冰雪天氣嘉紹特大橋安全行車控速標準

盧世昌 趙一飛

（1.嘉紹大橋管理局，浙江 紹興 312356 2.長安大學，陜西 西安 710061）

一、工程概況

嘉紹大橋是嘉紹通道跨越錢塘江入海口的關(guān)鍵性工程，全長10.137km，橋面寬為40.5m，雙向八車道，設(shè)計時速100km，設(shè)計車輛荷載等級為公路I級，地震基本烈度為VI度，10min時距最大風速為39.3m/s，主橋長2680m，分為5個主通航道，最寬達55.6m（包括布索區(qū)），是當今世界上最長、最寬的多塔斜拉橋。

杭州灣區(qū)域氣象條件復(fù)雜，每年都受臺風影響，沿海地區(qū)獨特的小氣候帶來的高溫、團霧、濃霧、大（臺）風、雷暴雨、雪天、冰凍等災(zāi)害性天氣直接危及車輛的安全運行。嘉紹大橋運營管理方雖然參照國內(nèi)類似跨海大橋制訂了冰雪天氣應(yīng)急預(yù)案，但沒有經(jīng)過系統(tǒng)理論研究驗算，預(yù)案中冰雪天氣狀況下安全行車速度標準值的設(shè)定缺少理論依據(jù)，而過于嚴格或過于寬松的控速要求均利于大橋行車安全，為此，十分有必要開展相關(guān)研究。

二、冰雪天氣對行車安全的影響

（一）冰雪天氣情況調(diào)查

根據(jù)開通五年來天氣情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，嘉紹大橋一般平均每年共有6天左右出現(xiàn)降雪天氣，集中在冬季，其中1月份最多，為3天，2、3、12月份各有1天。且平均年共約有13天出現(xiàn)冰凍天氣，集中在冬季，其中1月份有6天，2月份有4天，12月份有3天。

（二）冰雪天氣對交通安全的影響

除道路設(shè)計因素，降雪與冰凍對嘉紹大橋行車交通安全的影響主要從三個方面考慮。

1.路面狀況因素

根據(jù)路面上留存的降水物的特點，冰雪天氣路面狀況可分為積雪、冰水混合狀況、積冰、積水、潮濕五種路面狀態(tài)。道路路面狀況對駕車行駛有較大的影響，特別是積冰路面對行車安全影響最甚，積雪路面和冰水混合路面次之，潮濕路面相對影響較小，大橋排水設(shè)計優(yōu)良，可以不考慮積水影響。

冰雪對行車交通安全的影響主要有兩方面，一是冰雪使道路的摩擦系數(shù)極大降低，二是降雪會降低水平能見度，影響駕駛員的視線。

①冰雪對道路摩擦系數(shù)的影響

氣溫0℃以下降雪天氣過后，路面積雪易形成冰或冰雪混合物層，若不及時清除，將嚴重影響跨海大橋的交通安全。冰雪路面濕滑堅硬，摩擦系數(shù)比干燥路面低很多，一般其附著系數(shù)僅為干燥路面的1/8～1/4。根據(jù)有關(guān)研究，冰雪路面的附著系數(shù)為0.15～0.3，與干燥狀態(tài)瀝青混凝土路面附著系數(shù)0.7～0.8的差別很大。

當車輛行駛在冰雪路面上，隨著車速的增加，車輪與路面的附著力隨之減小，當遇到緊急情況時，緊急制動很容易引起側(cè)滑、甩尾甚至追尾、連環(huán)相撞等惡性事故，而且制動距離要比在正常干燥路面大大延長，是一般干燥路面的2倍～4倍；若在上坡路段起步，容易出現(xiàn)車輛打滑現(xiàn)象。

②降雪對能見度的影響

在降雪天氣行車時，飄舞的雪花會影響駕駛員的視線，可視距離降低；降雪過后，路面積雪對陽光的反射可達到95%，強烈的反射陽光到達駕駛員眼后，易使駕駛員產(chǎn)生眩光，并出現(xiàn)短暫的視物模糊不清的狀況。另外，道路表面的積雪會覆蓋路面原有的坑洼路段等障礙物或危險點，當?shù)缆窐酥緲司€上覆蓋有積雪時，駕駛員很難在短時間內(nèi)視認清楚并作出相應(yīng)的反應(yīng)。

上述的一系列因素使駕駛員很難準確的判斷路況及道路標志標線，對行車交通安全極為不利，容易發(fā)生事故。

2.駕駛因素

一是“四超”，即超速、超員、超載、超車。在冰雪天氣下，機動車車速過快往往是交通事故發(fā)生的起因。駕駛員超速容易造成車輛行駛緊急制動距離呈指數(shù)增加，大大增加危險性。超員與超載均易造成車輛制動性能下降，穩(wěn)定性變差，遇緊急危險情況時，制動距離增長。同時，轉(zhuǎn)向避讓則極易造成車輛側(cè)翻。另外，超車或隨意變換車道會造成后車來不及采取措施，也增加了交通事故發(fā)生的概率。

二是未保持安全車距。在冰雪天氣情況下，受飄雪影響能見度降低，可視距離縮短；雪后晴天，車道上的積雪或積冰在陽光照射下產(chǎn)生的眩光會造成駕駛員出現(xiàn)短暫的視物模糊不清等狀況。這一系列因素使得駕駛員難以正確判斷與前車的間距，大大提高了追尾碰撞的可能性。

3.車輛因素

車輛制動因素。車輛在高速公路行駛，如果車輛突然制動、變速或轉(zhuǎn)向，容易造成車輛失去控制，側(cè)滑甚至翻車引發(fā)交通事故。因而優(yōu)良的制動系統(tǒng)技術(shù)性能是行車安全的基礎(chǔ)保障。

輪胎因素。在冰雪路面上行車，車輪與路面的附著力大大減小，車輪承受側(cè)向力的能力急劇下降，此時，只要很小的側(cè)向力就引起側(cè)滑等不安全因素。

三、安全車速模型及測算

（一）分析研究路徑的確定

冰雪天氣狀況下不同的路面狀況對行車安全影響主因不同，應(yīng)采用針對性的分析方法。長安大學劉俊德等學者認為，中小雪天氣下能見度良好，駕駛?cè)说目梢暰嚯x大于車輛停車距離，行車安全性下降主要是因為車輛與路面之間附著力減小，產(chǎn)生打滑現(xiàn)象，采用基于停車視距的限速模型來進行分析意義不大，因此宜采用車輛滑水模型進行限速分析研究；大（暴）雪時，在路面積雪前，視線能見度顯著減小，宜按照基于停車視距的限速模型分析；雪后積雪積冰情況下，此時視距良好，而路面摩擦系數(shù)顯著減小，故應(yīng)根據(jù)車輛動力學原理，采用CarSim軟件進行車輛在冰雪路面上的行車仿真模擬，分析得出限速值。

（二）安全車速測算

1.中小雪天氣安全車速測算

在中小雪情況下，路面沒有積雪，與雨天情況類似，采用車輛滑水模型進行限速分析研究。根據(jù)國內(nèi)外滑水模型，對各個滑水臨界速度預(yù)測模型的分析，可認為轎車的滑水臨界速度為80km/h。鑒于嘉紹大橋的排水設(shè)施較為完善，因此水膜一般不會太厚，通常將速度限制在80km/h左右即可防止各類車輛發(fā)生滑水現(xiàn)象，保證行車的安全性。

2.雪天(未積雪)安全限速計算

雪天重要路段的安全車速。當降雪達到大雪、暴雪時，能見度顯著減小，此時對車輛的安全車速計算要綜合考慮路面摩擦系數(shù)和能見度的影響。

考慮坡度影響的雪天環(huán)境下，安全車速模型為：

式中：i—路段縱坡（%），上坡數(shù)值為正，下坡數(shù)值為負。

S—停車視距，m；

f—車輪與路面間摩擦系數(shù)，積雪條件下按0.3取值，積冰條件下按0.15取值；

v—能見度為S，縱向摩擦系數(shù)為f時的安全車速。

嘉紹大橋最大縱坡為2.4%，故根據(jù)基于停車視距的限速模型，可得在最不利情況下即縱坡為2.4%時，不同能見度下的限速值如表1所示。

對于平曲線段，嘉紹大橋的設(shè)計標準較高， 最小平曲線半徑為5500m，對安全車速影響可不考慮。

3.積雪積冰路況下的安全車速測算

表1 雪天不同能見度下2.4%坡度路段的限速值

CarSim是專門針對車輛動力學的仿真軟件，主要用來預(yù)測和仿真汽車整車的操縱穩(wěn)定性、制動性、平順性、動力性和經(jīng)濟性。

采用CarSim仿真軟件建立整車動力學模型、路面模型及車—路耦合模型，模擬車輛在積雪路面和積冰路面狀況下的行駛狀況，分析車輛不同的行駛情況。

路面模型選取二維平整路面，仿真通過按照不同路況路面試驗需要，改變摩擦因數(shù)值，建立相應(yīng)的路面模型。由于積雪和積冰對路面的摩擦系數(shù)影響較大，設(shè)積雪情況下的道路摩擦因數(shù)為0.3，積冰情況下的道路摩擦因數(shù)為0.15即可。

建立模型后，分別模擬車輛在積雪和積冰的路面狀況條件下，在不同車速行駛條件下的制動情況，以制動過程中的制動距離為安全評價參數(shù)，得出不同車速下的制動距離， 如表2所示。

在積冰和積雪的情況下，不同行駛速度車輛的安全距離，如表3所示。

表1為考慮能見度的嘉紹大橋雪天情況下的限速值；通過分析比較表2和表3的結(jié)果，取限速較為安全保守的情況，得雪天嘉紹大橋的限速值如表4所示。

4.嘉紹大橋冰雪環(huán)境下限速建議值

當橋面氣溫低于3℃時，橋面降雪可能產(chǎn)生積雪，根據(jù)表4得出的數(shù)據(jù)進行對原雪天應(yīng)急預(yù)案進行調(diào)整，如表5所示。

表2 不同車速下積雪、積冰路面的制動距離

表3 不同車速下積雪、積冰路面的安全距離

表4 雪天環(huán)境下嘉紹大橋的限速值

表5 嘉紹大橋雪天應(yīng)急預(yù)案的限速

表6 嘉紹大橋冰凍應(yīng)急預(yù)案的限速

嘉紹大橋冰凍應(yīng)急預(yù)案的限速措施考慮應(yīng)用到實際中可操作性強，結(jié)合氣溫與結(jié)冰的關(guān)系，根據(jù)表2和表3得出的數(shù)據(jù)進行調(diào)整，如表6所示。