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高速公路強風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．同濟大學交通運輸工程學院 2．廣東省南粵交通投資建設有限公司		點擊數：	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．同濟大學交通運輸工程學院，上海201804； 2．廣東省南粵交通投資建設有限公司，廣東廣州510101)
[摘要]在強風等惡劣天氣條件下，車輛容易發(fā)生側滑和側翻的安全事故。從車輛空氣動力學原理出發(fā)，對
在強風條件下車輛的側滑和側翻極限條件進行了理論公式求解；得出了車輛在強風惡劣天氣條件下不發(fā)生側滑和
側翻交通事故的臨界安全車速；并對不同天氣條件下的數值求解進行了分析。
[關鍵詞]高速公路；強風；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)境容易形成強風帶，對車輛側向行駛
穩(wěn)定性造成影響。車輛在行駛的過程中如果受到側
風的影響，不僅影響車輛行駛的舒適性，在強風的作
用下還可能發(fā)生側滑、側翻等安全性問題。美國的
統(tǒng)計資料表明，車輛側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海或者跨
海橋梁工程進行的，如丹麥大海帶大橋 ，“蘆洋跨
海大橋風力對車輛通行安全性影響分析” ，蘇通
大橋、杭州灣大橋等。風對行駛車輛安全性的影響
更多的表現側風效應，主要包括3類 ：① 低風速
效應(舒適性問題)，在較低風速條件下，氣動升力
系數因側風而增加，氣動穩(wěn)定性下降，汽車高速行駛
時駕駛員路感變差；② 高風速效應(安全性問題)，
在高風速條件下，側面積大的車輛可能被側向風吹
翻，小型車行駛過程中可能會嚴重偏向；③ 脈動風
效應(舒適性問題)，當自然風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。
風對行駛車輛的影響與路面狀況(路面摩擦系
數)、路段(彎道、直道)、車型、風速及車速、風向等
因素有關。本文利用空氣動力學原理分析強風對車
輛行駛的不發(fā)生側滑與側翻的安全性條件。
1 強風惡劣天氣下車輛抗側滑性
通常，風力的作用面有2個方向：縱向和橫向，
見圖1，圖2；當風向與車輛的行車方向垂直時(即橫
向風力)，風速達到一定大小時，對車輛的側向滑動
產生了一定的影響，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，考慮最不利的側風作用下，分析車輛行駛
的側滑安全性。
困
J ＼
風力F
行車道
圖1 直線段和曲線段強風作用下車輛側向受力圖
Figure l lateral force diagrams in road line and curve sections
under strong winds conditions
① 抗側滑極限速度計算。
由空氣動力學的研究和試驗可知，汽車在空氣
介質中運動時所產生的空氣阻力為：氣動阻力(迎
面)、氣動側力(側面)和氣動升力(底面)。其中，氣
動升力較小，對車輛的轉彎影響較小，故不予考慮；
氣動阻力只是對車輛的縱向行駛產生影響，對側向
影響較小。因此．以氣動側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， 為風速大小，m／s；V為車速大小，m／s； 為風
速與車速的夾角；C 為氣動側力系數；A為汽車迎風
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 。
車輛橫向側滑的臨界受力約束條件為：
cos? 一 mgcosot+)
解不等式，得強風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， 為強風中不發(fā)生側滑的車速，km／h；Vf為
風速，m／s；R為轉彎半徑，m；／x 為橫向附著系數；m
為車輛的質量，kg。
② 不同風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)
當車輛的質量小時，車輛受側風的影響大。因
此，對于載重量大的大貨車不考慮側向力的影響，而
昌
、
《
*
鉭
靜
鬈
l6 l8 20 22 24 26 28 30 32 34
風速大小v ／(km·h )
圖2 強風下客車側滑臨界車速(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
風速大小l，，／(km-h。。)
圖3 強風下客車側滑臨界車速(雨天l
Figure 3 bus sideslip critical speed(rainy day)
二、
疊
瑙
計
姑
嘣
鏨
圖4 強風下客車側滑l臨界車速(冰天)
Figure 4 bus sideslip critical speed(ice day)
圖5 強風下客車側滑臨界車速(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
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
面橫向附著系數參考見表1 ：
從貨車的試算結果分析，隨著路面附著系數的
降低，強風對貨車的側滑作用效果越來越?。辉谇缣?
和雨天條件下，強風對客車的側滑影響較小；但在冰
天和雪天條件下，強風對貨車的側滑影響較大，一級
風災條件下車輛的安全臨界速度均小于100 km／h。
2 強風惡劣天氣下的車輛抗側翻性
① 強風下車輛抗側翻最大運行車速計算。
車輛在離心力、重力和側向風力的作用下，以外
側輪胎中心為轉軸側向翻轉；考慮最不利的情況，側
風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為轉彎半徑，m；b為車輛輪距，m；e為曲線
超高(路面向內側傾斜時為正值，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)生側翻可能
富
、
《
魯
Jl5Ⅱ’
辯
風速 ／(kin·h一 1
圖6 強風下貨車側翻車速(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
風速V，／(kin·h 1
圖7 強風下貨車側翻車速(m=8 000 kg)
Figure 7 truck rollover speed(m：8 000 ks)
性大。因此，以貨車的側翻邊界條件為主，進行最大
臨界安全車速的數值模擬計算。
通過計算可知：當貨車重心小于2 m時，隨著
貨車質量的增加(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)。
當貨車質量在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，該情形下應進行車速的限制，防止
車輛發(fā)生側翻事故。
3 結語
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，
導致車輛的自由行駛存在一定的風險。因此，高速
行駛的車輛應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滑臨界安全
車速 、強風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翻臨界車速 、強風
V
天氣的抗側翻臨界車速 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，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，本研究構造的
響應實時需求的夜間公交柔性調度能夠有效地解決
晚上低密度客流條件下公交服務的難點問題，實現
以收益最高，損失最小為目標的實時高效的調度，從
而實現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)化調度。
4 結論
針對目前夜間公交空車運行嚴重，運營成本高
這一限制。對于夜間公交的調度模式，提出了夜間公
交實行柔性調度。先對各種不同的柔性調度進行對
比分析，提出實時信息的采集方法，在這些基礎上設
計了夜間公交柔性調度系統(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度的可行性。
不可否認，此種調度方式存在理想化，實際中，城市
都會開行多條夜間公交線路構成線網，在整個線網
中多條線路怎樣實現柔性調度有待研究。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。
[參考文獻】
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