高等級公路橋頭跳車對行車安全的影響評價＊

胡思濤 項喬君 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，處于營運中的橋梁臺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，嚴重影響著公路行車的安全性和舒適性。目前針對橋頭跳車的主要研究集中于其產(chǎn)生的原因、危害及對策方面［2－5］，缺少橋頭跳車對行車安全影響的定量評價。本文在明確橋頭跳車對行車安全影響機理的基礎(chǔ)上，以交通流指標(biāo)為媒介，選取合適的評價指標(biāo)和分析方法，建立橋頭跳車評價指標(biāo)與行車安全的關(guān)系模型，并提出影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。利用該模型可準(zhǔn)確判斷不同的橋頭跳車狀況對行車安全的影響程度，評價結(jié)果能夠為相關(guān)部門日常養(yǎng)護和采取交通安全改善措施提供依據(jù)。

1 評價指標(biāo)

1.1 橋頭跳車評價指標(biāo)

對于不同的橋頭連結(jié)形式，橋頭跳車的形式也不同。當(dāng)橋頭為搭板連結(jié)時，因為沉降的原因，行車軌跡為折線形式，搭板兩端的縱坡差形成了1個突變的縱坡轉(zhuǎn)折；當(dāng)橋頭不設(shè)搭板時，橋頭形成了1個類似于臺階式的陡坎。這2種橋頭連結(jié)形式下的跳車機理不盡相同，評價指標(biāo)也有所差別。

1.1.1 設(shè)搭板時的評價指標(biāo)

橋頭搭板的設(shè)計參數(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

對于高速行駛的車輛，縱坡突然的轉(zhuǎn)折對車輛行駛非常不利，不僅會加劇汽車的顛簸，影響行車舒適，嚴重時甚至?xí)霈F(xiàn)行車事故。汽車在橋頭的行車機理十分復(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，其受力情況見圖2。

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

根據(jù)文獻［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)折造成一定的動能損失，從而降低行車速度。車輛前輪經(jīng)過A 點到后輪經(jīng)過B 點時的動能損失為

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）可以計算車輛通過橋頭的動能損失，由動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)評價奠定了基礎(chǔ)。因此，對于設(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 作為橋頭跳車的評價指標(biāo)。

1.1.2 未設(shè)搭板時的評價指標(biāo)

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

圖3 未設(shè)搭板時路橋過渡段示意圖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行特征有關(guān)，不同的交通流運行特征對應(yīng)不同的交通安全狀態(tài)。交通流運行平穩(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)進行評價，如速度差、加速度、速度梯度等。要篩選可用于評價橋頭跳車對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 或臺階高度h 相關(guān)性強的交通流指標(biāo)，通過交通流相關(guān)指標(biāo)的變化規(guī)律評價橋頭跳車的安全狀態(tài)。

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

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

通過式（2）可以用臺階高度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，都可計算出速度差Δv，在交通流指標(biāo)選取時可以考慮速度差Δv 或其相關(guān)指標(biāo)如加（減）速度a。速度差Δv作為評價交通安全的指標(biāo)，得到了廣泛的認可［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行狀況。以未設(shè)搭板的情況為例，根據(jù)公式（2），取臺階高度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)生在非常短的時間內(nèi)。而減速度作為衡量物體在一定時間內(nèi)速度降低的指標(biāo)，能夠敏感的體現(xiàn)出發(fā)生橋頭跳車時的交通流特性。在上述情況下，橋頭跳車發(fā)生在很短的時間間隔內(nèi)，取Δt＝0.3s，則減速度為

由計算可以看出，車輛經(jīng)過路橋銜接部發(fā)生的跳車對減速度的影響較為明顯。而且隨著臺階高度h的增大，跳車越嚴重，減速度也越大。文獻［10］用行車試驗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)來間接評價行車安全。

對于設(shè)搭板的情況可以采用同樣的方法加以分析，動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。

2 評價模型

評價模型根據(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

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間，s，a為減速度，m／s2。

一般情況下，汽車通過搭板是1個瞬間的過程，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算時間。

表1 設(shè)置搭板時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 及車輛接近橋梁時的速度（一般情況下，可以取高速公路的設(shè)計車速或限速值），查表1 獲取Δt的值，就可以代入式（3），計算出車輛通過橋頭時的減速度用于安全評價。

2.2 不設(shè)搭板時

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

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

2.3 影響等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

不同的加速度會對形成安全和舒適性造成不同程度的影響。文獻［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)將公路橋頭跳車對行車安全的影響級別分為三級，一級表示影響最小，三級表示影響最大，各等級所對應(yīng)的減速度如表2所示。

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

3 評價模型的應(yīng)用

為進一步評價橋頭跳車對行車安全的影響，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行計算，并確定其影響等級。

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），可計算出相應(yīng)的減速度值。計算結(jié)果表明，對于設(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。總體來看，設(shè)置搭板的情況下影響等級均達到一級，可見設(shè)置搭板有助于減小橋頭跳車對行車安全的影響，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）計算不同臺階高度下的減速度及其安全等級，結(jié)果見表3。

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

由表3可見，隨著臺階高度的增加，減速度也不斷增加，影響等級越高，跳車越嚴重，對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，不同影響等級所對應(yīng)的臺階高度的取值范圍，見表4.

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

一旦現(xiàn)場實測的臺階高度位于二級影響所對應(yīng)的取值區(qū)間，則應(yīng)該引起重視，位于三級影響屬于非常危險的情況，必須采取相應(yīng)的措施。對比設(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)置搭板的安全等級明顯高于不設(shè)搭板的情況，所以，對于不設(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)象在高等級公路上非常普遍，容易對行車安全產(chǎn)生不利影響。本文研究了公路橋頭跳車對行車安全的影響。在明確橋頭跳車產(chǎn)生機理的基礎(chǔ)上，針對設(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)將橋頭跳車對行車安全的影響分為三個級別，并計算了不設(shè)置搭板情況下各個安全等級所對應(yīng)的臺階高度的取值范圍。該模型定量地評價了橋頭跳車對行車安全的影響，分析表明設(shè)置搭板時的交通安全狀況均處于較高水平；未設(shè)置搭板時，橋頭跳車對交通安全的影響與臺階高度及通過銜接部時的車速緊密相關(guān)，影響等級位于二級和三級的情況下，可采取限速或設(shè)置搭板的措施來降低橋頭跳車對行車安全的影響。

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

［2］杜志剛，潘曉東，邱 超.山區(qū)公路橋頭行車安全評價指標(biāo)及改善研究［J］.安徽理工大學(xué)學(xué)報：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］.濟南：山東大學(xué)，2009.

［4］席強偉.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理分析及試驗研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2010.

［6］馮忠居，方貽立，龔堅城，等.高等級公路橋頭跳車的危害及其機理的分析［J］.西安公路交通大學(xué)學(xué)報，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，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，2004，17（1）：74－78.

［10］潘曉東，杜志剛，楊曉光.橋頭跳車對行車安全影響評價指標(biāo)的研究［J］.同濟大學(xué)學(xué)報：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.