橋頭跳車現(xiàn)象對車輛乘員舒適性的影響

張科超，王 博，劉海強

(1. 重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400044； 2. 中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088；3. 長安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064； 4. 北京市市政工程設(shè)計研究總院有限公司，北京 100082)

0 引言

隨著我國綜合國力的增強，橋梁的建設(shè)規(guī)模及技術(shù)水平已經(jīng)居于世界前列，截至2019年末,全國公路總計橋梁87.83萬座，總里程達6 063.46萬m[1]。路橋結(jié)合部存在差異沉降、路面凹陷、坑洼等病害，汽車駛過該路段時，由于落差原因，車輛會發(fā)生跳車現(xiàn)象，尤其是車速較大時，汽車極易失控，引發(fā)嚴重的交通事故。此外，橋頭跳車現(xiàn)象會引起較大的沖擊力，會直接影響乘客及駕駛員的舒適性[2]。

目前，國內(nèi)外諸多學(xué)者對橋頭跳車現(xiàn)象進行了研究，并積累了一定了研究基礎(chǔ)，主要集中在橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生的危害、原因機理及防治措施方面[3]。在橋頭跳車危害方面，Hu等[4]利用減速度指標分析了設(shè)置搭板和不設(shè)置搭板2種情況下，橋頭跳車對行車安全的影響，發(fā)現(xiàn)行車速度、臺階高度、搭板設(shè)置情況對行車安全有明顯影響。Bai等[5]在橋頭路段車輛碰撞機理研究的基礎(chǔ)上，以減速度為評價指標提出了交通安全評價標準和各安全等級的閾值。杜志剛等[6]利用車輛振動加速度差值作為指標，分析了橋頭跳車行車風(fēng)險，發(fā)現(xiàn)橋頭跳車的危害程度與車輛經(jīng)過橋頭時的行駛速度呈正相關(guān)。在橋頭跳車原因機理及防治措施方面，Yang等[7]在深埋混凝土板法的基礎(chǔ)上提出了一種低分割板-樁基礎(chǔ)處理方法，克服了深埋混凝土板機械承載力的不足和易發(fā)生結(jié)構(gòu)損傷的問題。潘曉東等[8]研究發(fā)現(xiàn)駕駛員心率的變動和行車加速度可作為橋頭跳車路段行車安全評價指標，橋頭跳車加重駕駛員心理負擔會對行車安全產(chǎn)生較大影響。章蘇亞等[9]利用FLAC3D仿真計算軟件分析了等長樁、2種長短樁各類情況下橋頭的沉降特性，發(fā)現(xiàn)長短樁聯(lián)合格柵能減小沉降量并避免樁基路段結(jié)束處的跳車感。

目前橋頭跳車現(xiàn)象舒適性研究較少，尤其缺乏舒適性的相關(guān)控制標準，本研究提出橋頭跳車現(xiàn)象舒適性評價的一種方法，以縱向加速度為評價指標，利用Carsim仿真軟件分析橋頭落差、行駛速度、道路平縱線形等因素對行車舒適性的影響，并對仿真路段進行行車舒適性評價。

1 橋頭跳車現(xiàn)象及影響分析

1.1 橋頭跳車現(xiàn)象

橋頭跳車是橋涵兩端與道路連接處不均勻沉降，繼而引起車輛行駛在該位置時產(chǎn)生顛簸的一種常見現(xiàn)象，如圖1所示。橋頭跳車引起的車輛顛簸會直接影響車輛行駛舒適性，間接影響駕駛員對車輛的控制能力，尤其在高速公路行駛中，橋頭跳車引起的車輛躍起和急減速會引發(fā)諸多安全問題，車輛狀態(tài)較差時橋頭跳車可能引發(fā)車輛機械故障。同時，橋頭跳車現(xiàn)象對交通流也會產(chǎn)生間接影響，導(dǎo)致道路通行能力降低。

圖1 橋頭沉降示意圖Fig.1 Schematic diagram of bridgehead settlement

橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生原因有多種，其中主要原因為橋頭與路堤之間不均勻沉降產(chǎn)生橋頭沉降引起的橋頭跳車。路堤沉降量主要由地基沉降量和填土沉降量2部分組成。當橋頭伸縮縫設(shè)置不當時，也會出現(xiàn)伸縮縫變形引起的橋頭跳車，由于更換伸縮縫可有效解決此類問題，因此該問題較少存在。此外由于橋頭與路面剛度不同，也會增加橋頭跳車的振動效果，但并非主要原因。因此本研究主要以橋頭與路堤之間沉降不均勻產(chǎn)生“錯臺”引起的橋頭跳車為研究對象。

1.2 橋頭跳車對行車影響

車輛經(jīng)過橋頭路段時，具有一定經(jīng)驗的駕駛員會在經(jīng)過橋頭前采取減速制動措施，以減小車輛顛簸。當車輛出現(xiàn)橋頭跳車現(xiàn)象后，大部分駕駛員會采取減速措施以控制車輛穩(wěn)定性。根據(jù)目前研究可知，當橋頭落差高度小于1.5 cm時，橋頭跳車引起的車輛顛簸較小，對車速幾乎無影響。而隨著橋頭落差高度的增高，車輛顛簸嚴重程度增加，對車速影響增加，當橋頭落差高度達到5 cm以上時，車速受影響程度極大[10]。橋頭落差高度對行車速度的影響如表1所示。

表1 橋頭落差高度對行車速度的影響Tab.1 Influence of bridgehead drop height on driving speed

根據(jù)相關(guān)研究，橋頭落差高度與車速降低值呈正相關(guān)，即車速降速值隨橋頭落差高度的增加而增大，其定量關(guān)系為：

v=1.845h1.12,

(1)

式中，v為速度的降低值；h為橋頭落差高度。

除了橋頭落差外，已有相關(guān)研究表明橋頭跳車現(xiàn)象引起的車輛顛簸程度與行車速度直接相關(guān)，郭益安[11]利用ADAMS對不同車速條件下經(jīng)過橋路連接處時車輛的振動情況進行仿真，發(fā)現(xiàn)隨著車速的提高輪胎受力和底盤垂向加速度均有明顯的增加。

2 評價指標

行車舒適性主要指車輛行駛過程中乘客心理和生理的感受狀態(tài)水平，其主要受車輛狀態(tài)、車內(nèi)空間環(huán)境、道路線形、路面狀況及駕駛?cè)瞬僮魉降纫蛩赜绊?。在公路研究領(lǐng)域主要考慮路面狀況和道路線形2個方面。行車舒適性較差時，乘客在會出現(xiàn)惡心、嘔吐、頭痛、面色蒼白、精神緊張、心率紊亂等現(xiàn)象。

在行車舒適性評價研究方面，目前采用斯佩林舒適性評價方法[12]、國際舒適性評價方法[13]、橫向力系數(shù)評價方法[14]、縱向加速度評價方法[15]、加速度干擾法[16]5種方法較為廣泛，具體見表2。

表2 行車舒適性評價方法Tab.2 Evaluation method of driving comfort

當汽車在平直路段行駛時，縱向加速度as幾乎為零，在經(jīng)過路橋連接處時，橋頭跳車現(xiàn)象產(chǎn)生縱向加速度，縱向力作用在車內(nèi)駕駛員及乘客身上產(chǎn)生顛簸引起不適。目前，根據(jù)《汽車理論》[16]中縱向加速度允許的界限值的規(guī)定，見表3。

表3 縱向加速度與行車舒適性的關(guān)系Tab.3 Relationship between longitudinal acceleration and driving comfort

Herman提出將加速度干擾作為評價指標，利用加速度與平均加速度的標準差描述行車舒適性，目前多用于橫向加速度干擾的評價[17]。由于車輛經(jīng)過橋頭路段時，車輛加速度會因車輛前后輪通過產(chǎn)生多次波動，并且一般路段縱向加速度幾乎為零，因此本研究在加速度干擾法的基礎(chǔ)上，引入縱向加速度干擾作為評價指標，以充分考慮多次顛簸情況，具體計算方法為：

(2)

式中，φ為縱向加速度干擾；amax為單次波動的加速度波峰極值；amin為單次波動的加速度波谷極值；n為顛簸次數(shù)。

根據(jù)Herman提出的以加速度干擾為行車舒適性的評價標準[17]，將縱向加速度干擾為指標進行舒適度評價分級，見表4。

表4 縱向加速度干擾與行車舒適性評價分級Tab.4 Longitudinal acceleration interference and driving comfort evaluation classification

3 仿真模型建立

已有許多學(xué)者利用Carsim軟件對公路安全性及舒適性進行研究，為道路行車相關(guān)研究提供了可行有效的試驗方法[18]。本研究采用小型車動力學(xué)仿真軟件Carsim進行試驗，根據(jù)《公路工程技術(shù)標準》建立道路模型、車輛模型及駕駛員模型,其中道路模型中平面指標采用“直-緩-圓”基本組合，路段長度共500 m，其中直線段長100 m，緩和曲線長100 m，圓曲線長300 m，縱斷面采用直坡，圓曲線半徑和縱坡坡率根據(jù)仿真工況選擇，橋頭位置位于K0+250處。車輛模型選擇“B-Class，Hatchback 2012”車型，簧載質(zhì)量1 130 kg。駕駛員模型采用人-車-路閉環(huán)系統(tǒng)仿真，由軌跡控制、速度控制和剎車控制3部分組成。沿車道中心線行駛，速度控制根據(jù)仿真工況選擇，剎車控制根據(jù)式(1)計算模擬。

4 舒適性影響因素分析

4.1 仿真策略

為了綜合驗證分析道路線形指標、橋頭落差、車速、高速公路橋頭跳車路段對駕駛員舒適性的影響，選用橋頭落差高度、車速、縱坡和曲線半徑作為主要影響因素，根據(jù)不同工況，設(shè)計4組仿真試驗，仿真策略見表5。

表5 四種工況下的仿真策略Tab.5 Simulation strategies under 4 working conditions

4.2 仿真結(jié)果分析

圖2(a)～(d)分別表示不同橋頭落差、行駛速度、縱坡及圓曲線半徑條件對縱向加速度Az的影響?？梢钥闯?，在橋頭前后位置行駛平穩(wěn)時，縱向加速度為零；車輛在K0+250處經(jīng)過橋頭位置時，縱向加速度出現(xiàn)震蕩，對駕駛員舒適性有明顯影響。此外，各工況條件下波峰呈狀態(tài)趨勢一致，且縱向加速度峰頂絕對值大于峰谷絕對值，多數(shù)情況下第2次震蕩的縱向加速度峰頂絕對值大于第1次震蕩，與2軸車輛實際經(jīng)過橋頭臺階的現(xiàn)象一致。

由圖2(a)可知，縱向加速度的峰值隨橋頭落差增大而增大，且當橋頭落差達20 mm以上時第2次震蕩明顯，說明車輛駕駛員及乘客舒適度隨橋頭落差增大而降低。由圖2(b)可知，縱向加速度的峰值隨行駛速度V的增大而增大，但除80 km/h工況條件外，當車速為60，100，120 km/h時，第2次震蕩的縱向加速度波峰明顯，說明一定范圍內(nèi)車輛駕駛員及乘客舒適度隨行駛速度增加而減小，但車輛以較低車速經(jīng)過橋頭時震蕩次數(shù)與車速較高時一致，因此車輛通過橋頭臺階時，車速降低超過一定范圍后不會增加乘車舒適度。由圖2(c)可知，縱向加速度的最大峰值在上坡路段較下坡路段少，并且下坡路段縱坡越陡，乘車舒適性越低，上坡路段縱坡越陡，乘車舒適性越高。由圖2(d)可知，在一定范圍內(nèi)，縱向加速度的峰值隨平曲線半徑變化不明顯，因此乘車舒適性與平曲線半徑關(guān)系不大。

4.3 行車舒適性評價

根據(jù)仿真試驗結(jié)果顯示橋頭落差、車速、縱坡對乘員舒適性影響較大，而曲線半徑對乘員舒適性影響較小，進一步對最大縱向加速度amax和縱向加速度干擾φ進行計算，并根據(jù)表3及表4評價指標對行駛舒適性進行評價，評價結(jié)果如表6所示。

5 結(jié)論

(1)運用車輛動力學(xué)仿真軟件Carsim進行了仿真。仿真試驗結(jié)果顯示，橋臺落差、車速、縱坡對乘員舒適性影響明顯，而曲線半徑對乘員舒適性無明顯影響。根據(jù)舒適性評價結(jié)果，當橋頭落差大于20 mm、車速大于100 km/h時舒適性相對較差。此外，橋頭位于上坡路段時較下坡路段舒適性高。

(2)驗證了以最大縱向加速度和縱向加速度干擾為指標的評價效果，評價結(jié)果基本一致，均能夠有效評估乘車舒適性，并對乘員舒適性進行評價分級，可以作為評價橋頭跳車現(xiàn)象的主要依據(jù)和方法。根據(jù)目前指標分級標準，以最大縱向加速度為評價指標進行評估時，指標較為嚴苛，在制訂實際工程養(yǎng)護策略中難以分辨重點及難點，而以縱向加速度干擾為評價指標能夠更加精確地分辨舒適度提升的重點及難點，更加適用于實際工作。

圖2 四種工況下縱向加速度變化情況Fig.2 Changes of longitudinal acceleration under 4 working conditions

表6 橋頭跳車路段乘員舒適性評價結(jié)果Tab.6 Evaluation result of occupant comfort on bridgehead bumping section

(3)所提出的舒適度評價指標和方法，為評估和防治橋頭跳車現(xiàn)象對舒適度影響提供了一種新的方法，在運營階段可通過實車測試橋頭位置處的縱向加速度，進一步根據(jù)最大縱向加速度和縱向加速度干擾判定橋頭跳車嚴重程度。在設(shè)計階段可以采用控制縱坡大小，將橋頭設(shè)置于上坡路段等方法；運營階段可以采用路段限速等方法，以提高路段行車舒適性。