范新榮，彭余華，高家貴，鄒禮燦

(1. 云南武倘尋高速公路有限責(zé)任公司，云南 昆明 650214；2. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064；3. 云南省交通投資建設(shè)集團(tuán)有限公司昆明東管理處，云南 昆明 650000)

0 引 言

晴朗正午公路隧道內(nèi)外的照度水平存在量級差異，行車進(jìn)入隧道過程中極易引起駕駛?cè)硕虝盒砸曈X功能降低，形成視覺“黑洞”效應(yīng)，嚴(yán)重影響行車安全[1]。遮陽棚作為一種經(jīng)濟(jì)有效的隧道洞外減光設(shè)施，近年來在工程上的探索應(yīng)用取得了良好的社會(huì)效益。

目前國內(nèi)針對遮陽棚的長度選取、透光率等關(guān)鍵問題展開了部分研究。李英濤等[2]考慮洞內(nèi)外照度、駕駛?cè)艘暳謴?fù)時(shí)間等因素，給出了不同設(shè)計(jì)速度下的隧道入口減光格柵長度建議值。李榮等[3]以車輛3 s行程長度作為遮光棚長度，選取藍(lán)色透光率為40%的材料進(jìn)行減光設(shè)計(jì)。張?zhí)旄萚4]建立隧道入口亮度過渡最優(yōu)曲線來調(diào)整減光構(gòu)造物的長度、透光率等設(shè)計(jì)。趙錫森等[5]依據(jù)駕駛?cè)丝山邮艿囊曈X明暗變化閾值，結(jié)合行車速度、停車視距研究阿魯伯隧道入口遮陽棚的長度范圍，并借助光環(huán)境仿真技術(shù)設(shè)計(jì)確定了遮陽棚透光率組合方案。彭余華等[6]為解決毗鄰隧道洞口光環(huán)境突變帶來的明暗視覺沖擊，構(gòu)建底部兩側(cè)鏤空、上部通風(fēng)開口的遮陽棚模型，并模擬分析了毗鄰隧道洞口的亮度變化規(guī)律及遮陽棚減光效果。但現(xiàn)有針對遮陽棚的研究仍存在：長度確定主觀成分較多、結(jié)合減光過渡效果的合理長度分析較少，光環(huán)境設(shè)計(jì)采用單一透光率的較多、多種透光率組合形式的研究較少以及缺乏遮陽材料合理選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等不足，限制了遮陽棚科學(xué)合理的應(yīng)用。

本文以隧道入口駕駛?cè)嗣靼狄曈X感受的量化分級為基礎(chǔ)，選取抓地龍隧道入口遮陽棚為研究對象，從遮陽棚長度、材料組合與內(nèi)部光環(huán)境營造、材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面對其設(shè)置展開分析，可為公路隧道入口遮陽棚設(shè)計(jì)提供理論參考與方法支撐。

1 抓地龍隧道概況

抓地龍隧道是云南省武定至倘甸至尋甸高速公路(簡稱“武倘尋高速公路”)的一座分離式雙向6車道隧道。隧道地處尋甸縣中高山陡坡地貌區(qū)，年平均日照2 079 h，夏季正午時(shí)段自然光照強(qiáng)度可達(dá)1.2×105lux，隧道前的車內(nèi)駕駛?cè)艘曈X位置與方向上的照度(視點(diǎn)照度)最高可達(dá)4.3×103lux(加強(qiáng)照明下的照度一般為102～3×102lux)，隧道洞口內(nèi)外環(huán)境的照度差異巨大；區(qū)域50年重現(xiàn)期的基本雪壓為0.3 kN·m-2，基本風(fēng)壓為0.3 kN·m2。

抓地龍隧道右幅全長675 m(K54+115～790)，設(shè)計(jì)速度100 km·h-1，洞門形式為端墻式洞門，見圖1。隧道凈寬14.5 m，隧道外路基寬16.75 m，入口前路線呈東西走向，駕駛?cè)诵熊囀苣婀庥绊懙陌踩L(fēng)險(xiǎn)較高。

圖1 抓地龍隧道右幅洞門

2 “黑洞”效應(yīng)的量化分級

車內(nèi)駕駛?cè)艘朁c(diǎn)照度變化與視覺“黑洞”效應(yīng)感受密切相關(guān)[5]。選取抓地龍隧道臨近區(qū)域的云南省晉紅高速公路、昆楚高速公路、待功高速公路、昭會(huì)高速公路與大山包一級公路及陜西省西漢高速公路等251座公路隧道的入口開展“黑洞”效應(yīng)實(shí)車實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)車輛選用標(biāo)準(zhǔn)小型汽車(豐田PRADO)，照度測試儀器選用TES1339照度計(jì)(精度0.01 lux，測試頻率為5次·s-1，符合心理學(xué)中的最小視覺刺激時(shí)間0.2 s[7])。選擇晴朗白天正午時(shí)段(11:00～14:00)駕駛車輛勻速駛?cè)胨淼溃瑢⒄斩扔?jì)光測量部位置于駕駛?cè)搜劬ξ恢?，方向與視線方向相同，實(shí)時(shí)測量并錄制測試過程的視點(diǎn)照度讀數(shù)，同時(shí)記錄駕駛?cè)恕昂诙础毙?yīng)的視覺感受。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立視點(diǎn)照度特征參數(shù)與駕駛?cè)恕昂诙础毙?yīng)明暗感受的量化表征，得到“黑洞”效應(yīng)感受的數(shù)值分級，見表1。

表1 “黑洞”效應(yīng)感受的數(shù)值分級

公路隧道入口遮陽棚光環(huán)境設(shè)計(jì)需滿足駕駛?cè)艘曈X舒適性要求，故應(yīng)保證遮陽棚全長范圍內(nèi)的K≤7.3。洞內(nèi)視點(diǎn)照度水平EN一般為50～300 lux，經(jīng)數(shù)學(xué)恒等變換得出以下結(jié)論：

1EW=5 000 lux條件下，E1/E2≤1.61；

2EW=4 000 lux條件下，E1/E2≤1.70；

3EW=3 000 lux條件下，E1/E2≤1.84。

3 遮陽棚內(nèi)光環(huán)境分析

3.1 遮陽棚與隧道模型構(gòu)建

遮陽棚斷面設(shè)計(jì)尺寸應(yīng)綜合考慮隧道內(nèi)輪廓尺寸、隧道外路面寬度及護(hù)欄位置，應(yīng)不侵占原有道路設(shè)施范圍的同時(shí)注意追求美觀。

遮陽棚斷面采用與抓地龍隧道內(nèi)輪廓相似的三段圓弧組合形式，支撐拱架利用HW200型鋼(見圖2)預(yù)彎成三段弧形梁連接組成，其施工方便、自重小且易于維護(hù)。為避免遮陽棚施工誤差可能產(chǎn)生的影響，將遮陽棚內(nèi)輪廓線與隧道內(nèi)輪廓線之間富余10～15 cm，由此確定的遮陽棚橫斷面寬度為17.9 m。遮陽棚橫斷面與隧道斷面匹配度較高且整體美觀性佳，見圖3。

圖2 HW200型鋼

圖3 遮陽棚斷面與隧道內(nèi)輪廓銜接圖

遮陽棚的光環(huán)境設(shè)計(jì)營造需要精確計(jì)算內(nèi)部照度的數(shù)值分布。Ecotect Analysis作為照明、建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的光環(huán)境模擬軟件，可針對各種自然光對建筑物進(jìn)行精確模擬[8]，可為遮陽棚內(nèi)漸低光環(huán)境營造設(shè)計(jì)提供簡單、快捷的實(shí)現(xiàn)途徑。利用Ecotect Analysis軟件構(gòu)建的遮陽棚及隧道仿真基礎(chǔ)模型見圖4。

圖4 遮陽棚及隧道仿真基礎(chǔ)模型

3.2 遮陽棚內(nèi)光環(huán)境設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)隧道外界視點(diǎn)照度水平

對抓地龍隧道右線入口前方50 m處進(jìn)行視點(diǎn)照度實(shí)測。晴天時(shí)段上午9:00前與下午18:30后視點(diǎn)照度較弱，上午9:00后外界視點(diǎn)照度大幅增強(qiáng)，到達(dá)中午11:30～14:00達(dá)到頂峰值，一般在3 400～4 100 lux范圍波動(dòng)，選取3 800 lux作為隧道外界視點(diǎn)照度設(shè)計(jì)參數(shù)。

(2)隧道內(nèi)視點(diǎn)照度水平

根據(jù)隧道右線的照明設(shè)計(jì)水平，結(jié)合前期測試隧道內(nèi)照度水平，選取240 lux作為隧道內(nèi)視點(diǎn)照度設(shè)計(jì)參數(shù)。

(3)控制速度

隧道限速不宜超過設(shè)計(jì)速度，根據(jù)設(shè)計(jì)文件，以100 km·h-1作為車輛進(jìn)入隧道的控制速度。

(4)駕駛?cè)艘曈X舒適判別標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)“黑洞”效應(yīng)數(shù)值分級特性，抓地龍隧道“黑洞”效應(yīng)舒適要求的指標(biāo)閾值E1/E2≈1.7?？紤]到實(shí)際情形下的遮陽棚很難實(shí)現(xiàn)理想舒適閾值的照度過渡，故應(yīng)使遮陽棚視點(diǎn)照度漸低率保持在理想舒適閾值附近并略低于理想舒適閾值最佳(過低將導(dǎo)致設(shè)計(jì)長度過長、透光參數(shù)組合不合理等)，選取1.6～1.7作為駕駛?cè)耸孢m判別標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 遮陽棚初始長度確定

遮陽棚內(nèi)漸低光環(huán)境的實(shí)現(xiàn)要求駕駛?cè)艘朁c(diǎn)照度自遮陽棚始端至末端均勻連續(xù)地降低，且降低幅度不大于駕駛?cè)四苓m應(yīng)的舒適閾值。考慮洞內(nèi)外視點(diǎn)照度水平、車輛控制速度等參數(shù)，遮陽棚的理論最小長度l見公式(1)[9]：

(1)

其中Ein指遮陽棚末端理論照度值，依據(jù)EN按“舒適”的閾值推導(dǎo)，過程須滿足式(2)：

Ein=EN×1.7t/0.2

(2)

其中t指Ein過渡至EN的行車時(shí)間。經(jīng)計(jì)算，抓地龍隧道入口遮陽棚可實(shí)現(xiàn)照度理想過渡的最小長度為18 m。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，初步選擇2倍理論最小長度作為遮陽棚初始長度進(jìn)行光環(huán)境仿真試算。

3.4 遮陽材料透光率組合及合理長度確定

以“均勻漸低、追求美觀”為原則，構(gòu)建“分段單一，整體組合”、“側(cè)向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式的仿真模型進(jìn)行多透光率方案和遮陽棚長度確定。依據(jù)公共建筑疏散與安全出口凈寬不應(yīng)小于0.90 m、消防人員進(jìn)入窗口的凈寬度與凈高度不應(yīng)小于1.0 m[10]，將遮陽棚兩側(cè)下部鏤空1.2 m(即不設(shè)置遮陽板)。兩種組合形式的遮陽棚仿真模型見圖5。

圖5 “分段單一，整體組合”式 /“側(cè)向相同，頂部漸變”式模型

首先在初始長度下設(shè)計(jì)初始透光率組合進(jìn)行全長范圍的光環(huán)境仿真，基于駕駛?cè)艘曈X舒適判斷標(biāo)準(zhǔn)評價(jià)初始遮陽棚分段組合和長度的設(shè)計(jì)方案是否滿足視覺舒適需求，若不滿足則以每分段1 m的步長動(dòng)態(tài)調(diào)整遮陽棚長度，后再次進(jìn)行光環(huán)境仿真判別直至滿足視覺舒適需求，最終確定遮陽材料多透光率組合和遮陽棚長度。

(1)“分段單一，整體組合”式遮陽棚組合設(shè)計(jì)

根據(jù)“分段單一，整體組合”式遮陽棚模型的光環(huán)境仿真，分段長度宜在9～12 m，遮陽棚始端材料的透光率τS宜為0.4～0.6，外界視點(diǎn)照度較高的情況下取高值，遮陽棚末端材料的透光率τE宜≤0.2，相鄰遮陽材料的透光率宜≤0.3，對首尾差值≥0.3的透光參數(shù)組合可考慮增設(shè)中間段過渡段，否則照度難以平穩(wěn)過渡。

遮陽棚的初始長度為36 m，考慮經(jīng)濟(jì)及分段的合理，將其分為4段：9 m+9 m+9 m+9 m。設(shè)計(jì)以下4種透光率組合方案：

方案1： 0.5-0.4-0.2-0.1方案2：0.5-0.4-0.3-0.2

方案3： 0.6-0.4-0.2-0.1方案4：0.6-0.4-0.3-0.1

計(jì)算各方案相鄰0.2 s視點(diǎn)照度數(shù)據(jù)的比值最大值wmax，見表2。

表2 不同參數(shù)方案的wmax(36 m)

由表2知，36 m長度遮陽棚各透光參數(shù)組合方案均不能滿足駕駛?cè)艘曈X舒適需求，需要對遮陽棚的長度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。調(diào)整遮陽棚長度為40 m，將其分為4段：10 m+10 m+10 m+10 m。設(shè)計(jì)以下4種透光率組合方案：

方案1：0.6-0.5-0.3-0.2方案2：0.6-0.4-0.3-0.2

方案3：0.5-0.4-0.3-0.1方案4：0.6-0.4-0.2-0.1

計(jì)算各方案相鄰0.2 s視點(diǎn)照度數(shù)據(jù)的比值最大值wmax，見表3。

表3 不同參數(shù)方案的wmax(40 m)

由表3知，40 m長度遮陽棚的透光率組合方案1、2、3均不能滿足駕駛?cè)艘曈X舒適需求，而方案4的透光率組合滿足駕駛?cè)艘曈X舒適閾值，可較好的實(shí)現(xiàn)光環(huán)境漸低過渡。方案4的遮陽棚仿真模型及駕駛?cè)艘朁c(diǎn)照度變化曲線見圖6、7。

圖6 “分段單一，整體組合”式仿真模型(40 m)

圖7 方案4遮陽棚內(nèi)視點(diǎn)照度變化曲線

(2)“側(cè)向相同，頂部漸變” 式遮陽棚組合設(shè)計(jì)

基于頂部60°的范圍進(jìn)行透光率漸變設(shè)計(jì)，根據(jù)“側(cè)向相同，頂部漸變”式遮陽棚模型的光環(huán)境仿真，頂部初始段的透光率τDS宜采用0.5～0.6，頂部末尾段的透光率τDE宜采用0～0.2，頂部相鄰材料透光參數(shù)差值宜≤0.3，側(cè)向透光率τC的選取考慮與初始段、末尾段頂部材料透光率的匹配度，宜選取0.2～0.3。

針對36 m的遮陽棚進(jìn)行光環(huán)境仿真分析，發(fā)現(xiàn)難以滿足均勻漸低光環(huán)境的過渡要求。將遮陽棚長度調(diào)整為40 m進(jìn)行光環(huán)境設(shè)計(jì)，頂部分段長度：10 m+10 m+10 m+10 m，設(shè)計(jì)以下2種方案：

方案1：側(cè)向0.2+頂部0.5-0.3-0.2-0.1

方案2：側(cè)向0.2+頂部0.5-0.3-0.1-0

計(jì)算各方案相鄰0.2 s視點(diǎn)照度數(shù)據(jù)的比值最大值wmax，見表4。

表4 不同參數(shù)方案的wmax(40 m)

由表4可知，方案1的透光率組合方案不能滿足駕駛?cè)艘曈X舒適需求，方案2的透光率組合滿足駕駛?cè)艘曈X舒適閾值。但考慮抓地龍隧道路線呈東西走向，夏季白天可能出現(xiàn)環(huán)境照度極值較高的情況，為進(jìn)一步保障棚內(nèi)光環(huán)境漸低過渡的營造效果(接近1.6)，適當(dāng)延長遮陽棚整體長度至44 m繼續(xù)進(jìn)行光環(huán)境仿真設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)頂部分段長度：11 m+11 m+11 m+11 m，設(shè)計(jì)透光率組合方案：側(cè)向0.2+頂部0.5-0.3-0.2-0.1。構(gòu)建遮陽棚模型進(jìn)行視點(diǎn)照度仿真分析，計(jì)算得相鄰0.2 s視點(diǎn)照度數(shù)據(jù)的比值最大值wmax=1.61。遮陽棚仿真模型及設(shè)計(jì)方案的駕駛?cè)艘朁c(diǎn)照度變化曲線見圖8、9。

圖8 “側(cè)向相同，頂部漸變”式仿真模型(44 m)

圖9 44 m遮陽棚內(nèi)視點(diǎn)照度變化曲線

由此可知，長度44 m的遮陽棚的該透光率參數(shù)組合方案滿足駕駛?cè)艘曈X舒適閾值，且照度變化較40 m可更好的符合駕駛?cè)艘曈X舒適過渡需求，較利于應(yīng)對明亮視覺環(huán)境下的減光環(huán)境漸低過渡。

綜合上述分析，“分段單一，整體組合”、“側(cè)向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式在一定設(shè)計(jì)條件下均能較經(jīng)濟(jì)地營造出滿足駕駛?cè)嗣靼狄曈X順適過渡的行車光環(huán)境。本文選取“側(cè)向相同，頂部漸變”遮陽材料組合形式下的44 m透光率設(shè)計(jì)組合(側(cè)向0.2+頂部0.5-0.3-0.2-0.1)作為抓地龍隧道入口遮陽棚光環(huán)境的設(shè)計(jì)方案。

4 遮陽棚材料選型與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 遮陽板材料選型

遮陽板材料的選型應(yīng)綜合考慮透光性、耐久性、易用性、經(jīng)濟(jì)性等4個(gè)方面要求，工程中常見的幾種減光材料見表5。

表5 減光材料性能參數(shù)對比

對比發(fā)現(xiàn)，PC板具有強(qiáng)度高、易加工、透光率種類多等優(yōu)點(diǎn)，較適合作為遮陽板材料。PC板主要分平板和浪板兩種形式，浪板較平板具有更好的施工性能，綜合考慮選用2 mm厚的PC浪板作為遮陽棚遮陽板材料。

4.2 遮陽棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于選取的“側(cè)向相同，頂部漸變”式遮陽棚光環(huán)境設(shè)計(jì)方案，遮陽棚橫向跨度為17.9 m，長度取44 m，鋼拱架3 m布置一道，鋼拱架縱向利用系桿連接，每兩道鋼拱架設(shè)兩組系桿，距離鋼拱架頂部4.5 m(弧長)位置布設(shè)。在鋼拱架表面弧線方向每隔1 m布設(shè)檁條，沿遮陽棚布設(shè)至隧道端墻，所有鋼材均采用Q235B牌號，最終形成一個(gè)整體的拱棚結(jié)構(gòu)。遮陽棚俯視圖見圖10，遮陽棚立面系桿、檁條布置見圖11。

圖10 遮陽棚俯視圖

圖11 遮陽棚立面系桿、檁條布置圖

遮陽棚主要承重構(gòu)件為鋼拱架骨架，結(jié)構(gòu)安全計(jì)算時(shí)先簡化為最不利單根拱肋進(jìn)行計(jì)算，后取5根拱進(jìn)行整體安全性驗(yàn)算。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中主要考慮結(jié)構(gòu)自重、頂面均布荷載、風(fēng)荷載、雪荷載、施工和檢修荷載、溫度荷載等受力[11]。遮陽棚拱架主要以壓彎為主，利用Midas軟件對支撐拱強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，取結(jié)構(gòu)各荷載組合包絡(luò)值，結(jié)果見圖12。

圖12 支撐拱應(yīng)力包絡(luò)圖

由計(jì)算知，支撐拱架最大應(yīng)力為49.5 MPa<215 MPa，滿足要求。

檁條主要承受遮陽板傳遞的風(fēng)、雪等荷載，利用Midas軟件對系桿受力進(jìn)行仿真計(jì)算，取結(jié)構(gòu)各荷載組合包絡(luò)值，見圖13。

圖13 檁條應(yīng)力包絡(luò)圖

由計(jì)算知，檁條最大應(yīng)力為64.8 MPa<215 MPa，滿足要求。

系桿受力主要來自結(jié)構(gòu)的升降溫荷載，利用Midas軟件對系桿強(qiáng)度進(jìn)行仿真計(jì)算，取結(jié)構(gòu)各荷載組合包絡(luò)值，見圖14。

圖14 系桿內(nèi)應(yīng)力包絡(luò)圖

由計(jì)算知，系桿最大應(yīng)力為34.1 MPa<215 MPa，滿足要求。

拱形鋼結(jié)構(gòu)最大豎向位移計(jì)算值不應(yīng)超過其跨度的1/400，平面內(nèi)拱頂最大水平側(cè)移計(jì)算值不應(yīng)超過其跨度的1/200[12]。利用Midas有限元程序計(jì)算得最大豎向位移為12.19 mm<43.75 mm，最大水平側(cè)移為10.48 mm<87.5 mm，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)均能滿足安全要求。

5 結(jié) 語

(1)分析多隧道實(shí)車實(shí)驗(yàn)采集的駕駛?cè)艘朁c(diǎn)照度數(shù)據(jù)，建立駕駛?cè)恕昂诙础毙?yīng)明暗感受的量化表征，確定了不同視點(diǎn)照度水平下的駕駛?cè)嗣靼狄曈X感受分級標(biāo)準(zhǔn)。

(2)以抓地龍隧道遮陽棚為對象，采用Ecotect Analysis光環(huán)境仿真技術(shù)，對構(gòu)建的“分段單一，整體組合”、“側(cè)向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式遮陽棚進(jìn)行多透光率及長度設(shè)計(jì)組合的光環(huán)境仿真分析，確定了不同透光率組合及合理長度的遮陽棚光環(huán)境設(shè)計(jì)方案。

(3)分析并比較常見減光材料的性能，確定了遮陽棚遮陽板材料優(yōu)選；并根據(jù)遮陽棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，利用Midas有限元軟件對各荷載組合下的結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行驗(yàn)算，保證了遮陽棚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)符合多荷載條件下的使用要求。

(4)抓地龍隧道遮陽棚設(shè)計(jì)可進(jìn)一步豐富公路隧道入口遮陽棚設(shè)計(jì)理論，對推廣隧道入口遮陽棚的工程應(yīng)用、提高隧道入口路段行車安全水平具有重要意義。