侧风下高墩桥梁上货运汽车行驶安全性评价

朱占猛,闫亚光

（河北工程大学 土木工程学院,河北 邯郸 056107）

0 引言

在未来，智能化交通将广泛应用于各场景，智能交通基础设施和应用系统的建设以及运行将成为未来交通发展的必然趋势。而建设智慧交通体系，必然要对行驶车辆、道路天气环境进行精确化管理。货运汽车在高墩桥梁上行驶，经常会受到环境侧风的作用。货运汽车在高速行驶过程中在遇到横风时，会使车辆的气动六分力迅速增加，导致车辆行驶安全性直线下降。尤其是对行驶车辆的稳定性产生了巨大的威胁，造成车辆倾覆以及人员伤亡事故，给桥梁、公路运输安全、驾驶员生命安全造成严重威胁。与此同时，在特殊的风环境下，如高墩桥梁上，车辆车身周围流场发生明显改变，致使车辆所受气动荷载显著增大，车辆倾覆的可能性也大大增加。

国内外学者对此进行了一些研究，国外学者，Yoshihisa Maruyama[1]通过数值模拟的方法对道路上行驶车辆行驶稳定性进行研究，并进行了实验对模拟数据进行对比。Snæbjörnsson[2]从路面粗糙度、侧风风速、车辆行驶速度等因素出发，对交通事故发生的概率进行评估。通过测量装置实际测量车辆所处环境风速、车辆的位置信息以及车辆行驶速度。国内学者，如湖南大学龚旭[3]研究了重型半挂厢式货车在高速公路上受侧风影响，对其车辆气动稳定性进行了分析与优化。长安大学王露[4]研究了在恶劣天气环境作用下，在山区桥隧连接段公路上行驶车辆稳定性和安全性受脉动风影响程度。

该文针对在高墩桥梁上这种复杂风环境下，利用CFD仿真得到的结果，对车辆侧倾以及四种不同路面（干路面、湿路面、雪路面和冰路面）条件下侧滑进行分析，进而对高墩桥梁上货运汽车行驶的安全风速、安全车速进行预警，对货运汽车在高墩桥上行驶的安全性进行评价，为未来精细化监控车辆安全体系的建立提供参考。

1 数值模拟理论基础

1.1 控制方程

高墩桥梁上货运汽车行驶的最高运行车速不超过90 km/h，其马赫数远小于0.3。周围流动流体可按不可压缩流体来处理，流场内的流体以湍流状态存在。在进行流场模拟时，认为流体在流场中是非定常流动，流体的流动参数随着时间变化。对应的流场控制方程如下：质量守恒方程[5]、动量守恒方程[6]、能量守恒方程[7]。

1.2 湍流模型

对于车辆和桥梁部件的气动效应研究，国内外学者选用的模型大多数为SST模型RNG模型两种，而RNG模型对汽车外流场的模拟效果较好。因此该文使用商业软件Starccm+进行分析，采用两方程模型对侧风作用高墩桥梁上行驶的货运汽车气动荷载进行数值模拟。

2 数值模拟

2.1 数值模型

该文选取沃尔沃重型货运汽车（Globetrotter XL）作为车辆模型，模型长宽高尺寸为16.5 m×2.7 m×3.7 m，忽略了后视镜等细部构造。桥梁模型为双向4车道桥梁，货运汽车位于靠近桥梁迎风侧的第一车道，桥梁断面长宽高尺寸为115 m×18 m×3 m，桥梁高度为50 m，单车道宽3.75 m。车速90 km/h，风速25 m/s，简化后的车桥模型如图1所示。

图1 车辆-桥梁-模型

计算模型采用四面体网格和棱柱层网格，对车辆、桥梁周围分别进行加密处理。最小网格尺寸为0.01 m，时间步长为0.001 s，内部最大迭代次数为50步。

2.2 计算区域及边界条件

研究使用重叠网格技术，采用切割体网格对计算区域进行划分。为节省计算机资源并提高计算效率，对计算域分区划分不同尺寸的网格，对防风屏、车辆进行加密。计算域大小选为：220 m×135 m×100 m。将防风屏、货运车辆、桥梁和计算域底面设为壁面，迎风面设为速度进口，其余面设为压力出口面，在车辆重叠网格区域和背景区域设置生成为重叠交界面。

3 数值模拟结果分析

3.1 行车安全影响因素

货运汽车在高墩桥梁上行驶时受路面环境的影响，路面环境可分为干路面、湿路面、雪路面和冰路面。在四种天气情况路面条件下，其路面的附着系数不同，其侧向附着系数取值分别为0.7、0.5、0.15、0.07。高墩桥梁货运汽车行驶安全性不仅与行驶路面条件有关，还与货运汽车自身的车速有关，随着货运汽车车速的提高，货运汽车行驶安全性不断降低。与此同时，货运汽车在高墩桥梁上受到的横风风速越大，导致货运车辆发生事故的可能性就会大大增加。基于货运汽车行驶路面条件、行驶车速、侧风风速三方面安全性影响因素对高墩桥梁上货运汽车进行侧倾和侧滑分析，进而对高墩桥梁上货运汽车的行驶安全性进行评估。

3.2 货运汽车侧倾分析

货运汽车在行驶过程中受到强侧风作用时，货运汽车想要保持平衡不发生侧倾，其车体重力相对于背风侧外侧车轮与地面的接触点所产生的内力矩要大于车体受到的侧向力和升力对背风侧外侧车轮与地面接触点所产生的外力矩，车体受力分析如图2所示。

图2 货运汽车受力分析

将车体受到的力和力矩平移到重心，货运汽车平衡条件如下列公式所示：

式中，MRM——气动侧倾力矩；FS——货运汽车受到的气动侧向力；FL——货运汽车受到的气动升力；H——货运汽车重心高度；B——车辆轮距；m——货运汽车质量；g——重力加速度；MG=0.5mgB；MG——车体重力对迎风侧车轮与地面接触点的力矩。

该节通过式（1）对高墩桥梁上货运车辆在侧风作用下侧倾安全性进行研究。通过计算得到车辆在车速70 km/h、80 km/h、90 km/h对应侧风风速从15～35 m/s工况下车辆所受荷载，根据计算数据，对高墩桥梁上货运汽车在空载状况下进行侧风作用下侧倾安全性分析。通过Matlab软件对数据进行拟合，得到风速v和促使车辆发生侧倾外力合力矩M的拟合公式，拟合结果如下：

车速90 km/h：

车速80 km/h：

车速70 km/h：

同时运用Matlab软件得到货运汽车三种行驶速度下的拟合曲线，如图3所示：

图3 行驶空载货运汽车侧倾分析

由图3并结合拟合公式可知，当空载货运车辆行驶在平直路面上时，随着风速的增加，货运汽车受到的外力矩不断增大。与此同时，随着货运汽车车速的提高，货运汽车安全行驶临界风速减小，当车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于33.5 m/s、35.2 m/s、37.0 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧翻的危险。

3.3 货运汽车侧滑分析

高墩桥梁上货运车辆在行驶过程中受到侧风作用，当车体所受侧向力大于车轮与地面的侧向附着力时，车体受力不平衡，会发生侧滑事故。货运车辆在行驶中受力情况如图4所示。

图4 货运汽车侧滑受力分析

车辆在侧风下安全行驶而不发生侧滑的条件如式（5）所示：

式中，FS——货运汽车受到的气动侧向力；FL——货运汽车受到的气动升力；m——货运汽车质量；g——重力加速度；μ——侧向附着系数。

该节分析干路面、湿路面、雪路面和冰路面四种不同的路面状况，根据（5）式对高墩桥梁上行驶的空载重货运汽车在侧风下的侧滑安全性进行分析。将计算数据通过Matlab软件进行数据拟合，得到风速v和促使车辆受到气动外力合力F(F=FS+μFL)的拟合公式和拟合曲线，拟合结果如下：

干路面条件下（附着系数μ=0.7）：

车速90 km/h：

车速80 km/h：

车速70 km/h：

当空载货运车辆行驶在干路面上时，当风速低于35 m/s时，货运汽车在干路面条件下均能安全行驶，不会发生侧滑事故。

湿路面条件下（附着系数μ=0.5）：

车速90 km/h：

车速80 km/h：

车速70 km/h：

当空载货运车辆行驶在湿路面上时，当风速低于35 m/s时，货运汽车在干路面条件下均能安全行驶，不会发生侧滑事故。

雪路面条件下（附着系数μ=0.15）：

车速90 km/h：

车速80 km/h：

车速70 km/h：

由上式计算得到，当空载货运车辆行驶在雪路面条件下时，当货运汽车行驶车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧翻的危险。

冰路面条件下（附着系数μ=0.07）：

车速90 km/h：

车速80 km/h：

车速70 km/h：

由上式计算得到，当空载货运车辆行驶在雪路面条件下时，当货运汽车行驶车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧翻的危险。

4 结论

该文根据数值模拟得出货运汽车在不同车速和风速情况下的气动特性，对高墩桥梁上空载货运汽车在侧风下的侧倾安全性进行分析。结论如下：

（1）对高墩桥梁上货运车辆行车安全影响因素进行分析，对四种天气情况路面状态下侧向附着系数进行取值。

（2）根据数值模拟得出货运汽车在不同车速和风速情况下的气动特性。当空载货运车辆行驶在平直路面上时，货运汽车行驶车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于33.5 m/s、33.5 m/s、37.0 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧翻的危险。

（3）对高墩桥梁上空载货运汽车在侧风下的侧滑安全性进行分析，当空载货运车辆行驶在干湿路面上时，货运汽车在干路面条件下均能安全行驶，不会发生侧滑事故。当空载货运车辆行驶在雪路面条件下时，行驶车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧翻的危险。当空载货运车辆行驶在冰路面条件下时，行驶车速为90 km/h、80 km/h、70 km/h时，分别在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的侧风作用下高墩桥梁上空载货运车辆就有侧滑的危险。