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高速公路強風(fēng)惡劣天氣下車輛行車安全性分析

文檔作者：肖志軍1 欒利強2 文檔來源： 1．同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院 2．廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年04月27日
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第4O卷，第5期
2 0 1 5年1 0月
公 路 工 程
Highway Engineering
Vo1．40，No．5
Oct． ，2 0 1 5
高速公路強風(fēng)惡劣天氣下車輛行車安全性分析
肖志軍 ，欒利強
(1．同濟大學(xué)交通運輸工程學(xué)院，上海201804； 2．廣東省南粵交通投資建設(shè)有限公司，廣東廣州510101)
[摘要]在強風(fēng)等惡劣天氣條件下，車輛容易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻的安全事故。從車輛空氣動力學(xué)原理出發(fā)，對
在強風(fēng)條件下車輛的側(cè)滑和側(cè)翻極限條件進行了理論公式求解；得出了車輛在強風(fēng)惡劣天氣條件下不發(fā)生側(cè)滑和
側(cè)翻交通事故的臨界安全車速；并對不同天氣條件下的數(shù)值求解進行了分析。
[關(guān)鍵詞]高速公路；強風(fēng)；行車安全
[中圖分類號】u 491．2 51 【文獻標識碼】A [文章編號】1674—0610(2015)05—0241—04
Safety Analysis of Vehicles Driving on Freeway under Strong
W ind W eather Condition
XIAO Zhijun ，LUAN Liqiang
．
(1．School of Transportation Engineering，Tongji University，Shanghai 20．1 804 China； 2．Guangdong
Nanyue Transportation Investment＆ Construction Co．，Ltd．Guangdong 510101 China)
‘
[Abstract]The vehicles are prone to sideslip and rollover under the strong winds inclement weather
conditions．This paper，starting from the vehicle aerodynamics，solves a theoretical formula of vehicle
sideslip and rollover under strong wind conditions and obtains the critical velocity of vehicles not occur—
ring the sideslip rollover accidents under the strong winds inclement weather．conditions and the numerical
solutions under diferent weather conditions were analyzed．
[Key words]freeway；strong winds；driving safety
0 引言
在橋梁路段和隧道的進出口等路段，由于所處
的特殊地形環(huán)境容易形成強風(fēng)帶，對車輛側(cè)向行駛
穩(wěn)定性造成影響。車輛在行駛的過程中如果受到側(cè)
風(fēng)的影響，不僅影響車輛行駛的舒適性，在強風(fēng)的作
用下還可能發(fā)生側(cè)滑、側(cè)翻等安全性問題。美國的
統(tǒng)計資料表明，車輛側(cè)翻事故造成的危害程度在所
有交通事故中僅次于汽車碰撞事故，是造成巨大損
失的交通事故之一¨ 。
目前，強風(fēng)對高速公路車輛的行車安全的影響
的研究并不多，已有的研究大多集中在沿?；蛘呖?
海橋梁工程進行的，如丹麥大海帶大橋 ，“蘆洋跨
海大橋風(fēng)力對車輛通行安全性影響分析” ，蘇通
大橋、杭州灣大橋等。風(fēng)對行駛車輛安全性的影響
更多的表現(xiàn)側(cè)風(fēng)效應(yīng)，主要包括3類 ：① 低風(fēng)速
效應(yīng)(舒適性問題)，在較低風(fēng)速條件下，氣動升力
系數(shù)因側(cè)風(fēng)而增加，氣動穩(wěn)定性下降，汽車高速行駛
時駕駛員路感變差；② 高風(fēng)速效應(yīng)(安全性問題)，
在高風(fēng)速條件下，側(cè)面積大的車輛可能被側(cè)向風(fēng)吹
翻，小型車行駛過程中可能會嚴重偏向；③ 脈動風(fēng)
效應(yīng)(舒適性問題)，當(dāng)自然風(fēng)的脈動成分能譜與車
輛懸掛系統(tǒng)特征頻率相近時，容易引起的車輛懸掛
系統(tǒng)共振。
風(fēng)對行駛車輛的影響與路面狀況(路面摩擦系
數(shù))、路段(彎道、直道)、車型、風(fēng)速及車速、風(fēng)向等
因素有關(guān)。本文利用空氣動力學(xué)原理分析強風(fēng)對車
輛行駛的不發(fā)生側(cè)滑與側(cè)翻的安全性條件。
1 強風(fēng)惡劣天氣下車輛抗側(cè)滑性
通常，風(fēng)力的作用面有2個方向：縱向和橫向，
見圖1，圖2；當(dāng)風(fēng)向與車輛的行車方向垂直時(即橫
向風(fēng)力)，風(fēng)速達到一定大小時，對車輛的側(cè)向滑動
產(chǎn)生了一定的影響，特別是貨車、客車等的影響較
[收稿日期1 2叭5—03一l2
【作者簡介]肖志軍(1978一)，男，浙江金華人，博士生，從事公路工程及交通安全研究。
242 公路工 程 4O卷
大。因此，考慮最不利的側(cè)風(fēng)作用下，分析車輛行駛
的側(cè)滑安全性。
困
J ＼
風(fēng)力F
行車道
圖1 直線段和曲線段強風(fēng)作用下車輛側(cè)向受力圖
Figure l lateral force diagrams in road line and curve sections
under strong winds conditions
① 抗側(cè)滑極限速度計算。
由空氣動力學(xué)的研究和試驗可知，汽車在空氣
介質(zhì)中運動時所產(chǎn)生的空氣阻力為：氣動阻力(迎
面)、氣動側(cè)力(側(cè)面)和氣動升力(底面)。其中，氣
動升力較小，對車輛的轉(zhuǎn)彎影響較小，故不予考慮；
氣動阻力只是對車輛的縱向行駛產(chǎn)生影響，對側(cè)向
影響較小。因此．以氣動側(cè)力作為抗滑極限邊界條
件，進行車輛抗滑極限的分析：
F2=czpAV2
r／2=CzpA( 一2 sin盧+ )／2
式中：P為空氣密度，取1．225 8 kg／m ；V，為車輛與
氣流的相對速度，m／s；V，= 瓜
m／s， 為風(fēng)速大小，m／s；V為車速大小，m／s； 為風(fēng)
速與車速的夾角；C 為氣動側(cè)力系數(shù)；A為汽車迎風(fēng)
面積，小汽車為I．4～2．3 m ，輕型客車為1．9～2．5
m ，大客車為6．0—8．0 m ，拖掛車為7．0～9．0 m 。
車輛橫向側(cè)滑的臨界受力約束條件為：
cos? 一 mgcosot+)
解不等式，得強風(fēng)下車輛臨界抗滑車速 ：
0≤ V ≤
Cn
0．68 K+ ．462 2，R K 一4R(m+RK)×
√[ 哆一mg(1x +tga)]
2(m + RK)
式中， 為強風(fēng)中不發(fā)生側(cè)滑的車速，km／h；Vf為
風(fēng)速，m／s；R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；／x 為橫向附著系數(shù)；m
為車輛的質(zhì)量，kg。
② 不同風(fēng)速和天氣條件下的車輛最大抗滑車
速分析(見圖2～圖5，表1)
當(dāng)車輛的質(zhì)量小時，車輛受側(cè)風(fēng)的影響大。因
此，對于載重量大的大貨車不考慮側(cè)向力的影響，而
昌
、
《
*
鉭
靜
鬈
l6 l8 20 22 24 26 28 30 32 34
風(fēng)速大小v ／(km·h )
圖2 強風(fēng)下客車側(cè)滑臨界車速(晴天)
Figure 2 bus sideslip critical speed(sunny day)
暑
、
《
斗
短
撲
簿
16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
風(fēng)速大小l，，／(km-h。。)
圖3 強風(fēng)下客車側(cè)滑臨界車速(雨天l
Figure 3 bus sideslip critical speed(rainy day)
二、
疊
瑙
計
姑
嘣
鏨
圖4 強風(fēng)下客車側(cè)滑l臨界車速(冰天)
Figure 4 bus sideslip critical speed(ice day)
圖5 強風(fēng)下客車側(cè)滑臨界車速(雪天)
Figure 5 bus sideslip critical speed(snow clay)
咖 釉 瑚 ㈣ 伽 姍
第5期 肖志軍，等：高速公路強風(fēng)惡劣天氣下車輛行車安全性分析 243
表1 不同天氣條件下瀝青路面橫向附著系數(shù)
Table 1 Asphalt road frictions under diferent weather condition
以客車為主進行試算分析。不同天氣條件下瀝青路
面橫向附著系數(shù)參考見表1 ：
從貨車的試算結(jié)果分析，隨著路面附著系數(shù)的
降低，強風(fēng)對貨車的側(cè)滑作用效果越來越??；在晴天
和雨天條件下，強風(fēng)對客車的側(cè)滑影響較??；但在冰
天和雪天條件下，強風(fēng)對貨車的側(cè)滑影響較大，一級
風(fēng)災(zāi)條件下車輛的安全臨界速度均小于100 km／h。
2 強風(fēng)惡劣天氣下的車輛抗側(cè)翻性
① 強風(fēng)下車輛抗側(cè)翻最大運行車速計算。
車輛在離心力、重力和側(cè)向風(fēng)力的作用下，以外
側(cè)輪胎中心為轉(zhuǎn)軸側(cè)向翻轉(zhuǎn)；考慮最不利的情況，側(cè)
風(fēng)作用方向與車輛行駛方向垂直，即口=0。，得：
【(m cosot-mgsina卜≤
[mgc咖+(m +F2)sin ]告
整理，解得：
0．34 RKVf(2 h—be)一
l K (0．884 5 RK+m)(2h—be)1
≤ — — —
( m + K )(Z 一 be J
式中：R為轉(zhuǎn)彎半徑，m；b為車輛輪距，m；e為曲線
超高(路面向內(nèi)側(cè)傾斜時為正值，反之為負值)；h為
車輛重心高度，m。
② 不同車輛的側(cè)翻最大臨界安全車速計算(見
圖6，圖7)。
通常，貨車和客車的重心高，車輛發(fā)生側(cè)翻可能
富
、
《
魯
Jl5Ⅱ’
辯
風(fēng)速 ／(kin·h一 1
圖6 強風(fēng)下貨車側(cè)翻車速(m=5 000 ks)
Figure 6 truck rollover speed(m=5 000 kg)
呂
～
魯
靜
癬
16 l8 20 22 24 26 28 30 32 34
風(fēng)速V，／(kin·h 1
圖7 強風(fēng)下貨車側(cè)翻車速(m=8 000 kg)
Figure 7 truck rollover speed(m：8 000 ks)
性大。因此，以貨車的側(cè)翻邊界條件為主，進行最大
臨界安全車速的數(shù)值模擬計算。
通過計算可知：當(dāng)貨車重心小于2 m時，隨著
貨車質(zhì)量的增加(m>8 000 kg)，貨車的臨界安全運
行速度逐漸增大，大于超過最高限速(120 km／h)。
當(dāng)貨車質(zhì)量在5 00～8 000 kg之間時，在小半徑曲
線路段或緊急變道等情形下，貨車的臨界安全車速
小于100 km／h，該情形下應(yīng)進行車速的限制，防止
車輛發(fā)生側(cè)翻事故。
3 結(jié)語
在惡劣天氣條件或緊急事件的影響下，高速行
駛的車輛在某些特征路段(如小半徑曲線)上，駕駛
員實施某種冒險操縱(如小間距跟車或換車道)時，
導(dǎo)致車輛的自由行駛存在一定的風(fēng)險。因此，高速
行駛的車輛應(yīng)滿足的安全約束條件 ≤ ，臨界安
全車速的計算過程如下：
① 實際車速 小于相應(yīng)天氣條件下路段的安
全臨界車速 ，即V實≤ 。其中，安全臨界車速
臨包括雨和冰雪等天氣下車輛的抗側(cè)滑臨界安全
車速 、強風(fēng)天氣下車輛的抗滑臨界車速 、雨
和冰雪惡劣天氣下車輛抗側(cè)翻臨界車速 、強風(fēng)
V
天氣的抗側(cè)翻臨界車速 籌等，那么 臨≤min{ ，
， ， )。
② 實際車速 小于最高限速V高(路線設(shè)計車
速)，即 宴≤ 高。
③ 特征路段的安全臨界車速 ：V =min
{ ， )。
[參考文獻]
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244 公路工程 40卷
(上接第240頁)
表4)。
公交車在出發(fā)前，獲知站點1，2，3，4，9，l 1，14
有乘客需求，生成初始運行徑路，在由站點2只站點
3運行途中，獲知站點5，6又分別有乘客請求，是否
將這兩個站點納入原始運行徑路中呢?如果不將這
2個站點插入原運行徑路，則車輛從大南街到西門
南路選擇最近的線路運行，距離為1 086 nl，因此這
2個站點上的乘客就需要等待下一班車來服務(wù)，等
待時間為10 min，這增加了乘客的不滿意度。若將
此2個站點插入原始運行徑路中，則獲得的收益由
式(1)可知為，增加乘車費7元，減少這兩個站點乘
客的等待時間10 rain，增加乘客的滿意度。損失由
式(2)可知為系統(tǒng)中現(xiàn)有乘客損失時間1．5 min。
另外因此，由于車輛插入新的站點，額外運行距離
675 m，由式(3)可知：運營成本方面損失為6．642
元，公交車燃油消耗每年政府還給予一定的財政補
助。綜合考慮，插入動態(tài)請求獲得的收益要大于不
插入動態(tài)請求。
表4 插入動態(tài)請求與不插入動態(tài)請求下結(jié)果的對比
Table 4 The comparison of results of inserting dynamic re．
quest and don’t f inserting dynamic request
運行方式運行
ra
時間
in 寺莩 倚H薯 I盎 雩／m孝ln 兀 ／燃 兀
塑 墊查堡 ： !!：!
通過這2組對比分析，可以看出，本研究構(gòu)造的
響應(yīng)實時需求的夜間公交柔性調(diào)度能夠有效地解決
晚上低密度客流條件下公交服務(wù)的難點問題，實現(xiàn)
以收益最高，損失最小為目標的實時高效的調(diào)度，從
而實現(xiàn)既能滿足乘客方便快捷的出行需求、又能滿
足運營者降低成本的優(yōu)化調(diào)度。
4 結(jié)論
針對目前夜間公交空車運行嚴重，運營成本高
這一限制。對于夜間公交的調(diào)度模式，提出了夜間公
交實行柔性調(diào)度。先對各種不同的柔性調(diào)度進行對
比分析，提出實時信息的采集方法，在這些基礎(chǔ)上設(shè)
計了夜間公交柔性調(diào)度系統(tǒng)的運作過程。最后從公
交公司和乘客兩個角度出發(fā)，綜合考慮乘客滿意度
及公交運營成本，建立了基于公交服務(wù)水平和運營
成本的多目標優(yōu)化模型，并提出了該模型的求解算
法，這些都保證了夜間公交實行柔性調(diào)度的可行性。
不可否認，此種調(diào)度方式存在理想化，實際中，城市
都會開行多條夜間公交線路構(gòu)成線網(wǎng)，在整個線網(wǎng)
中多條線路怎樣實現(xiàn)柔性調(diào)度有待研究。另外，模
型考慮到的限制因素有限，模型的目標的合理性有
待進一步研究。
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