王思棋， 竇同樂(lè)， 徐進(jìn),*

(1.重慶交通大學(xué)交通運(yùn)輸學(xué)院， 重慶 400041； 2.山區(qū)復(fù)雜道路環(huán)境“人-車(chē)-路”協(xié)同與安全重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 重慶 400074)

互通式立交解決了平面交叉路口的交通沖突問(wèn)題，但是由于車(chē)輛在互通式立交上的復(fù)雜車(chē)流特性與駕駛行為，該位置仍然是事故高發(fā)區(qū)，是制約高速公路運(yùn)行安全與通行效率的“瓶頸”路段[1]。由于匝道的線形指標(biāo)遠(yuǎn)低于主線，導(dǎo)致車(chē)輛在匝道的行駛穩(wěn)定性變差[2]，而主線的出入口區(qū)域存在頻繁加速或減速的駕駛行為，因此高速公路互通立交的事故主要集中在匝道線和出入口[3]。以G5515張南高速與G65達(dá)渝高速相交處的紅花灣樞紐立交(造型變形苜蓿葉型立交，對(duì)角象限雙環(huán)式)為例，2014年1月—2019年5月共發(fā)生事故39起，其中匝道的事故頻次和事故率均占100%，給道路使用者和高速公路運(yùn)營(yíng)公司帶來(lái)了嚴(yán)重?fù)p失。此種造型的高速公路樞紐互通十分常見(jiàn)，例如，成都市繞城高速、第二繞城高速和環(huán)線高速共包含37座樞紐互通立交，其中有7座立交為對(duì)角象限雙環(huán)式的部分苜蓿葉型立交。

針對(duì)互通立交的安全運(yùn)行特性，徐進(jìn)等[4]通過(guò)實(shí)車(chē)試驗(yàn)，基于汽車(chē)行駛速度和橫向加速度數(shù)據(jù)對(duì)環(huán)形匝道內(nèi)部的運(yùn)行特征進(jìn)行了分析，得到了上下坡匝道的速度變化趨勢(shì)，并發(fā)現(xiàn)匝道中段的橫向加速度均值和峰值都高于橫向加速度設(shè)計(jì)值。崔強(qiáng)等[5-6]以三種典型城市立交匝道為研究對(duì)象，分析了不同類(lèi)型匝道的行駛速度特性和縱向加速度特性，確定了立交出入口的變速起止點(diǎn)及變速長(zhǎng)度的分布規(guī)律，并發(fā)現(xiàn)大多數(shù)駕駛員未按限速值行駛，存在著超速駕駛行為。張曉波等[7]通過(guò)實(shí)車(chē)駕駛試驗(yàn)采集了多條立交環(huán)形匝道的汽車(chē)橫向加速度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)苜蓿葉型立交環(huán)形匝道的橫向舒適性水平一般。De Pont等[8]通過(guò)分析載重車(chē)的橫向加速度與運(yùn)行速度，得出了高側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)位置與過(guò)彎速度高度相關(guān)。

仿真手段被廣泛應(yīng)用于道路行車(chē)安全性的研究，白鋼[9]借助CarSim車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件研究不同道路線形參數(shù)對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性的影響，得到了汽車(chē)行駛穩(wěn)定性的評(píng)價(jià)指標(biāo)和判定條件。李詩(shī)佳等[10]用CarSim軟件模擬了車(chē)輛在主線-匝道-主線的完整運(yùn)行過(guò)程，研究了不同道路條件與超速行駛對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性及側(cè)向偏移量的影響。蔣剛等[11]利用CarSim軟件模擬車(chē)輛在匝道上的行駛過(guò)程，得到了A型喇叭口立交匝道的事故形成原因。竇同樂(lè)等[12-13]開(kāi)展了不同類(lèi)型的互通立交進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，研究了路面附著系數(shù)、車(chē)輛載重、匝道半徑和車(chē)速對(duì)車(chē)輛行駛舒適性與安全性的影響。孫川等[14]使用TruckSim-Simulink聯(lián)合仿真方法分析了圓曲線半徑、車(chē)速等因素對(duì)彎道路段行駛安全性的影響，提出了彎道行駛安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)。曲大義等[15]通過(guò)在減速換道場(chǎng)景中進(jìn)行仿真，分析換道車(chē)輛側(cè)向偏移的影響因素，建立了考慮側(cè)向偏移的行駛車(chē)輛優(yōu)化速度模型。

綜上，互通立交的事故致因高度依賴(lài)于立交幾何造型，現(xiàn)有研究主要針對(duì)喇叭口立交和苜蓿葉型立交匝道，對(duì)于部分苜蓿葉型立交，尚未有研究揭示對(duì)角象限雙環(huán)式立交匝道事故高發(fā)的機(jī)理。為了揭示高速公路部分苜蓿葉型立交的事故形成機(jī)制，以達(dá)渝高速紅花灣樞紐立交為研究對(duì)象，借助CarSim和TruckSim車(chē)輛動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立完整立交模型和車(chē)輛模型，模擬車(chē)輛在主線-匝道-主線的完整過(guò)程，對(duì)部分苜蓿葉型立交環(huán)形匝道上的事故進(jìn)行分析，提高車(chē)輛在高速公路互通立交上行駛的舒適性與安全性。

1 匝道路段事故特征分析

以紅花灣樞紐互通為研究對(duì)象，該互通采用對(duì)角象限雙環(huán)式的部分苜蓿葉形式，位于G5515張南高速與G65達(dá)渝高速相交處，如圖1(a)所示，為更好地描述紅花灣立交匝道，對(duì)主要匝道進(jìn)行命名，如圖1(b)所示。紅花灣樞紐從2014年1月—2019年5月累計(jì)發(fā)生交通事故39起，全部集中在匝道B和C，占比100%，具體事故信息見(jiàn)表1。

如圖1所示，在匝道范圍內(nèi)，小半徑匝道之前存在較長(zhǎng)的直線路段或者大半徑曲線路段，易誘使駕駛員超速行駛。從表1中發(fā)現(xiàn)，紅花灣樞紐互通在小半徑匝道B、C上事故頻發(fā)，事故車(chē)型主要為小客車(chē)和貨車(chē)，事故類(lèi)型為小客車(chē)與貨車(chē)撞擊曲線外側(cè)波形梁護(hù)欄，進(jìn)一步分析事故數(shù)據(jù)，偶有貨車(chē)在同一位置發(fā)生側(cè)翻。從紅花灣樞紐事故多發(fā)位置來(lái)看，小半徑匝道圓曲線所占道路的長(zhǎng)度較短，卻集中了大比例的交通事故，嚴(yán)重危害了駕駛員的行駛安全。因此，為了降低車(chē)輛在小半徑匝道處的事故率，必須從根本上解釋車(chē)輛撞擊外側(cè)護(hù)欄的事故形成機(jī)制，從而提出有效的事故防治措施。

圖1 紅花灣樞紐立交事故高發(fā)匝道Fig.1 Ramp with high accident rate at Honghuawan Junction

表1 部分苜蓿葉型立交事故高發(fā)匝道與事故特征

2 仿真模型

通過(guò)緯地三維道路設(shè)計(jì)軟件繪制事故立交，把生成的立交數(shù)據(jù)導(dǎo)入CarSim的道路建模中，完成立交在CarSim中的三維建模，然后在汽車(chē)動(dòng)力學(xué)軟件CarSim和Trucksim中對(duì)事故車(chē)輛進(jìn)行建模，最后對(duì)仿真中的駕駛員控制模型進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)仿真車(chē)輛在主線-匝道-主線的行駛過(guò)程，從而確定車(chē)輛在小半徑匝道上事故發(fā)生的機(jī)制以及車(chē)輛安全通過(guò)事故匝道所需的條件。

2.1 立交建模

依據(jù)紅花灣樞紐立交的道路數(shù)據(jù)，使用緯地道路設(shè)計(jì)軟件對(duì)立交進(jìn)行平面線形設(shè)計(jì)、道路超高設(shè)計(jì)及縱斷面設(shè)計(jì)，復(fù)現(xiàn)完整立交，對(duì)每條設(shè)計(jì)好的道路進(jìn)行數(shù)據(jù)輸出，并按照CarSim軟件要求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，將道路數(shù)據(jù)導(dǎo)入CarSim，生成立交模型。紅花灣樞紐立交共有6條道路，因此需要導(dǎo)入6次道路數(shù)據(jù)。選擇CarSim中的Generic Group of Links設(shè)置立交的6條道路，實(shí)現(xiàn)不同界面設(shè)置的道路模型、換道模型處于同一仿真界面。在此界面還需對(duì)道路的摩擦系數(shù)進(jìn)行設(shè)置，根據(jù)課題組在現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)試結(jié)果，道路條件干燥良好的情況下選擇摩擦系數(shù)為0.6，摩擦系數(shù)利用率為1。

將立交的各條道路進(jìn)行命名，同一條道路的Road_ID、Path_ID命名一致，從而實(shí)現(xiàn)多條道路的有效調(diào)用和不同匝道的行駛路徑變化。考慮紅花灣樞紐立交匝道數(shù)目較多且事故高發(fā)位置在兩個(gè)小半徑匝道上，因此在立交建模時(shí)省略部分匝道。Carsim軟件根據(jù)道路數(shù)據(jù)建成的仿真立交模型如圖2所示。

圖2 紅花灣立交仿真道路及行駛路徑Fig.2 Simulation road and driving path of Honghuawan Interchange

2.2 車(chē)輛模型

紅花灣樞紐立交的事故車(chē)型主要為小客車(chē)和貨車(chē)，因此分別在Carsim軟件中使用SUV小客車(chē)作為仿真車(chē)型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，在Trucksim軟件中選擇四軸重型載貨車(chē)作為仿真貨車(chē)車(chē)型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，仿真車(chē)型如圖3所示。該模型主要對(duì)仿真車(chē)輛的車(chē)身系統(tǒng)、空氣動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)、輪胎系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、動(dòng)力傳遞系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)以及制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行建模，主要技術(shù)參數(shù)如表2所示。

表2 車(chē)輛基本參數(shù)

圖3 車(chē)輛動(dòng)力學(xué)模型Fig.3 Vehicle dynamics model

2.3 駕駛員控制模型

駕駛員模型可以對(duì)車(chē)輛進(jìn)行控制使仿真車(chē)輛按照需求行駛，駕駛員的控制主要包括車(chē)速控制、避撞控制和轉(zhuǎn)向控制等方面。

選擇“Target speed from path preview”速度控制模式，該模型根據(jù)當(dāng)前車(chē)速與目標(biāo)車(chē)速的差值，與內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比，然后軟件內(nèi)部進(jìn)行相應(yīng)的加減速，使下一時(shí)間段的車(chē)速更貼近目標(biāo)車(chē)速。該模型主要包括了最大速度限制、加速度極值設(shè)置、預(yù)瞄路徑設(shè)置、閉環(huán)速度控制器增益參數(shù)設(shè)置。

本文中研究的是車(chē)輛上下匝道的完整過(guò)程，車(chē)輛從主線行駛到匝道上以及車(chē)輛從匝道回到主線的整個(gè)過(guò)程中，在換道行駛時(shí)涉及車(chē)輛的轉(zhuǎn)向控制。由于道路的路寬不同，仿真車(chē)輛在匝道上直接依據(jù)道路中心線進(jìn)行轉(zhuǎn)向，而在主線上時(shí)，車(chē)輛會(huì)沿著相對(duì)于中心線偏移一定距離的“平行線”進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制。使用軟件中的Events，實(shí)現(xiàn)仿真車(chē)輛上、下匝道，為了便于控制車(chē)輛轉(zhuǎn)向，在Events中分段對(duì)車(chē)輛進(jìn)行轉(zhuǎn)向控制，第一階段車(chē)輛由主線到匝道，第二階段車(chē)輛在匝道行駛，第三階段車(chē)輛下匝道后在次干道上的行駛。具體控制參數(shù)如表3所示。

表3 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)參數(shù)

2.4 仿真條件設(shè)置

根據(jù)事故數(shù)據(jù)，選取SUV小客車(chē)和四軸重型載貨車(chē)作為仿真車(chē)型，匝道上的仿真車(chē)輛保持恒速行駛，車(chē)速為30～70 km/h，路面附著系數(shù)設(shè)置為0.35～0.8，超高值為2%～6%，貨車(chē)整車(chē)質(zhì)量為11.22 t，載質(zhì)量為7～11 t，貨車(chē)質(zhì)心高度取110～170 cm。研究小客車(chē)和大貨車(chē)的側(cè)向穩(wěn)定性時(shí)，分別取上述仿真條件的合適值進(jìn)行分析。

3 小客車(chē)側(cè)滑工況仿真

車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑導(dǎo)致車(chē)輛失控撞向外側(cè)護(hù)欄是小半徑匝道常見(jiàn)的事故形態(tài)，仿真研究發(fā)現(xiàn)，在紅花灣樞紐立交車(chē)輛發(fā)生側(cè)滑的影響因素主要有入彎車(chē)速及路面附著系數(shù)，因此，本節(jié)主要研究汽車(chē)運(yùn)行速度和路面附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛側(cè)滑的影響。

3.1 速度對(duì)側(cè)滑的影響

根據(jù)匝道范圍內(nèi)的車(chē)輛速度的觀測(cè)結(jié)果，試驗(yàn)將車(chē)輛在小半徑圓曲線上的仿真速度設(shè)置為40～70 km/h，間隔為5 km/h，所有路面附著系數(shù)均為0.6，匝道圓曲線超高值為4%，半徑值為64 m，緩和曲線位置為847～886 m，小半徑圓曲線的位置在886～1 110 m。從仿真輸出結(jié)果生成速度曲線、橫向加速度曲線和最大橫向偏移量。張南高速主線小客車(chē)限速120 km/h，主線出口限速70 km/h，考慮到駕駛員普遍性的超速行為，將車(chē)輛進(jìn)入匝道后的車(chē)速設(shè)置為80 km/h(兩條匝道的事故類(lèi)型與線形相似，因此本文中選擇其中一條匝道進(jìn)行研究)。

圖4所示為匝道行駛過(guò)程的速度曲線并標(biāo)記了事故高發(fā)區(qū)的位置，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛在圓曲線上行駛的速度越低，減速起點(diǎn)越提前，車(chē)速40 km/h的減速起點(diǎn)與車(chē)速70 km/h的減速起點(diǎn)相距約70 m，減速起點(diǎn)位置如表4所示。車(chē)輛主要是在緩和曲線上(長(zhǎng)度為39 m)完成減速，導(dǎo)致駕駛員的操縱負(fù)荷主要集中在緩和曲線上。車(chē)輛在駛?cè)胄“霃綀A曲線之前需在850 m左右的平緩路段勻速行駛，容易導(dǎo)致駕駛員以較高的車(chē)速行駛，駛?cè)胄“霃綀A曲線上時(shí)，未能及時(shí)調(diào)整行駛方向和速度，導(dǎo)致軌跡失控，車(chē)輛嚴(yán)重側(cè)滑，撞向道路左側(cè)護(hù)欄。圖5給出車(chē)速為65 km/h和70 km/h的兩種仿真工況，發(fā)現(xiàn)車(chē)輛以70 km/h的速度行駛時(shí)，車(chē)輛發(fā)生嚴(yán)重側(cè)滑，駛出匝道外。

圖4 小客車(chē)仿真速度曲線Fig.4 Simulation speed curve of small bus

表4 不同速度下的減速起點(diǎn)

圖5 車(chē)輛處于側(cè)滑狀態(tài)Fig.5 Vehicle in sideslip state

車(chē)輛的側(cè)向偏移量能較好反映車(chē)輛是否存在側(cè)滑危險(xiǎn)，因此提取不同超速狀態(tài)下的最大側(cè)向偏移量進(jìn)行比較，如表5所示，發(fā)現(xiàn)汽車(chē)的最大橫向偏移量與速度呈正相關(guān)關(guān)系，表明隨著速度增加，車(chē)輛側(cè)滑危險(xiǎn)程度升高。

表5 不同速度下的最大側(cè)向偏移量

橫向加速度ay可以用來(lái)評(píng)判車(chē)輛在彎道上的駕駛舒適性，其閾值區(qū)間為[16]： 0～1.65 m/s2為舒適區(qū)間，1.65～2.85 m/s2為輕微不適區(qū)間， 2.85～4.05 m/s2為明顯不適區(qū)間，大于4.05 m/s2為極度不適區(qū)間。

圖6所示為車(chē)輛在匝道上行駛的橫向加速度曲線圖，將左轉(zhuǎn)記為正，右轉(zhuǎn)記為負(fù)。 從圖6中發(fā)現(xiàn)橫向加速度隨速度的增大而增加，當(dāng)車(chē)輛在圓曲線上的車(chē)速超過(guò)50 km/h時(shí)，橫向加速度超過(guò)2.65 m/s2，易引起駕駛員的不適感，從而導(dǎo)致操作失誤，造成交通事故。因此，在設(shè)計(jì)此類(lèi)立交時(shí)，應(yīng)盡量減少直線路段的長(zhǎng)度，增加緩和曲線的長(zhǎng)度。在已經(jīng)建好的立交上，應(yīng)在事故高發(fā)區(qū)的緩和曲線處增設(shè)減速措施，強(qiáng)制駕駛員減速。

圖6 小客車(chē)仿真橫向加速度曲線Fig.6 Lateral acceleration curve of small bus simulation

3.2 路面附著系數(shù)對(duì)側(cè)滑的影響

汽車(chē)在曲線路段行駛時(shí)，輪胎會(huì)對(duì)地面產(chǎn)生側(cè)向反作用力來(lái)抵抗側(cè)向力，從而導(dǎo)致汽車(chē)行進(jìn)方向與輪胎滾動(dòng)方向之間形成輪胎側(cè)偏角。為了研究路面濕滑對(duì)車(chē)輛行駛穩(wěn)定性的影響，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，將路面附著系數(shù)u分別設(shè)置為0.55～0.35，取值間隔為0.05，小半徑圓曲線的仿真車(chē)速設(shè)置為55 km/h，提取不同路面附著系數(shù)下的輪胎側(cè)偏角進(jìn)行分析。

圖7給出了不同附著系數(shù)下的輪胎側(cè)偏角，由于轉(zhuǎn)向不足，車(chē)輛在圓曲線上行駛時(shí)需要增大方向盤(pán)的轉(zhuǎn)角來(lái)補(bǔ)充轉(zhuǎn)向不足，因此車(chē)輛在右轉(zhuǎn)圓曲線上行駛時(shí)，右前輪的側(cè)偏角最大，且前輪側(cè)偏角均大于后輪側(cè)偏角。車(chē)輛進(jìn)入小半徑圓曲線之前的轉(zhuǎn)向和制動(dòng)過(guò)程中，輪胎側(cè)偏角急劇增大，當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入小半徑圓曲線后，行駛速度較穩(wěn)定，輪胎側(cè)偏角變化波動(dòng)較為平緩。觀察圖7(a)～圖7(d)發(fā)現(xiàn)路面附著系數(shù)越低，事故高發(fā)位置處車(chē)輛的輪胎側(cè)偏角越大，車(chē)輛出現(xiàn)側(cè)滑的危險(xiǎn)性越高。附著系數(shù)u=0.35時(shí)，車(chē)輛出現(xiàn)嚴(yán)重側(cè)滑，仿真車(chē)輛駛出匝道外，輪胎側(cè)偏角曲線如圖7(e)所示。

圖7 不同路面附著系數(shù)下的輪胎側(cè)偏角曲線Fig.7 Tire sideshow curves under different road adhesion coefficients

表6為不同附著系數(shù)下的最大橫向偏移量，從表中發(fā)現(xiàn)， 路面附著系數(shù)越小，車(chē)輛運(yùn)行軌跡偏離行車(chē)道越顯著。因此，為了提高行車(chē)的安全性應(yīng)該在該立交匝道上增設(shè)防滑設(shè)施以提高路面附著系數(shù)。

表6 不同附著系數(shù)下的最大側(cè)向偏移量

3.3 車(chē)速與附著系數(shù)的耦合影響

車(chē)輛以不同的車(chē)速行駛在不同附著系數(shù)的道路上，出現(xiàn)的側(cè)向偏移量不一樣。為了研究速度與路面附著系數(shù)耦合因素下的車(chē)輛側(cè)滑情況，在保證試驗(yàn)順利進(jìn)行的前提下，模擬車(chē)輛的行駛速度分別取45、50、55 km/h，事故匝道的附著系數(shù)設(shè)置為0.45、0.5、0.55的行駛過(guò)程。提取車(chē)輛最大側(cè)向偏移量，然后使用MATLAB軟件生成三維圖像對(duì)其進(jìn)行分析，如圖8所示。

圖8 車(chē)速與附著系數(shù)對(duì)側(cè)向偏移量的影響圖Fig.8 Influence of vehicle speed and adhesion coefficient on lateral offset

從圖8中發(fā)現(xiàn)，路面附著系數(shù)為0.45時(shí)，車(chē)速?gòu)?0 km/h提高到55 km/h時(shí)，車(chē)輛側(cè)向偏移量變化明顯，車(chē)輛在此時(shí)已經(jīng)側(cè)滑到外側(cè)硬路肩上，未駛出匝道；路面附著系數(shù)為0.5、0.55時(shí)，車(chē)速對(duì)車(chē)輛側(cè)滑的影響較小。同一車(chē)速下，隨著路面附著系數(shù)的增大，車(chē)輛的側(cè)滑情況出現(xiàn)明顯改善。車(chē)速越大，路面附著系數(shù)越小，車(chē)輛的側(cè)滑情況越嚴(yán)重。因此，在陰雨天氣，駕駛員需要嚴(yán)格控制車(chē)速進(jìn)入紅花灣樞紐小半徑匝道，嚴(yán)禁超速行駛。

4 大貨車(chē)側(cè)翻工況仿真

貨車(chē)與小客車(chē)相比，貨車(chē)具有質(zhì)心高、車(chē)型大和載重量大等特點(diǎn)，并且貨車(chē)在紅花灣樞紐處偶有側(cè)翻，事故危險(xiǎn)程度較高，因此有必要針對(duì)紅花灣立交事故高發(fā)處，對(duì)影響貨車(chē)側(cè)翻的因素進(jìn)行分析。影響側(cè)翻的因素有行為因素與道路因素，行為因素主要選擇貨車(chē)速度、載重量、質(zhì)心位置，道路因素主要選擇道路超高與附著系數(shù)。

為了更好地研究大貨車(chē)側(cè)翻影響因素與車(chē)輛側(cè)翻間的關(guān)系，本節(jié)采用輪胎載荷轉(zhuǎn)移率(load tranfer rate, LTR)來(lái)評(píng)價(jià)貨車(chē)的行駛穩(wěn)定性[17]。輪胎載荷轉(zhuǎn)移率取值在[0，1]之間，LTR值越靠近0時(shí)，汽車(chē)行駛越穩(wěn)定，出現(xiàn)翻車(chē)的概率越低；LTR值越靠近1時(shí)，汽車(chē)更加傾向于側(cè)翻[18]。LTR的表達(dá)式為

(1)

式(1)中：Fri表示右側(cè)車(chē)輪的垂直載荷,kN；Fli表示左側(cè)車(chē)輪垂直載荷，kN；i表示車(chē)軸序號(hào)；n表示車(chē)軸總數(shù)。

4.1 行為因素對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響

研究非道路因素對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響時(shí)，選取車(chē)速、貨車(chē)載質(zhì)量和質(zhì)心位置作為研究對(duì)象。車(chē)速取30、35、40、45、50 km/h，貨車(chē)載質(zhì)量取7、8、9、10、11 t，質(zhì)心高度取110、125、140、155、170 cm，仿真道路條件按照初始設(shè)置條件，控制單一變量進(jìn)行研究。研究車(chē)速對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響時(shí)，將貨車(chē)的載質(zhì)量設(shè)置為9 t，質(zhì)心高度設(shè)置為140 cm；研究貨車(chē)的載質(zhì)量對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響時(shí)，將貨車(chē)的速度設(shè)置為40 km/h，質(zhì)心高度設(shè)置為140 cm；研究質(zhì)心高度對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響時(shí)，將貨車(chē)的速度設(shè)置為40 km/h，貨車(chē)載質(zhì)量設(shè)置為9 t。

仿真試驗(yàn)后，利用式(1)計(jì)算輪胎載荷轉(zhuǎn)移率LTR，提取最大LTR，生成圖9。從圖9(a)中可以發(fā)現(xiàn)，貨車(chē)入彎速度的改變會(huì)引起輪胎載荷轉(zhuǎn)移率發(fā)生變化。在當(dāng)前仿真工況下，貨車(chē)以限速值40 km/h入彎時(shí)，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率值最??；當(dāng)車(chē)速高于45 km/h時(shí)，最大輪胎載荷轉(zhuǎn)移率變化較快，車(chē)輛行駛安全性較低。從圖10中發(fā)現(xiàn)，恒速45 km/h時(shí)，貨車(chē)處于輕微左側(cè)側(cè)傾狀態(tài)；恒速50 km/h時(shí)，大貨車(chē)左側(cè)側(cè)傾程度增大。由圖9(b)和圖9(c)可知，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率隨著貨車(chē)載質(zhì)量以及質(zhì)心高度的增大而增大，與兩者均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，降低了行車(chē)穩(wěn)定性。因此，為了降低小半徑匝道上的側(cè)翻事故，需要嚴(yán)格限速限載并合理控制貨車(chē)的裝載高度以提高車(chē)輛的側(cè)向穩(wěn)定性。

圖9 行為因素下的最大輪胎載荷轉(zhuǎn)移率Fig.9 Maximum tire load transfer rate under behavioral factors

圖10 不同速度下貨車(chē)的側(cè)傾狀態(tài)Fig.10 Roll state of truck at different speeds

4.2 道路因素對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響

為了研究道路超高和路面附著系數(shù)對(duì)貨車(chē)側(cè)翻的影響，在仿真試驗(yàn)中設(shè)置車(chē)輛的入彎速度為40 km/h，紅花灣小半徑匝道的路面附著系數(shù)設(shè)置為0.6，超高值取2%、3%、4%、5%、6%；超高值取4%，路面附著系數(shù)則取0.4～0.8，間隔為0.1。將仿真實(shí)驗(yàn)后的輪胎垂直載荷數(shù)據(jù)提取出來(lái)，利用式(1)進(jìn)行計(jì)算，提取最大輪胎載荷轉(zhuǎn)移率，生成圖11。

由圖11(a)可知，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率的整體趨勢(shì)為：彎道超高值越高，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率越低，貨車(chē)的側(cè)向穩(wěn)定性越好。但對(duì)于質(zhì)心高的滿載大貨車(chē)，彎道超高值過(guò)大且限速值較低，可能會(huì)導(dǎo)致貨車(chē)向彎道內(nèi)側(cè)側(cè)翻。由圖11(b)可知，貨車(chē)的速度相同時(shí)，路面附著系數(shù)越小，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率越大，貨車(chē)在彎道行駛的側(cè)向穩(wěn)定性越差。在路面附著系數(shù)為0.4時(shí)，貨車(chē)在彎道上沒(méi)有出現(xiàn)側(cè)滑與側(cè)翻，但右后兩輪出現(xiàn)短暫的輕微離地，具有一定的事故隱患。

圖11 不同道路因素下的輪胎荷載轉(zhuǎn)移率Fig.11 Tire load transfer rate under different road factors

5 事故多發(fā)匝道的安全改善措施

紅花灣立交B匝道和C匝道的39起事故記錄中，明確記錄事故原因?yàn)椤俺佟钡挠?4起，占事故總數(shù)的62%。仿真實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，路面附著系數(shù)與匝道圓曲線上的超高值對(duì)車(chē)輛在小半徑匝道上的側(cè)向穩(wěn)定性影響較大，因此在此類(lèi)匝道的設(shè)計(jì)階段，應(yīng)采取能增大行車(chē)穩(wěn)定性的道路參數(shù)值。

紅花灣立交環(huán)形匝道事故高發(fā)主要是由于小半徑圓曲線之前的直線段較長(zhǎng)，導(dǎo)致駕駛員駛?cè)朐训缊A曲線時(shí)超速行駛，造成車(chē)輛失控從而發(fā)生事故。路面附著系數(shù)對(duì)車(chē)輛的側(cè)向穩(wěn)定性也具有一定影響，為此提出以下安全改善措施。

(1)在緩和曲線和圓曲線對(duì)應(yīng)的路面上增設(shè)彩色防滑路面，提高路面附著系數(shù)并起到警示作用，設(shè)置位置如圖12黃色部分所示。

圖12 減速標(biāo)線或彩色防滑線設(shè)置位置Fig.12 Setting position of speed reduction line or color anti-skid line

(2)在匝道圓曲線之前的直線段上設(shè)置橫向振動(dòng)減速標(biāo)線或者縱向減速標(biāo)線，設(shè)置位置如圖12紅色部分所示。避免因長(zhǎng)直線造成的駕駛員超速行駛，降低車(chē)輛因超速駛?cè)雸A曲線發(fā)生側(cè)滑撞擊外側(cè)護(hù)欄的事故率。

(3)在匝道B和C的分流鼻端以及下穿主線的位置增設(shè)40 km/h限速標(biāo)志，提醒駕駛員按規(guī)定速度行駛，如圖12紅圓點(diǎn)部分所示。

6 結(jié)論

以紅花灣互通樞紐為研究對(duì)象，模擬駕駛員在匝道上的完整行駛過(guò)程，分析了部分苜蓿葉型立交小半徑匝道的事故發(fā)生機(jī)制，得到如下實(shí)驗(yàn)結(jié)論。

(1)小客車(chē)行駛速度對(duì)小半徑匝道的行駛穩(wěn)定性、側(cè)向偏移量及駕駛員舒適性有顯著影響，當(dāng)匝道半徑值為60～65 m時(shí)，為保證駕駛安全性與舒適性，車(chē)速應(yīng)不超過(guò)50 km/h。

(2)小半徑圓曲線之前直線段過(guò)長(zhǎng)，容易誘導(dǎo)駕駛員以較高的車(chē)速行駛，在駛?cè)雸A曲線之前的減速過(guò)程主要在緩和曲線上(長(zhǎng)度為39 m)完成，為了保證行駛安全性，應(yīng)在此類(lèi)匝道圓曲線之前的直線段設(shè)置減速標(biāo)線，并保障緩和曲線的長(zhǎng)度。

(3)當(dāng)車(chē)速一定時(shí)，路面附著系數(shù)越低，事故高發(fā)位置處車(chē)輛的輪胎側(cè)偏角越大，車(chē)輛出現(xiàn)側(cè)滑的危險(xiǎn)程度越高，應(yīng)在此立交匝道上增設(shè)彩色防滑路面以提高路面附著系數(shù)，減少側(cè)滑風(fēng)險(xiǎn)。

(4)貨車(chē)以限速值40 km/h入彎時(shí)，輪胎載荷轉(zhuǎn)移率最小；貨車(chē)的輪胎載荷轉(zhuǎn)移率隨著超高和路面附著系數(shù)的增大而減小，隨載重量和質(zhì)心高度的增大而增大，因此為減少貨車(chē)側(cè)翻，應(yīng)嚴(yán)格限速限載并合理控制貨車(chē)的裝載高度以提高車(chē)輛側(cè)向穩(wěn)定性。