抓地龍隧道入口遮陽棚設計

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任公司，云南 昆明 650214；2. 長安大學 公路學院，陜西 西安 710064；3. 云南省交通投資建設集團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，行車進入隧道過程中極易引起駕駛人短暫性視覺功能降低，形成視覺“黑洞”效應，嚴重影響行車安全[1]。遮陽棚作為一種經(jīng)濟有效的隧道洞外減光設施，近年來在工程上的探索應用取得了良好的社會效益。

目前國內(nèi)針對遮陽棚的長度選取、透光率等關鍵問題展開了部分研究。李英濤等[2]考慮洞內(nèi)外照度、駕駛人視力恢復時間等因素，給出了不同設計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，選取藍色透光率為40%的材料進行減光設計。張?zhí)旄萚4]建立隧道入口亮度過渡最優(yōu)曲線來調(diào)整減光構造物的長度、透光率等設計。趙錫森等[5]依據(jù)駕駛人可接受的視覺明暗變化閾值，結合行車速度、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)境仿真技術設計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，構建底部兩側鏤空、上部通風開口的遮陽棚模型，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、結合減光過渡效果的合理長度分析較少，光環(huán)境設計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構設計等不足，限制了遮陽棚科學合理的應用。

本文以隧道入口駕駛人明暗視覺感受的量化分級為基礎，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、材料選型與結構設計等方面對其設置展開分析，可為公路隧道入口遮陽棚設計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，夏季正午時段自然光照強度可達1.2×105lux，隧道前的車內(nèi)駕駛人視覺位置與方向上的照度(視點照度)最高可達4.3×103lux(加強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，基本風壓為0.3 kN·m2。

抓地龍隧道右幅全長675 m(K54+115～790)，設計速度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，駕駛人行車受逆光影響的安全風險較高。

圖1 抓地龍隧道右幅洞門

2 “黑洞”效應的量化分級

車內(nèi)駕駛人視點照度變化與視覺“黑洞”效應感受密切相關[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”效應實車實驗。實驗車輛選用標準小型汽車(豐田PRADO)，照度測試儀器選用TES1339照度計(精度0.01 lux，測試頻率為5次·s-1，符合心理學中的最小視覺刺激時間0.2 s[7])。選擇晴朗白天正午時段(11:00～14:00)駕駛車輛勻速駛入隧道，將照度計光測量部位置于駕駛人眼睛位置，方向與視線方向相同，實時測量并錄制測試過程的視點照度讀數(shù)，同時記錄駕駛人“黑洞”效應的視覺感受。根據(jù)實驗結果建立視點照度特征參數(shù)與駕駛人“黑洞”效應明暗感受的量化表征，得到“黑洞”效應感受的數(shù)值分級，見表1。

表1 “黑洞”效應感受的數(shù)值分級

公路隧道入口遮陽棚光環(huán)境設計需滿足駕駛人視覺舒適性要求，故應保證遮陽棚全長范圍內(nèi)的K≤7.3。洞內(nèi)視點照度水平EN一般為50～300 lux，經(jīng)數(shù)學恒等變換得出以下結論：

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建

遮陽棚斷面設計尺寸應綜合考慮隧道內(nèi)輪廓尺寸、隧道外路面寬度及護欄位置，應不侵占原有道路設施范圍的同時注意追求美觀。

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)預彎成三段弧形梁連接組成，其施工方便、自重小且易于維護。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)境設計營造需要精確計算內(nèi)部照度的數(shù)值分布。Ecotect Analysis作為照明、建筑領域廣泛應用的光環(huán)境模擬軟件，可針對各種自然光對建筑物進行精確模擬[8]，可為遮陽棚內(nèi)漸低光環(huán)境營造設計提供簡單、快捷的實現(xiàn)途徑。利用Ecotect Analysis軟件構建的遮陽棚及隧道仿真基礎模型見圖4。

圖4 遮陽棚及隧道仿真基礎模型

3.2 遮陽棚內(nèi)光環(huán)境設計參數(shù)

(1)隧道外界視點照度水平

對抓地龍隧道右線入口前方50 m處進行視點照度實測。晴天時段上午9:00前與下午18:30后視點照度較弱，上午9:00后外界視點照度大幅增強，到達中午11:30～14:00達到頂峰值，一般在3 400～4 100 lux范圍波動，選取3 800 lux作為隧道外界視點照度設計參數(shù)。

(2)隧道內(nèi)視點照度水平

根據(jù)隧道右線的照明設計水平，結合前期測試隧道內(nèi)照度水平，選取240 lux作為隧道內(nèi)視點照度設計參數(shù)。

(3)控制速度

隧道限速不宜超過設計速度，根據(jù)設計文件，以100 km·h-1作為車輛進入隧道的控制速度。

(4)駕駛人視覺舒適判別標準

根據(jù)“黑洞”效應數(shù)值分級特性，抓地龍隧道“黑洞”效應舒適要求的指標閾值E1/E2≈1.7?？紤]到實際情形下的遮陽棚很難實現(xiàn)理想舒適閾值的照度過渡，故應使遮陽棚視點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(過低將導致設計長度過長、透光參數(shù)組合不合理等)，選取1.6～1.7作為駕駛人舒適判別標準。

3.3 遮陽棚初始長度確定

遮陽棚內(nèi)漸低光環(huán)境的實現(xiàn)要求駕駛人視點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人能適應的舒適閾值?？紤]洞內(nèi)外視點照度水平、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，過程須滿足式(2)：

Ein=EN×1.7t/0.2

(2)

其中t指Ein過渡至EN的行車時間。經(jīng)計算，抓地龍隧道入口遮陽棚可實現(xiàn)照度理想過渡的最小長度為18 m。根據(jù)經(jīng)驗，初步選擇2倍理論最小長度作為遮陽棚初始長度進行光環(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，構建“分段單一，整體組合”、“側向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式的仿真模型進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小于0.90 m、消防人員進入窗口的凈寬度與凈高度不應小于1.0 m[10]，將遮陽棚兩側下部鏤空1.2 m(即不設置遮陽板)。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 /“側向相同，頂部漸變”式模型

首先在初始長度下設計初始透光率組合進行全長范圍的光環(huán)境仿真，基于駕駛人視覺舒適判斷標準評價初始遮陽棚分段組合和長度的設計方案是否滿足視覺舒適需求，若不滿足則以每分段1 m的步長動態(tài)調(diào)整遮陽棚長度，后再次進行光環(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”式遮陽棚組合設計

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)濟及分段的合理，將其分為4段：9 m+9 m+9 m+9 m。設計以下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

計算各方案相鄰0.2 s視點照度數(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人視覺舒適需求，需要對遮陽棚的長度進行動態(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。設計以下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

計算各方案相鄰0.2 s視點照度數(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均不能滿足駕駛人視覺舒適需求，而方案4的透光率組合滿足駕駛人視覺舒適閾值，可較好的實現(xiàn)光環(huán)境漸低過渡。方案4的遮陽棚仿真模型及駕駛人視點照度變化曲線見圖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)視點照度變化曲線

(2)“側向相同，頂部漸變” 式遮陽棚組合設計

基于頂部60°的范圍進行透光率漸變設計，根據(jù)“側向相同，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進行光環(huán)境設計，頂部分段長度：10 m+10 m+10 m+10 m，設計以下2種方案：

方案1：側向0.2+頂部0.5-0.3-0.2-0.1

方案2：側向0.2+頂部0.5-0.3-0.1-0

計算各方案相鄰0.2 s視點照度數(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人視覺舒適需求，方案2的透光率組合滿足駕駛人視覺舒適閾值。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)，適當延長遮陽棚整體長度至44 m繼續(xù)進行光環(huán)境仿真設計，設計頂部分段長度：11 m+11 m+11 m+11 m，設計透光率組合方案：側向0.2+頂部0.5-0.3-0.2-0.1。構建遮陽棚模型進行視點照度仿真分析，計算得相鄰0.2 s視點照度數(shù)據(jù)的比值最大值wmax=1.61。遮陽棚仿真模型及設計方案的駕駛人視點照度變化曲線見圖8、9。

圖8 “側向相同，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)組合方案滿足駕駛人視覺舒適閾值，且照度變化較40 m可更好的符合駕駛人視覺舒適過渡需求，較利于應對明亮視覺環(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”、“側向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式在一定設計條件下均能較經(jīng)濟地營造出滿足駕駛人明暗視覺順適過渡的行車光環(huán)境。本文選取“側向相同，頂部漸變”遮陽材料組合形式下的44 m透光率設計組合(側向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)境的設計方案。

4 遮陽棚材料選型與結構設計

4.1 遮陽板材料選型

遮陽板材料的選型應綜合考慮透光性、耐久性、易用性、經(jīng)濟性等4個方面要求，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板具有強度高、易加工、透光率種類多等優(yōu)點，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 遮陽棚結構設計

基于選取的“側向相同，頂部漸變”式遮陽棚光環(huán)境設計方案，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，每兩道鋼拱架設兩組系桿，距離鋼拱架頂部4.5 m(弧長)位置布設。在鋼拱架表面弧線方向每隔1 m布設檁條，沿遮陽棚布設至隧道端墻，所有鋼材均采用Q235B牌號，最終形成一個整體的拱棚結構。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

遮陽棚主要承重構件為鋼拱架骨架，結構安全計算時先簡化為最不利單根拱肋進行計算，后取5根拱進行整體安全性驗算。結構設計過程中主要考慮結構自重、頂面均布荷載、風荷載、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軟件對支撐拱強度進行仿真計算，取結構各荷載組合包絡值，結果見圖12。

圖12 支撐拱應力包絡圖

由計算知，支撐拱架最大應力為49.5 MPa<215 MPa，滿足要求。

檁條主要承受遮陽板傳遞的風、雪等荷載，利用Midas軟件對系桿受力進行仿真計算，取結構各荷載組合包絡值，見圖13。

圖13 檁條應力包絡圖

由計算知，檁條最大應力為64.8 MPa<215 MPa，滿足要求。

系桿受力主要來自結構的升降溫荷載，利用Midas軟件對系桿強度進行仿真計算，取結構各荷載組合包絡值，見圖14。

圖14 系桿內(nèi)應力包絡圖

由計算知，系桿最大應力為34.1 MPa<215 MPa，滿足要求。

拱形鋼結構最大豎向位移計算值不應超過其跨度的1/400，平面內(nèi)拱頂最大水平側移計算值不應超過其跨度的1/200[12]。利用Midas有限元程序計算得最大豎向位移為12.19 mm<43.75 mm，最大水平側移為10.48 mm<87.5 mm，結構設計均能滿足安全要求。

5 結 語

(1)分析多隧道實車實驗采集的駕駛人視點照度數(shù)據(jù)，建立駕駛人“黑洞”效應明暗感受的量化表征，確定了不同視點照度水平下的駕駛人明暗視覺感受分級標準。

(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，對構建的“分段單一，整體組合”、“側向相同，頂部漸變”兩種遮陽材料組合形式遮陽棚進行多透光率及長度設計組合的光環(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)境設計方案。

(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)遮陽棚結構設計方案，利用Midas有限元軟件對各荷載組合下的結構安全進行驗算，保證了遮陽棚結構設計符合多荷載條件下的使用要求。

(4)抓地龍隧道遮陽棚設計可進一步豐富公路隧道入口遮陽棚設計理論，對推廣隧道入口遮陽棚的工程應用、提高隧道入口路段行車安全水平具有重要意義。