側風下高墩橋梁上貨運汽車行駛安全性評價

朱占猛,閆亞光

（河北工程大學 土木工程學院,河北 邯鄲 056107）

0 引言

在未來，智能化交通將廣泛應用于各場景，智能交通基礎設施和應用系統的建設以及運行將成為未來交通發展的必然趨勢。而建設智慧交通體系，必然要對行駛車輛、道路天氣環境進行精確化管理。貨運汽車在高墩橋梁上行駛，經常會受到環境側風的作用。貨運汽車在高速行駛過程中在遇到橫風時，會使車輛的氣動六分力迅速增加，導致車輛行駛安全性直線下降。尤其是對行駛車輛的穩定性產生了巨大的威脅，造成車輛傾覆以及人員傷亡事故，給橋梁、公路運輸安全、駕駛員生命安全造成嚴重威脅。與此同時，在特殊的風環境下，如高墩橋梁上，車輛車身周圍流場發生明顯改變，致使車輛所受氣動荷載顯著增大，車輛傾覆的可能性也大大增加。

國內外學者對此進行了一些研究，國外學者，Yoshihisa Maruyama[1]通過數值模擬的方法對道路上行駛車輛行駛穩定性進行研究，并進行了實驗對模擬數據進行對比。Sn?bj?rnsson[2]從路面粗糙度、側風風速、車輛行駛速度等因素出發，對交通事故發生的概率進行評估。通過測量裝置實際測量車輛所處環境風速、車輛的位置信息以及車輛行駛速度。國內學者，如湖南大學龔旭[3]研究了重型半掛廂式貨車在高速公路上受側風影響，對其車輛氣動穩定性進行了分析與優化。長安大學王露[4]研究了在惡劣天氣環境作用下，在山區橋隧連接段公路上行駛車輛穩定性和安全性受脈動風影響程度。

該文針對在高墩橋梁上這種復雜風環境下，利用CFD仿真得到的結果，對車輛側傾以及四種不同路面（干路面、濕路面、雪路面和冰路面）條件下側滑進行分析，進而對高墩橋梁上貨運汽車行駛的安全風速、安全車速進行預警，對貨運汽車在高墩橋上行駛的安全性進行評價，為未來精細化監控車輛安全體系的建立提供參考。

1 數值模擬理論基礎

1.1 控制方程

高墩橋梁上貨運汽車行駛的最高運行車速不超過90 km/h，其馬赫數遠小于0.3。周圍流動流體可按不可壓縮流體來處理，流場內的流體以湍流狀態存在。在進行流場模擬時，認為流體在流場中是非定常流動，流體的流動參數隨著時間變化。對應的流場控制方程如下：質量守恒方程[5]、動量守恒方程[6]、能量守恒方程[7]。

1.2 湍流模型

對于車輛和橋梁部件的氣動效應研究，國內外學者選用的模型大多數為SST模型RNG模型兩種，而RNG模型對汽車外流場的模擬效果較好。因此該文使用商業軟件Starccm+進行分析，采用兩方程模型對側風作用高墩橋梁上行駛的貨運汽車氣動荷載進行數值模擬。

2 數值模擬

2.1 數值模型

該文選取沃爾沃重型貨運汽車（Globetrotter XL）作為車輛模型，模型長寬高尺寸為16.5 m×2.7 m×3.7 m，忽略了后視鏡等細部構造。橋梁模型為雙向4車道橋梁，貨運汽車位于靠近橋梁迎風側的第一車道，橋梁斷面長寬高尺寸為115 m×18 m×3 m，橋梁高度為50 m，單車道寬3.75 m。車速90 km/h，風速25 m/s，簡化后的車橋模型如圖1所示。

圖1 車輛-橋梁-模型

計算模型采用四面體網格和棱柱層網格，對車輛、橋梁周圍分別進行加密處理。最小網格尺寸為0.01 m，時間步長為0.001 s，內部最大迭代次數為50步。

2.2 計算區域及邊界條件

研究使用重疊網格技術，采用切割體網格對計算區域進行劃分。為節省計算機資源并提高計算效率，對計算域分區劃分不同尺寸的網格，對防風屏、車輛進行加密。計算域大小選為：220 m×135 m×100 m。將防風屏、貨運車輛、橋梁和計算域底面設為壁面，迎風面設為速度進口，其余面設為壓力出口面，在車輛重疊網格區域和背景區域設置生成為重疊交界面。

3 數值模擬結果分析

3.1 行車安全影響因素

貨運汽車在高墩橋梁上行駛時受路面環境的影響，路面環境可分為干路面、濕路面、雪路面和冰路面。在四種天氣情況路面條件下，其路面的附著系數不同，其側向附著系數取值分別為0.7、0.5、0.15、0.07。高墩橋梁貨運汽車行駛安全性不僅與行駛路面條件有關，還與貨運汽車自身的車速有關，隨著貨運汽車車速的提高，貨運汽車行駛安全性不斷降低。與此同時，貨運汽車在高墩橋梁上受到的橫風風速越大，導致貨運車輛發生事故的可能性就會大大增加。基于貨運汽車行駛路面條件、行駛車速、側風風速三方面安全性影響因素對高墩橋梁上貨運汽車進行側傾和側滑分析，進而對高墩橋梁上貨運汽車的行駛安全性進行評估。

3.2 貨運汽車側傾分析

貨運汽車在行駛過程中受到強側風作用時，貨運汽車想要保持平衡不發生側傾，其車體重力相對于背風側外側車輪與地面的接觸點所產生的內力矩要大于車體受到的側向力和升力對背風側外側車輪與地面接觸點所產生的外力矩，車體受力分析如圖2所示。

圖2 貨運汽車受力分析

將車體受到的力和力矩平移到重心，貨運汽車平衡條件如下列公式所示：

式中，MRM——氣動側傾力矩；FS——貨運汽車受到的氣動側向力；FL——貨運汽車受到的氣動升力；H——貨運汽車重心高度；B——車輛輪距；m——貨運汽車質量；g——重力加速度；MG=0.5mgB；MG——車體重力對迎風側車輪與地面接觸點的力矩。

該節通過式（1）對高墩橋梁上貨運車輛在側風作用下側傾安全性進行研究。通過計算得到車輛在車速70 km/h、80 km/h、90 km/h對應側風風速從15～35 m/s工況下車輛所受荷載，根據計算數據，對高墩橋梁上貨運汽車在空載狀況下進行側風作用下側傾安全性分析。通過Matlab軟件對數據進行擬合，得到風速v和促使車輛發生側傾外力合力矩M的擬合公式，擬合結果如下：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

同時運用Matlab軟件得到貨運汽車三種行駛速度下的擬合曲線，如圖3所示：

圖3 行駛空載貨運汽車側傾分析

由圖3并結合擬合公式可知，當空載貨運車輛行駛在平直路面上時，隨著風速的增加，貨運汽車受到的外力矩不斷增大。與此同時，隨著貨運汽車車速的提高，貨運汽車安全行駛臨界風速減小，當車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于33.5 m/s、35.2 m/s、37.0 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側翻的危險。

3.3 貨運汽車側滑分析

高墩橋梁上貨運車輛在行駛過程中受到側風作用，當車體所受側向力大于車輪與地面的側向附著力時，車體受力不平衡，會發生側滑事故。貨運車輛在行駛中受力情況如圖4所示。

圖4 貨運汽車側滑受力分析

車輛在側風下安全行駛而不發生側滑的條件如式（5）所示：

式中，FS——貨運汽車受到的氣動側向力；FL——貨運汽車受到的氣動升力；m——貨運汽車質量；g——重力加速度；μ——側向附著系數。

該節分析干路面、濕路面、雪路面和冰路面四種不同的路面狀況，根據（5）式對高墩橋梁上行駛的空載重貨運汽車在側風下的側滑安全性進行分析。將計算數據通過Matlab軟件進行數據擬合，得到風速v和促使車輛受到氣動外力合力F(F=FS+μFL)的擬合公式和擬合曲線，擬合結果如下：

干路面條件下（附著系數μ=0.7）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

當空載貨運車輛行駛在干路面上時，當風速低于35 m/s時，貨運汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會發生側滑事故。

濕路面條件下（附著系數μ=0.5）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

當空載貨運車輛行駛在濕路面上時，當風速低于35 m/s時，貨運汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會發生側滑事故。

雪路面條件下（附著系數μ=0.15）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

由上式計算得到，當空載貨運車輛行駛在雪路面條件下時，當貨運汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側翻的危險。

冰路面條件下（附著系數μ=0.07）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

由上式計算得到，當空載貨運車輛行駛在雪路面條件下時，當貨運汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側翻的危險。

4 結論

該文根據數值模擬得出貨運汽車在不同車速和風速情況下的氣動特性，對高墩橋梁上空載貨運汽車在側風下的側傾安全性進行分析。結論如下：

（1）對高墩橋梁上貨運車輛行車安全影響因素進行分析，對四種天氣情況路面狀態下側向附著系數進行取值。

（2）根據數值模擬得出貨運汽車在不同車速和風速情況下的氣動特性。當空載貨運車輛行駛在平直路面上時，貨運汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于33.5 m/s、33.5 m/s、37.0 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側翻的危險。

（3）對高墩橋梁上空載貨運汽車在側風下的側滑安全性進行分析，當空載貨運車輛行駛在干濕路面上時，貨運汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會發生側滑事故。當空載貨運車輛行駛在雪路面條件下時，行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側翻的危險。當空載貨運車輛行駛在冰路面條件下時，行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時，分別在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的側風作用下高墩橋梁上空載貨運車輛就有側滑的危險。