考慮車橋間氣動干擾的橋上車輛行駛安全性分析

韓艷 劉葉 黃靜文 蔡春聲

摘 ? 要：為了研究車橋間氣動干擾對橋上車輛行駛的影響，以重慶太洪長江大橋為研究背景，針對廂式貨車和小轎車2種車型，對強風作用下車橋的動力響應和車輛的行車安全性進行了分析. 首先基于風-車-橋耦合整體分析系統，分別獲得考慮與不考慮車橋間氣動干擾兩種情況下車輛的豎向、俯仰、側傾加速度響應以及橋梁側向加速度響應，將獲得的加速度響應導入MATLAB所編制的局部事故分析程序中，獲得車輛側滑位移和每個車輪反力比，根據行車事故判定準則，判斷車輛是否發生事故;然后通過逐級增加車速和風速，得到了2種車型在不同車速下的臨界風速. 研究結果表明：考慮車橋間氣動干擾對車輛動力響應影響較大，從而對橋上車輛行駛安全性影響顯著，不考慮車橋間氣動干擾的行車安全性分析結果偏保守，此外，考慮車橋間氣動干擾還影響車輛在橋上行駛時發生的事故類型. 研究結果為強風氣象條件下大跨度橋梁的運營安全和科學管理提供了合理的理論參考和數據支撐.

關鍵詞：橋梁工程;風-車-橋系統;氣動干擾;行車安全性分析;臨界風速

中圖分類號：U442 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

Abstract：In order to investigate the effect of aerodynamic interaction between vehicles and a bridge on the driving safety of vehicles on a bridge， the Taihong Yangtze River Bridge of Chongqing in China was taken as an example， and the driving safety of vehicles and dynamic responses of vehicles and the bridge under strong wind were investigated for the two typical types of vehicles——a van and a car. Firstly， based on the wind-vehicle-bridge coupling analysis system， the vertical， pitching and rolling accelerations of the vehicles， and the lateral acceleration of the bridge were calculated with and without consideration of the aerodynamic interference between the vehicles and bridge. Then， these acceleration responses of the vehicles and bridge were applied to the local accident analysis program built by MATLAB. The sideslip displacement and the reaction force ratio of each wheel of the vehicles were calculated. The accidents of the vehicles were assessed by comparing the calculated responses of the vehicles with the accident criteria. Further， the accident critical wind speeds of the vehicles at different traveling speeds were obtained by gradually increasing the traveling speed and wind speed， and the curves of the accident critical wind speed versus the traveling speed for the two types of vehicles with and without consideration of the aerodynamic interference were plotted. The results show that the aerodynamic interference between the vehicles and the bridge has a significant influence on the driving safety of vehicles on the bridge. The assess results are relatively conservative if the aerodynamic interference between the vehicles and bridge is not considered. In addition， the aerodynamic interference also affects the vehicle accident type. This paper can provide a reasonable theoretical reference and data support for the operation safety and scientific management of long-span bridges under strong wind weather conditions.

Key words：bridge engineering;wind-vehicle-bridge system;aerodynamic interaction;driving safety analysis;critical wind speed

我國公路交通進入跨海連島時代，長大橋梁增多，此類橋梁橋址處的風荷載往往都比較大，車輛在橋面上通行的安全性問題比在道路上更加突出，合理評估橋上車輛行駛安全性是確保大橋安全、經濟運營的保障. 而準確預測橋上車輛的安全性不僅需要準確模擬風-車-橋間相互耦合作用還要準確模擬風-車-橋間的相互氣動干擾. 過去國內外學者對車輛在橋面上通行的事故分析進行了大量研究并取得了豐富的研究成果. Cai和Chen[1-2]將駕駛員行為引入到風-汽車-橋梁耦合分析中，以整體分析和局部分析相結合的方式得到車輛側滑位移、偏轉位移和車輪反力，以此來判斷車輛的行車安全性. 龐加斌等[3]在考慮車速、車型、風速和路面等條件，分析了4種典型車輛的安全行車臨界風速，建立了橋面行車高度的等效風速概率模型，提出了概率評估方法. Guo[4]和韓萬水等[5]為能直接計算車輛側滑位移，將車輛模型中輪胎與路面接觸點定義一個獨立的側向自由度，輪胎的摩擦力表達為輪胎豎向力和側滑速率的函數，通過風-車-橋分析計算輪胎側滑位移，以位移量作為車輛事故判斷標準. 馬麟[6]研究了考慮汽車運動時坐標轉動特性的駕駛員行為模型和橋面車輪側滑力模型，建立了考慮駕駛員行為的風-車-橋系統空間耦合振動分析框架及求解策略. 李永樂等[7]針對車輛側傾事故和側滑事故的評判準則，采用概率統計方法提高了風致車輛事故分析的可靠性. 殷新鋒等[8]綜合考慮了車流隨機性和路面等級退化等因素，分析了大跨度橋梁的振動及行車舒適性.研究表明駕駛員座椅模型的各向振動可顯著影響行車舒適度. 雖然國內外學者均建立了準確的車橋模型，但是其車輛氣動力荷載直接采用Baker[9-10]的經驗公式，沒有考慮車橋間的氣動影響. 近年來韓艷等[11-14]采用數值計算和風洞試驗方法對風-車-橋耦合系統的車輛和橋梁氣動特性進行了研究，研究結果發現，車輛和橋梁間的相互氣動干擾對車輛和橋梁的氣動力有較大的影響. 韓艷等[15]研究了橋梁抖振力空間相關性對側風作用下橋梁和車輛耦合動力響應的影響，研究結果表明：橋梁抖振力空間相關性對橋梁動力響應有顯著影響，對車輛的動力響應也有一定的影響. 韓萬水等[16]研究了氣動干擾下大跨度斜拉橋動力響應和車輛安全性，結果分析表明氣動干擾對橋梁動力響應和車輛安全性影響顯著，但其只考慮了一種車型. 由此可見，非常有必要研究車橋間氣動干擾對不同車型的橋上行駛安全性的影響.

鑒于以上研究現狀，本文以重慶太洪長江大橋為工程背景，基于以前的車橋系統氣動特性研究基礎，利用自編的風-車-橋耦合振動程序分別計算分析了不同車型下考慮與不考慮車橋間氣動干擾的車橋動力響應，基于車輛事故分析模型編制車輛行車安全性評估程序，將風-車-橋耦合振動的車輛動力響應結果作為激勵輸入，分析研究了考慮車橋間氣動干擾對橋上車輛行駛安全性的影響.

1 ? 考慮車橋間氣動干擾的橋上車輛行駛安

全性分析方法

1.1 ? 風-車-橋耦合振動

1.2 ? 考慮橋梁氣動影響的車輛氣動力系數

本文主要分析小轎車和廂式貨車在橋梁上的行駛安全性，圖1、圖2分別為2種車型考慮橋梁與不考慮氣動影響的氣動力系數隨著風偏角的變化情況. 本文旨在研究考慮車橋間氣動干擾對橋上行車安全性研究，在研究車輛氣動力時沒有考慮欄桿和風屏障的影響. 廂式貨車考慮氣動相互影響的氣動力系數參考文獻[11]，小轎車考慮氣動相互影響的氣動力系數參考文獻[17]，2種車型的氣動參數雖然取自不同文獻，但是兩文獻中的橋梁斷面均為流線型斷面型式，與本文橋梁斷面的型式類似，作者前期研究[13]發現橋梁斷面的局部細微變化對車輛氣動力系數影響很小. 廂式貨車和小轎車不考慮氣動相互影響的氣動力系數根據韓萬水試驗結果[5]， 其研究中采用的車型與文獻[11]和文獻[17]相同.

從圖1和圖2可以看出，考慮與不考慮車橋氣動干擾的結果相差較大，說明橋梁對車輛氣動力系數影響較大，因此進行橋上車輛行駛安全性分析時有必要考慮橋梁對車輛的氣動影響.

1.3 ? 車輛事故分析模型及評判標準

參考Chen等[2]提出的車輛事故分析模型，如圖3所示，假定車輪和橋面“密貼”. 將風-車-橋耦合振動整體分析計算得到的車輛豎向、側傾方向、俯仰方向和橋梁側向的動力響應用到車輛事故分析模型中，從而計算出車輛側滑位移和車輪反力.

3 ? 結 ? 論

本文基于車橋系統氣動特性研究基礎，以重慶太洪長江大橋為研究背景，編制了考慮車橋氣動影響的車輛安全行駛評估程序，分析研究了考慮車橋氣動影響對橋上車輛行駛安全性的影響，得到了以下研究結論：

1）不論是對于小轎車還是廂式貨車，考慮車橋氣動干擾的臨界風速均大于不考慮車橋氣動干擾的臨界風速，而且差值幾乎均超過10 m/s. 因此，橋上車輛行駛安全性分析時如果不考慮車橋氣動影響會使評估結果偏保守，不利于大橋的合理經濟管理.

2）車橋間氣動干擾不僅會影響車輛行駛的臨界風速，還會影響車輛發生安全事故的類型.

總之，對于文中類似的流線型橋梁斷面，考慮車橋間氣動干擾可以更全面地分析橋梁上的車輛事故發生，能讓相關部門采取更合理的措施來應對強風情況，在強風條件能夠做出更合適的應急措施和疏散計劃.

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