港珠澳大橋橋梁設(shè)計與安全策略

郭永靜 宋金謀 廖新 馮彬洋

摘要：港珠澳大橋由橋梁，人工島，隧道三部分組成，其中，島隧工程是大橋的控制性工程，需要建設(shè)兩座面積各十萬平方米的人工島和一條6.7公里的海底沉管隧道，實現(xiàn)橋梁與隧道的轉(zhuǎn)換，是大橋建設(shè)技術(shù)最復(fù)雜，建設(shè)難度最大的部分，極具挑戰(zhàn)性。珠澳大橋沉管隧道，是我國建設(shè)的第一座外海沉管隧道，也是世界上最長的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道。研究港珠澳大橋上車輛行駛問題變得尤為重要。通過分析，可以確定其為什么車型。此外，還要查出港珠澳大橋的交通方向轉(zhuǎn)換的那個轉(zhuǎn)向立交橋彎道處的曲率半徑。因為車輛在彎道處容易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻，根據(jù)我們確定的車型和參數(shù)可以具體進行分析與計算其在彎道處的行駛速度范圍與最大安全行駛速度。我們要考慮車輛行駛所遇到的側(cè)滑事故。側(cè)風(fēng)行駛最可能發(fā)生側(cè)滑事故，即行駛過程中因側(cè)滑而導(dǎo)致的嚴(yán)重偏向。側(cè)滑問題可以用靜力模型加以分析。

關(guān)鍵詞：側(cè)滑事故，側(cè)翻事故

一、問題重述

1.1問題提出

問題一：港珠澳大橋開通后，兩岸三地實現(xiàn)了陸上通行，考慮各地的習(xí)慣和傳統(tǒng)（港澳開車靠左行駛而內(nèi)地靠右行駛），通過轉(zhuǎn)向立交橋?qū)崿F(xiàn)雙方車輛在交通習(xí)慣上的自然過渡，請您對汽車（總重量范圍：1000kg—3000kg，下同）在轉(zhuǎn)向立交橋彎道處的行駛速度進行建模，并給出在彎道處的汽車最大安全行駛速度。

問題二：假定最大臺風(fēng)不超過16級，汽車最大行駛速度是100km/h?？紤]不同風(fēng)向的臺風(fēng)天氣情況下，請您給出在整座大橋主體上汽車最大安全行駛速度和臺風(fēng)級數(shù)的關(guān)系。

二、問題分析

2.1問題一的分析

通過分析汽車的總重量范圍，根據(jù)車型參數(shù)，可以確定其為什么車型。此外，還要查出港珠澳大橋的交通方向轉(zhuǎn)換的那個轉(zhuǎn)向立交橋彎道處的曲率半徑。因為車輛在彎道處容易發(fā)生側(cè)滑和側(cè)翻，根據(jù)我們確定的車型和參數(shù)可以具體進行分析與計算其在彎道處的行駛速度范圍與最大安全行駛速度。

2.2問題二的分析

這里是在臺風(fēng)級數(shù)不超過16級的前提下。側(cè)風(fēng)對行車安全性的影響形式包括3類[2]：①低風(fēng)速效應(yīng)（舒適性問題）;②脈動風(fēng)速效應(yīng)（舒適性問題）;③高風(fēng)速效應(yīng)（安全性問題）。

低風(fēng)速效應(yīng)和脈動風(fēng)速效應(yīng)均為舒適性問題，可以通過駕駛員的操作避免安全事故的發(fā)生。高風(fēng)速效應(yīng)難以用駕駛操作修正，很容易發(fā)生事故，因此被稱為安全性問題，應(yīng)當(dāng)在交通管理中避免。研究表明，相同車型、路況及車速條件下，隨著側(cè)風(fēng)的增強，側(cè)滑最先發(fā)生。我們這里只考慮第三種情況。

三、問題一的模型建立與求解

3.1問題的分析

小型轎車只考慮側(cè)滑事故，運用公式求出來其側(cè)滑臨界速度Vs。客車、重車車型不僅要考慮側(cè)滑事故，還需要考慮側(cè)翻事故。由車型參數(shù)表可知，問題中所給的汽車總重量范圍為1000kg—3000kg，更適合于轎車和微型客車，屬于小型轎車的考慮范疇。只需要考慮側(cè)滑事故。綜合混凝土路面和瀝青路面，港珠澳大橋每日車流量為4000，我們這里取路面附著系數(shù)φ為0.60。然后我們通過“衛(wèi)星在線”地圖求出來為R=19.96m。通過查閱資料，港珠澳大橋橋面橫坡sinβ=2.5%（tanβ=0.025），β為路面橫坡角。

3.2模型的建立與求解

車輛發(fā)生側(cè)滑的臨界速度Vs [1]為

則在彎道處汽車的最大安全行駛速度為39.86 km/h。

四、問題二的模型建立與求解

4.1 多風(fēng)向下的車輛側(cè)滑安全性分析

側(cè)滑問題可以用靜力模型加以分析[2]，當(dāng)汽車在橋面上行駛時，考慮到風(fēng)力、慣性力（車輛變道等轉(zhuǎn)向）、重力（橋面橫向坡度）等共同作用下的極限狀態(tài)。

這里氣動力的計算是側(cè)風(fēng)影響分析的關(guān)鍵，風(fēng)洞試驗結(jié)果顯示側(cè)向氣動力系數(shù)和升力系數(shù)與方向角之間基本成正比關(guān)系[3]，即

汽車的正投影面積A=2.05，通過轎車模型風(fēng)洞試驗測量得到≈0.07+0.02ɑ。

綜合（2）—（6），車輛行駛過程中不發(fā)生側(cè)滑的條件是：

4.2多風(fēng)向下的車輛側(cè)傾安全性分析

在彎道中行駛的車輛 ，由于慣性力、側(cè)風(fēng)力和氣動升力的作用點具有一定的高度 ，相對于外側(cè)車輪著地點產(chǎn)生側(cè)向側(cè)傾力矩 ，同時重力相對于此點的力矩與側(cè)向側(cè)傾力矩平衡 ，如果側(cè)向側(cè)傾力矩超過重力所產(chǎn)生的平衡力矩 ，那么車輛必將發(fā)生側(cè)向傾翻。因此 ，不發(fā)生側(cè)傾的條件[2]是：

然后綜合側(cè)滑和側(cè)傾得出的速度，取最小值，即為汽車最大安全行駛速度。

參考文獻

[1]孫川，吳超仲，彎道安全車速計算改進模型研究，中國公路學(xué)報，第28卷第8期，102，2015.08

[2]劉 暉，黃斌，多風(fēng)向影響下的跨海大橋風(fēng)致行車安全分析，地震工程與工程振動，第31卷第4期，58-59，2011.08