高等级公路桥头跳车对行车安全的影响评价＊

胡思涛 项乔君 朱艳茹

（1.东南大学交通学院 南京 210096；2.淮阴工学院 江苏 淮安 223003）

0 引言

近几年我国公路桥梁总量持续增加，至2011年底全国公路桥梁达68.94万座、3 349.44万m［1］。作为公路基础设施的组成部分，桥梁在整个线路中起到了重要的联结作用。但值得注意的是，处于营运中的桥梁台后普遍存在着搭板断裂及不均匀沉降，最终导致桥头跳车现象的产生，严重影响着公路行车的安全性和舒适性。目前针对桥头跳车的主要研究集中于其产生的原因、危害及对策方面［2－5］，缺少桥头跳车对行车安全影响的定量评价。本文在明确桥头跳车对行车安全影响机理的基础上，以交通流指标为媒介，选取合适的评价指标和分析方法，建立桥头跳车评价指标与行车安全的关系模型，并提出影响等级划分标准。利用该模型可准确判断不同的桥头跳车状况对行车安全的影响程度，评价结果能够为相关部门日常养护和采取交通安全改善措施提供依据。

1 评价指标

1.1 桥头跳车评价指标

对于不同的桥头连结形式，桥头跳车的形式也不同。当桥头为搭板连结时，因为沉降的原因，行车轨迹为折线形式，搭板两端的纵坡差形成了1个突变的纵坡转折；当桥头不设搭板时，桥头形成了1个类似于台阶式的陡坎。这2种桥头连结形式下的跳车机理不尽相同，评价指标也有所差别。

1.1.1 设搭板时的评价指标

桥头搭板的设计参数是由桥头填土的高度决定的，一般搭板长度的取值为3、5、6、8、10 m 不等。由于搭板两端的不均匀沉降，导致1个纵坡转折的形成，以搭板长5 m为例，若搭板两端的不均匀沉降相差10cm，那么搭板的纵坡为：10／500＝2%，见图1。

图1 设搭板的路桥过渡段示意图Fig.1 Schematic diagram of transition section between bridge and road with approach slab

对于高速行驶的车辆，纵坡突然的转折对车辆行驶非常不利，不仅会加剧汽车的颠簸，影响行车舒适，严重时甚至会出现行车事故。汽车在桥头的行车机理十分复杂，不同搭板长度、不同沉降值及不同车型、车速，其影响程度均不相同。当汽车行驶至桥头搭板过渡路段时，其受力情况见图2。

图2 行车经搭板时受力分析图Fig.2 Stress analysis figure of vehicle passing approach slab

根据文献［6］的研究，由于车辆从路面行驶至桥面过程中，前后轮经过AB 段因纵坡转折造成一定的动能损失，从而降低行车速度。车辆前轮经过A 点到后轮经过B 点时的动能损失为

式中：d为汽车轴距，m；m为汽车质量，kg；L为搭板长度，m；Δy为不均匀沉降量，cm。

由式（1）可以计算车辆通过桥头的动能损失，由动能损失可求出速度差，由此在桥头跳车和交通流指标（速度差）之间建立了联系，为后续评价奠定了基础。因此，对于设搭板的路桥过渡段，选取桥头不均匀沉降量Δy和搭板长度L 作为桥头跳车的评价指标。

1.1.2 未设搭板时的评价指标

未设置桥头搭板时，由于桥台和引道土体沉降差异在桥头形成1个类似于台阶的陡坎，见图3。从车辆的实际行驶情况来看，台阶形成的高差对行车的影响比设置搭板时的纵坡转折对行车的影响更大，降低了行车速度，并且造成驾乘人员严重不适，严重时会造成交通事故。其对行车安全的影响大小与台阶高度h紧密相关。所以对于设搭板的路桥过渡段，选取台阶高度h 作为评价指标。

图3 未设搭板时路桥过渡段示意图Fig.3 Schematic diagram of transition section between bridge and road without approach slab

1.2 交通流指标

道路交通安全状况是与交通流运行特征有关，不同的交通流运行特征对应不同的交通安全状态。交通流运行平稳，则事故发生的可能性较低，道路安全状况较好；反之，当交通流处于非稳定状态，事故发生的概率将明显增大。因此，可通过合理地选取交通流指标，来间接地表征实际交通安全状况。

交通安全状态一般通过交通流中的速度指标进行评价，如速度差、加速度、速度梯度等。要筛选可用于评价桥头跳车对行车安全影响的交通流指标，就需找出与桥梁状态指标即不均匀沉降量Δy、搭板长度L 或台阶高度h 相关性强的交通流指标，通过交通流相关指标的变化规律评价桥头跳车的安全状态。

对于设搭板的情况，根据式（1）可计算出车辆经过路桥衔接部后的速度，进而计算出速度差Δv。对于未设搭板的情况，经试验研究与理论分析，车辆经过台阶后速度差为［6］

式中：Δv为行车速度降低值，km／h；h为台阶高度，cm；v为初始行车速度，km／h。

通过式（2）可以用台阶高度h 确定车辆通过路桥衔接部前后的速度差Δv。

因此在设搭板和未设搭板2种情况下，都可计算出速度差Δv，在交通流指标选取时可以考虑速度差Δv 或其相关指标如加（减）速度a。速度差Δv作为评价交通安全的指标，得到了广泛的认可［7－8］。但考虑到桥头跳车具有一定的特殊性，车辆在衔接部前后的速度差并不大，由于作用时间非常短暂，具有突然性，速度差Δv 并不能很好地反映出桥头跳车这一特殊的运行状况。以未设搭板的情况为例，根据公式（2），取台阶高度h＝5 cm，初速度v＝120km／h，则车辆通过路桥衔接部的速度差为

可见桥头跳车导致速度降低并不明显，但这一行为发生在非常短的时间内。而减速度作为衡量物体在一定时间内速度降低的指标，能够敏感的体现出发生桥头跳车时的交通流特性。在上述情况下，桥头跳车发生在很短的时间间隔内，取Δt＝0.3s，则减速度为

由计算可以看出，车辆经过路桥衔接部发生的跳车对减速度的影响较为明显。而且随着台阶高度h的增大，跳车越严重，减速度也越大。文献［10］用行车试验的方法也得出了类似的结论。因此可以选择减速度a作为交通流指标来间接评价行车安全。

对于设搭板的情况可以采用同样的方法加以分析，动能的损失由不均匀沉降量Δy和搭板长度L 决定，搭板的长度越小，不均匀沉降量越大，损失的动能越多，减速度的值也就越大。因此选取减速度a作为交通流指标能够真实敏感地反映桥头跳车的过程，减速度与行车安全之间的相关性较强。

2 评价模型

评价模型根据跳车形式，分为设置搭板和不设搭板的2种情况。

2.1 设置搭板时

式中：v1为车辆初速度，m／s；v2为车辆末速度，m／s。

通过上式可以看出，汽车的轴距越小，速度差越大，即轴距越小的汽车受跳车的影响越大。为研究的方便，将公式中轴距取为定值，一般小型车的轴距在2～3m 之间，在这里令d＝2.5m，则可求出减速度：

式中：Δt为车辆经过搭板前后的所需时间，s，a为减速度，m／s2。

一般情况下，汽车通过搭板是1个瞬间的过程，Δt的大小与搭板长度L 有一定关系，可按表1取值，其余搭板长度可按差值计算时间。

表1 设置搭板时Δt取值表Tab.1 Value ofΔt with approach slab

所以，只需知道不均匀沉降量Δy、搭板长度L 及车辆接近桥梁时的速度（一般情况下，可以取高速公路的设计车速或限速值），查表1 获取Δt的值，就可以代入式（3），计算出车辆通过桥头时的减速度用于安全评价。

2.2 不设搭板时

在未设搭板的情况下，通过式（2）确定车辆跳车前后的速度差，则可求出减速度为

在实际情况下，只需要实地测量未设搭板的路桥衔接部的台阶高度h，即可计算出车辆通过衔接部的速度差Δv。运行速度为120km／h，Δt＝0.25s；运行速度为100km／h，Δt＝0.30s；运行速度为80km／h，Δt＝0.35s。代入式（4）计算出减速度。

2.3 影响等级划分标准

不同的加速度会对形成安全和舒适性造成不同程度的影响。文献［11］用“总乘坐值法”得出了汽车加减速度与舒适度及行车安全之间的关系。因此参考该标准，以减速度为依据将公路桥头跳车对行车安全的影响级别分为三级，一级表示影响最小，三级表示影响最大，各等级所对应的减速度如表2所示。

表2 影响等级划分标准Tab.2 Criteria for the impact classification

3 评价模型的应用

为进一步评价桥头跳车对行车安全的影响，就搭板和无搭板2种情况下，分别选取几种比较典型的情况进行计算，并确定其影响等级。

3.1 设置搭板的情况

车辆初始速度选取120km／h，搭板的长度选取3、5、8和10m，不均匀沉降量选取5、10、15和20cm，代入式（3），可计算出相应的减速度值。计算结果表明，对于设置了搭板的桥梁，在同样行驶速度和沉降量的情况下，搭板长度越大，减速度值越小，对行车安全越有利。在车速与搭板长度确定的情况下，不均匀沉降量越大，减速度越大，桥头跳车的现象越明显。总体来看，设置搭板的情况下影响等级均达到一级，可见设置搭板有助于减小桥头跳车对行车安全的影响，效果较好。

3.2 不设搭板的情况

选取初始速度为120、100和80km／h 情况下，根据式（4）计算不同台阶高度下的减速度及其安全等级，结果见表3。

表3 不设搭板时各类情况的减速度及对应的影响等级Tab.3 Deceleration in many cases without approach slab and corresponding impact level

由表3可见，随着台阶高度的增加，减速度也不断增加，影响等级越高，跳车越严重，对行车安全的影响越大。结合式（4），可反推出各种初速度情况下，不同影响等级所对应的台阶高度的取值范围，见表4.

表4 3种初速度下各影响等级所对应的台阶高度范围Tab.4 Range of step height corresponding different impact level under three Initial velocity

一旦现场实测的台阶高度位于二级影响所对应的取值区间，则应该引起重视，位于三级影响属于非常危险的情况，必须采取相应的措施。对比设置搭板和不设搭板2种情况，在同样的行驶速度下，设置搭板的安全等级明显高于不设搭板的情况，所以，对于不设搭板的桥头，更应该引起高度重视，在条件许可的情况下应尽量采取增设搭板等措施，保障车辆通过桥头的安全。

4 结束语

桥头跳车现象在高等级公路上非常普遍，容易对行车安全产生不利影响。本文研究了公路桥头跳车对行车安全的影响。在明确桥头跳车产生机理的基础上，针对设置搭板和不设搭板两种情况，建立了桥头跳车指标与减速度之间的数学模型，以减速度为指标将桥头跳车对行车安全的影响分为三个级别，并计算了不设置搭板情况下各个安全等级所对应的台阶高度的取值范围。该模型定量地评价了桥头跳车对行车安全的影响，分析表明设置搭板时的交通安全状况均处于较高水平；未设置搭板时，桥头跳车对交通安全的影响与台阶高度及通过衔接部时的车速紧密相关，影响等级位于二级和三级的情况下，可采取限速或设置搭板的措施来降低桥头跳车对行车安全的影响。

［1］中华人民共和国交通运输部.2011年公路水路交通运输行业发展统计公报［R］.北京：中华人民共和国交通运输部，2012.

［2］杜志刚，潘晓东，邱 超.山区公路桥头行车安全评价指标及改善研究［J］.安徽理工大学学报：自然科学版，2007，27（2）：17－20.

［3］赵树青.桥头跳车病害防治技术研究［D］.济南：山东大学，2009.

［4］席强伟.桥面铺装和桥头跳车的病害分析及防治研究［D］.西安：长安大学，2006.

［5］孙 筠.已建软基桥梁桥头跳车的处治方法机理分析及试验研究［D］.杭州：浙江大学，2010.

［6］冯忠居，方贻立，龚坚城，等.高等级公路桥头跳车的危害及其机理的分析［J］.西安公路交通大学学报，1999，10（4）：33－35.

［7］钟连德，孙小端，陈永胜，等.高速公路大、小车速度差与事故率的关系［J］.北京工业大学学报，2007，33（2）：185－188.

［8］蒋 锐.高速公路基本路段交通安全分析［D］.福州：福建农林大学，2005

［9］裴玉龙，程国柱.高速公路车速离散性与交通事故的关系及车速管理研究［J］.中国公路学报，2004，17（1）：74－78.

［10］潘晓东，杜志刚，杨晓光.桥头跳车对行车安全影响评价指标的研究［J］.同济大学学报：自然科学版，2006，5（5）：634－637.

［11］International Organization for Standardization.ISO2631－1（1997）.Mechanical vibration and shock－Evaluation of human exposure to whole－body vibration－Part1［S］.Geneve Swizerland：General requirements，1998.