在車速與搭板長度確定的情況下，不均勻沉降量越大，減速度越大，橋頭跳車的現(xiàn)象越明顯?？傮w來看，設(shè)置搭板的情況下影響等級(jí)均達(dá)到一級(jí)，可見設(shè)置搭板有助于減小橋頭跳車對(duì)行車安全的影響，效果較好。

3.2 不設(shè)搭板的情況

選取初始速度為120、100和80km／h 情況下，根據(jù)式（4）計(jì)算不同臺(tái)階高度下的減速度及其安全等級(jí)，結(jié)果見表3。

表3 不設(shè)搭板時(shí)各類情況的減速度及對(duì)應(yīng)的影響等級(jí)Tab.3 Deceleration in many cases without approach slab and corresponding impact level

由表3可見，隨著臺(tái)階高度的增加，減速度也不斷增加，影響等級(jí)越高，跳車越嚴(yán)重，對(duì)行車安全的影響越大。結(jié)合式（4），可反推出各種初速度情況下，不同影響等級(jí)所對(duì)應(yīng)的臺(tái)階高度的取值范圍，見表4.

表4 3種初速度下各影響等級(jí)所對(duì)應(yīng)的臺(tái)階高度范圍Tab.4 Range of step height corresponding different impact level under three Initial velocity

一旦現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的臺(tái)階高度位于二級(jí)影響所對(duì)應(yīng)的取值區(qū)間，則應(yīng)該引起重視，位于三級(jí)影響屬于非常危險(xiǎn)的情況，必須采取相應(yīng)的措施。對(duì)比設(shè)置搭板和不設(shè)搭板2種情況，在同樣的行駛速度下，設(shè)置搭板的安全等級(jí)明顯高于不設(shè)搭板的情況，所以，對(duì)于不設(shè)搭板的橋頭，更應(yīng)該引起高度重視，在條件許可的情況下應(yīng)盡量采取增設(shè)搭板等措施，保障車輛通過橋頭的安全。

4 結(jié)束語

橋頭跳車現(xiàn)象在高等級(jí)公路上非常普遍，容易對(duì)行車安全產(chǎn)生不利影響。本文研究了公路橋頭跳車對(duì)行車安全的影響。在明確橋頭跳車產(chǎn)生機(jī)理的基礎(chǔ)上，針對(duì)設(shè)置搭板和不設(shè)搭板兩種情況，建立了橋頭跳車指標(biāo)與減速度之間的數(shù)學(xué)模型，以減速度為指標(biāo)將橋頭跳車對(duì)行車安全的影響分為三個(gè)級(jí)別，并計(jì)算了不設(shè)置搭板情況下各個(gè)安全等級(jí)所對(duì)應(yīng)的臺(tái)階高度的取值范圍。該模型定量地評(píng)價(jià)了橋頭跳車對(duì)行車安全的影響，分析表明設(shè)置搭板時(shí)的交通安全狀況均處于較高水平；未設(shè)置搭板時(shí)，橋頭跳車對(duì)交通安全的影響與臺(tái)階高度及通過銜接部時(shí)的車速緊密相關(guān)，影響等級(jí)位于二級(jí)和三級(jí)的情況下，可采取限速或設(shè)置搭板的措施來降低橋頭跳車對(duì)行車安全的影響。

［1］中華人民共和國交通運(yùn)輸部.2011年公路水路交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)［R］.北京：中華人民共和國交通運(yùn)輸部，2012.

［2］杜志剛，潘曉東，邱 超.山區(qū)公路橋頭行車安全評(píng)價(jià)指標(biāo)及改善研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2007，27（2）：17－20.

［3］趙樹青.橋頭跳車病害防治技術(shù)研究［D］.濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.

［4］席強(qiáng)偉.橋面鋪裝和橋頭跳車的病害分析及防治研究［D］.西安：長安大學(xué)，2006.

［5］孫 筠.已建軟基橋梁橋頭跳車的處治方法機(jī)理分析及試驗(yàn)研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［6］馮忠居，方貽立，龔堅(jiān)城，等.高等級(jí)公路橋頭跳車的危害及其機(jī)理的分析［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，10（4）：33－35.

［7］鐘連德，孫小端，陳永勝，等.高速公路大、小車速度差與事故率的關(guān)系［J］.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，33（2）：185－188.

［8］蔣 銳.高速公路基本路段交通安全分析［D］.福州：福建農(nóng)林大學(xué)，2005

［9］裴玉龍，程國柱.高速公路車速離散性與交通事故的關(guān)系及車速管理研究［J］.中國公路學(xué)報(bào)，2004，17（1）：74－78.

［10］潘曉東，杜志剛，楊曉光.橋頭跳車對(duì)行車安全影響評(píng)價(jià)指標(biāo)的研究［J］.同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，5（5）：634－637.

［11］International Organization for Standardization.ISO2631－1（1997）.Mechanical vibration and shock－Evaluation of human exposure to whole－body vibration－Part1［S］.Geneve Swizerland：General requirements，1998.