技术领域
[0001] 本
发明涉及行车稳定性分析领域，尤其涉及一种桥梁桥面的行车稳定 性分析方法及装置。
背景技术
[0002] 随着社会经济和交通运输业的迅速发展，越来越多的大跨度桥梁得以 建立，其中相当一部分属于跨越宽阔江河或海湾的桥梁。由于通航需求， 这种大跨度桥梁往往桥面高程高，桥面设计
风速高，这意味着桥上行驶的 车辆将遭受更大的侧风作用。在侧风作用下，行驶的车辆不仅舒适性大大 降低，同时还存在侧倾和侧滑等安全问题。大跨度桥梁往往属于一级公路， 通行车辆种类繁多，行驶速度快，这使得侧风对车辆行驶稳定的影响变得 非常突出。一般来说，车辆侧倾在所有交通事故中仅次于
汽车碰撞，是造 成巨大损失的交通事故之一。
[0003] 国内外学者对桥面风环境下行车安全性问题进行了一定程度的研究， 并取得了一些研究成果。风障是解决桥面行车安全和舒适性的有效手段之 一，而设置风障后桥面行车风环境的改善以及行车稳定性评价方法仍值得 进一步研究。
发明内容
[0004] (一)要解决的技术问题
[0005] 本发明的目的在于提供一种桥梁桥面的行车稳定性分析方法及装置， 以解决上述的至少一项技术问题。
[0006] (二)技术方案
[0007] 本发明
实施例提供了一种桥梁桥面的行车稳定性分析方法，包括：
[0008] 对预定桥梁进行建模，确定一模型桥梁；
[0009] 对所述模型桥梁进行风洞试验，确定行车在所述模型桥梁上的等效风 速，计算风速折减系数与
力矩折减系数；
[0010] 针对具体车型，根据其尺寸及受力特性抽象出其在风环境下的受力模 型，对所述车型进行侧倾及侧滑分析，通过所述风速折减系数与力矩折减 系数计算和侧倾临界风速与侧滑临界风速；
[0011] 通过所述临界风速与桥梁实际侧向风速对比确定所述行车的稳定性 分析结果。
[0012] 在本发明的一些实施例中，对所述模型桥梁进行风洞试验，确定行车 在所述模型桥梁上的等效风速Ue，计算风速折减系数与力矩折减系数，包 括：
[0013] 将所述模型桥梁放置于风洞试验室中；
[0014]
选定与所述模型桥梁的检修道
栏杆相结合的曲线风障；
[0015] 分别对施工状态、栏杆状态和风障状态的桥面风速剖面进行测试，从 而获取所述等效风速Ue。
[0016] 在本发明的一些实施例中，确定所述侧倾临界风速U0，包括：
[0017] 根据所述等效风速Ue确定无量纲的风速折减系数λ；
[0018] 确定侧向风产生的无量纲的力矩折减系数γ；
[0019] 对所述行车进行侧倾
临界状态的受力分析，根据所述风速折减系数λ 和无量纲的力矩折减系数γ，确定所述侧倾临界风速U0与侧滑临界风速U′0。
[0020] 在本发明的一些实施例中，所述等效风速Ue满足公式：zr为等效高度，u(z)为z高度处的平均侧向风速；
[0021] 所述风速折减系数λ满足公式：
[0022] U为侧向来流风速，r(z)＝u(z)/U，λ为z 高度处的折减风速；
[0023] 所述无量纲的力矩折减系数γ满足公式：
[0024] 在本发明的一些实施例中，对所述行车进行侧倾临界状态的受力分析， 根据所述风速折减系数λ和无量纲的力矩折减系数γ，确定所述侧倾临界风 速U0，包括：
[0025] 所述行车的侧倾临界状态时，行车侧倾力矩MS和满足行车稳定力矩 MG满足公式：MS≤MG；MS和MG分别满足：
[0026]
[0027] 式中：ρ为空气
密度，G为行车的自重，CS为行车的侧
风力系数， 为行 车的侧倾力矩系数，α为所述模型桥梁的桥面横坡，L为行车的长度；
[0028] 侧倾临界风速U0满足公式：
[0029] 在本发明的一些实施例中，确定所述侧滑临界风速U′0，包括：
[0030] 对所述行车进行侧滑临界状态的受力分析，确定防止侧滑的条件；
[0031] 根据所述风速折减系数λ，确定
气动侧风力FS和
气动阻力FD；
[0032] 根据所述行车的桥面
附着力Ff、确定气动侧风力FS和气动阻力FD，确 定所述侧滑临界风速U′0。
[0033] 在本发明的一些实施例中，所述防止侧滑的条件指 为行车受到的气动阻力，Ff为行
车轮胎受到的桥面附着力，FSW为行车受 到的侧风力；
[0034] 侧向合力FS＝FSW cosα-G sinα；
[0035] 行车受到的侧风力FSW和气动阻力FD分别满足： AS为行车的侧向迎风面积，Af为行车的正向迎风面积，V为行车的行驶 速度，CD为行车的气动阻力系数，Ff＝μSG cosα；
[0036]
[0037] 在本发明的一些实施例中，通过单试验段回流型风洞对所述模型桥梁 进行风洞试验，所述单试验段回流型风洞的试验段长为24m，宽为5.4m， 高为3m，风速范围为0～30m/s；和/或
[0038] 所述检修道栏杆高度为1.25m，风障高度为3m，透风率为75％；和/ 或[0039] 通过预定模型几何缩尺比对所述预定桥梁进行建模，确定所述模型桥 梁。
[0040] 在本发明的一些实施例中，所述行车的稳定性分析结果包括：
[0041] 当Ue＞Ua时，高速公路封闭；
[0042] 当Ue＜Ua，U＜U0且U＜U’0，高速公路开放，行车安全通行；
[0043] 当Ue＜Ua，U＞U0且U＜U’0，高速公路开放，行车存在侧倾的风险， 行车降速通行；
[0044] 当Ue＜Ua，Ue＜U0且U＞U’0，高速公路开放，行车存在侧滑的风 险，行车降速通行，其中，Ua为规范规定的封闭公路风速。
[0045] 本发明还提供了一种桥梁桥面的行车稳定性分析装置，包括：
[0047] 处理器，用于执行所述可执行指令，并执行以下操作：
[0048] 对预定桥梁进行建模，确定一模型桥梁；
[0049] 对所述模型桥梁进行风洞试验，确定行车在所述模型桥梁上的等效风 速Ue、侧倾临界风速U0、侧滑临界风速U′0；
[0050] 根据所述侧滑临界风速U′0、等效风速Ue、侧向来流风速U和侧倾临 界风速U0，确定所述行车的稳定性分析结果。
[0051] (三)有益效果
[0052] 本发明的桥梁桥面的行车稳定性分析装置，相较于
现有技术，至少具 有以下优点：
[0053] 1、对模型桥梁上的行车进行风洞实验，通过无量纲的风速折减系数 和力矩折减系数评价行车的受风的环境，推导了基于上述参数的行车侧倾 和侧滑临界风速的计算公式，并结合规范有关规定，给出了行车稳定性的 评价方法，提高了行车的安全性；
[0054] 2、获得桥面的风速折减系数、力矩折减系数，可以更准确的描述桥 梁结构对侧风的阻碍作用，保证了桥面行车稳定性评价的准确性。
附图说明
[0055] 图1为本发明实施例的桥梁桥面的行车稳定性分析方法的步骤示意图；
[0056] 图2为主梁断面布置图；
[0057] 图3为行车侧倾受力示意图；
[0058] 图4为行车侧滑受力示意图；
[0059] 图5(a)为基于试验结果的双层巴士侧倾临界
风速计算结果图；
[0060] 图5(b)为基于试验结果的双层巴士桥面等效风速计算结果图；
[0061] 图6(a)至图6(d)分别为基于试验结果的双层巴士在干路面、湿路面、
雪路面和
冰路面下侧滑分析结果。
具体实施方式
[0062] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实 施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0063] 本发明实施例提供了一种桥梁桥面的行车稳定性分析方法，图1为本 发明实施例的桥梁桥面的行车稳定性分析方法的步骤示意图，如图1所示， 该方法包括步骤：
[0064] S1、对所述模型桥梁进行风洞试验，确定行车在所述模型桥梁上的等 效风速，计算风速折减系数与力矩折减系数
[0065] S2、针对具体车型，根据其尺寸及受力特性抽象出其在风环境下的受 力模型；
[0066] S3、对所述车型进行侧倾及侧滑分析，通过所述风速折减系数与力矩 折减系数计算和侧倾临界风速与侧滑临界风速。
[0067] S4、通过临界风速与桥梁实际侧向风速对比确定所述行车的稳定性分 析结果[0068] 在步骤S1中，预定桥梁为单塔双索面
钢箱梁
斜拉桥，跨度为230+230m， 塔高51.8m，桥面高度设计基准风速接近60m/s，主梁断面为扁平钢箱梁， 梁高为3.3m，梁宽为
37.3m。
[0069] 桥面行车风环境试验在风洞实验室进行，该风洞为单试验段回流型风 洞，试验段长24m，宽5.4m，高3m，风速范围为0～30m/s。模型几何缩 尺比为1:25。经过前期风洞试验选型，选定与检修道栏杆相结合的曲线风 障，栏杆高度为1.25m，风障高度为3m，透风率为75％。试验中分别对 施工状态、栏杆状态和风障状态的桥面风速剖面进行了测试。风速采集使 用5个Cobra
探头同时进行，
采样频率为200Hz，样本长度为1024mm， 试验风速为10m/s，试验风
攻角和风偏角均为0°。
[0070] 根据气流扰流理论，空气流经桥梁主梁断面时，往往会形成一定厚度 的附
面层，空气流速也随之发生改变。桥面上方侧向风速呈不均匀分布， 在距离桥面一定的高度范围内，形成特定的风速剖面。此外，栏杆、防撞 栏、风障等桥面附属结构会进一步改变主梁断面空气扰流情况，桥面附面 层厚度也将显著增大，风速剖面更加复杂。
[0071] 对于一种特定的车型，抽象出其在侧风环境下的受力模型，对其进行 侧倾和侧滑分析，通过所述风速折减系数λ和力矩折减系数γ，计算出侧 倾临界风速U0、侧滑临界风速U′0；根据所述侧倾临界风速U0、侧滑临界 风速U′0，与实际侧向风速进行对比，确定所述行车的稳定性分析结果。
[0072] 在步骤S2中，本发明实施例的行车具体车型可以为双层巴士(也可 以为其他车型，在此不作限制)，其外形近似矩形，因此，在行车稳定性 分析中可以用矩形
块代表行车作为受力分析对象。图3为行车发生侧倾时 的受力示意图。图中，B为行车宽度，H为行车高度；
[0073] 在步骤S3中，为了便于快速评价桥面附属结构的减风效果，本发明 引入风速折减系数的概念。根据侧向气动力等效原则，桥面一定高度范围 内的等效风速可以按下式计算： 式中zr为等 效高度，考虑到行车高度一般不超过4.5m，等效高度可取4.5m。u(z) 为z高度处的平均侧向风速。
[0074] 无量纲的风速折减系数可以表示为： 式中U为侧向来流风速，r(z)＝u(z)/U，为z高度处的折减风速。
[0075] 此外，考虑到侧向风还会产生一定的侧倾力矩，类似地，我们还引入 了力矩折减系数的概念。根据气动侧倾力矩等效原则，无量纲的力矩折减 系数可以表示为：
[0076] 表1和表2分别列出了不同结构状态下车道1～6中心处4.5m高 度范围内风速折减系数和力矩折减系数的计算结果。
[0077] 表1
[0078] 结构状态 L1 L2 L3 L4 L5 L6施工 0.997 0.963 0.971 0.956 0.947 0.936
栏杆 0.852 0.790 0.767 0.741 0.715 0.673
风障 0.711 0.624 0.584 0.542 0.515 0.487
[0079] 表2
[0080] 结构状态 L1 L2 L3 L4 L5 L6施工 1.041 1.042 1.048 1.037 1.026 1.010
栏杆 0.945 0.909 0.876 0.848 0.804 0.733
风障 0.675 0.604 0.544 0.480 0.436 0.394
[0081] 作用在行驶车辆的风荷载主要有气动阻力、气动侧风力、气动升力、 以及气动侧倾力矩、气动
俯仰力矩和气动摇摆力矩。现代车辆设计中，一 般要求要设计成负升力，以增加轮胎与地面的
接触力，保证行车在高速行 驶时有足够的稳定性。气动俯仰力矩是由气动升力分布不均匀引起，气动 升力较小的情况下，相应的气动俯仰力矩也较小。一般来说，气动升力仅 影响车辆气动合力的5％左右。因此，在侧风作用下行车稳定性分析中可 以忽略气动升力和气动俯仰力矩，且是偏于安全的。行驶的车辆在侧风作 用下将会产生两类稳定性问题：侧倾和侧滑。引起侧倾的气动力矩主要是 气动侧风力和气动侧倾力矩；引起侧滑的气动力主要是气动侧风力。且微 型客车或双层巴士在侧风作用下行车稳定性最差，为此，本发明实施例以 双层巴士为研究对象，在风速折减系数和力矩折减系数的
基础上，推导了 行车发生侧倾和侧滑时的临界风速计算公式。
[0082] MS为气动侧风力和气动侧倾力矩引起的行车侧倾力矩，MG为行车自 重提供的行车稳定力矩。在行车行驶过程中保持平稳，不发生侧倾的条件 是：MS≤MG(4)，其中，行车发生侧倾的临界状态即为上式等号成立 时，相应的侧向风速为侧倾临界风速。基于本发明实施例提出的风速折减 系数和力矩折减系数，行车侧倾力矩和行车稳定力矩可分别表示为：
[0083]
[0084] 式中ρ为空气密度，可取1.225kg/m3，G为行车自重，CS为行车侧风力系 数， 为行车侧倾力矩系数，α为桥面横坡，L为行车长度。将公式(5) 代入公式(4)即可得到侧倾临界风速，表达式如下所示：
[0085]
[0086] 图4为行车发生侧滑时的受力示意图。图中，FSW为行车所受到的侧 风力，主要与来流侧风风速和行车侧向迎风面积有关。FD为行车所受到的 气动阻力，主要与行车行驶风速和行车正向迎风面积有关。Ff为行车轮胎 所受到的桥面附着力，主要与行车自重及桥面附着系数有关。在行车行驶 过程中保持平稳，不发生侧滑(防止侧滑)的条件是：式中，FS为行车受到的侧向合力，主要由侧风力和行车自重分量引起，可 按下式计算：
[0087] FS＝FSW cosα-G sinα (8)。
[0088] 行车发生侧滑的临界状态即为上式等号成立时，相应的侧向风速为侧 滑临界风速U′0。基于本发明实施例提出的风速折减系数，行车受到的侧 风力FSw和气动阻力FD可分别表示为： 式中AS为 行车的侧向迎风面积，Af为行车的正向迎风面积，V为行车的行驶速度， CD为行车的气动阻力系数。行车受到的桥面附着力可按下式计算： Ff＝μSG cosα(10)。
[0089] 将式(8)、式(9)和式(10)代入式(7)，即可得到行车侧滑临界风速U′0， 如下式所示：
[0090]
[0091] 在步骤S4中，将双层巴士为计算对象，分析不同结构状态下行车稳 定性，并给出双层巴士在桥梁上的通行条件。主要计算参数取值为：双层 巴士长度为12m，宽度为2.48m，高度为4.5m，空载
质量为14.42吨，侧 风力系数为1.24，阻力系数为-0.11，侧倾力矩系数为0.17，上游车道桥面 横坡为0.2％，下游车道桥面横坡为-0.2％。《公路桥梁抗风设计规范》中规 定，当侧向风速超过预定侧向风速Ua(25m/s)时，高速公路必须封闭停 止运营。为此，综合考虑规范中预定侧向风速、侧倾临界风速和侧滑临界 风速，桥面安全通行的判定标准为：
[0092] 当Ue＞25m/s时，高速公路封闭；
[0093] 当Ue＜25m/s，U＜U0且U＜U’0，高速公路开放，行车安全通行；
[0094] 当Ue＜25m/s，U＞U0且U＜U’0，高速公路开放，行车存在侧倾的 风险，行车降速通行；
[0095] 当Ue＜25m/s，Ue＜U0且U＞U’0，高速公路开放，行车存在侧滑的 风险，行车降速通行。
[0096] 图5(a)为基于试验结果的双层巴士侧倾临界风速计算结果图，图5 (b)为基于试验结果的双层巴士桥面等效风速计算结果图，如图5(a) 和图5(b)所示，所有结构状态下，车道L1～L6中心处侧倾临界风速依 次增大，这表明最易发生侧倾的车道为上游最外侧车道L1处。此外，施 工状态下侧倾临界风速最小为35.7m/s，栏杆状态最小为38.0m/s，风障状 态最小为45.0m/s，由此可见，相比于施工状态和栏杆状态，桥面设置风 障后行车侧倾临界风速分别提高26％和18％。综上所述，三种结构状态下， 风障状态侧倾临界风速最大，栏杆状态次之，施工状态最低，这表明施工 状态下最易发生侧倾，且风障结构可以明显地提高行车侧倾临界风速，改 善行车稳定性。从图5(b)中可以看出，所有结构状态下侧倾临界风速 对应的桥面等效风速均已明显高于规范允许的预定侧向风速Ua(25m/s)， 即在桥面正常运营时均不会发生双层巴士侧倾事故。
[0097] 综上所述，考虑到双层巴士最易发生侧倾事故，因此可以推断本发明 实施例中桥梁正常运营时不会发生侧倾事故。此外，桥面上游最外侧车道 最易发生行车侧倾事故，且风障结构可以有效地提高侧倾临界风速，改善 行车稳定性。
[0098] 此外，行车侧滑分析中考虑四种路况，分别是干路面、湿路面、雪路 面和冰路面。不同路面状况下桥面附着系数取值如表3所示。《中华人民 共和国交通道路安全法》规定高速公路或一级公路冰雪天气行车限速为 60km/h，因此分析中干路面和湿路面行车行驶速度取值100km/h，而雪路 面和冰路面行车行驶速度取值60km/h。
[0099] 表3
[0100]路面状况 干路面 湿路面 雪路面 冰路面 路面状况 干路面
附着系数 0.7 0.5 0.15 0.07 附着系数 0.7
[0101] 图6(a)至图6(d)分别为基于试验结果的双层巴士在干路面、湿路面、 雪路面和冰路面下，侧滑临界风速及其桥面等效风速的计算结果图，从图 6(a)至图6(d)所示，与行车侧倾结果类似，所有路面状况下，车道L1～ L6中心处侧滑临界风速依次增大，这表明最易发生侧滑的车道为上游最 外侧车道L1处。以干路面为例，施工状态侧滑临界风速最小为49.3m/s， 栏杆状态最小为57.7m/s，风障状态最小为69.2m/s，由此可见，相比于施 工状态和栏杆状态，桥面设置风障后行车侧滑临界风速分别提高40％和 20％。与侧倾结果类似，三种结构状态下，风障状态侧滑临界风速最大， 栏杆状态次之，施工状态最低，这表明施工状态下最易发生侧滑，且风障 结构可以明显地提高侧滑临界风速，改善行车稳定性。此外，从图6(b) 可以看出，干路面和湿路面的侧滑临界风速对应的桥面等效风速均明显大 于
25m/s，这表明在以上行车速度下，双层巴士不会发生侧滑事故。然而， 雪路面和冰路面的侧滑临界风速对应的桥面等效风速均小于25m/s，这表 明当桥面等效风速大于侧滑临界风速时会发生侧滑事故，但小于侧滑临界 风速时可以安全通过。
[0102] 可见，从上游车道至下游车道行车稳定性逐渐提高，上游最外侧车道 行车稳定性最差，下游最外侧车道行车稳定性最好。
[0103] 本发明实施例的另一方面，还提供了一种桥梁桥面的行车稳定性分析 装置，包括：
[0104] 存储器，用于存储可执行指令；
[0105] 处理器，用于执行所述可执行指令，并执行以下操作：
[0106] 对预定桥梁进行建模，确定一模型桥梁；
[0107] 对所述模型桥梁进行风洞试验，确定行车在所述模型桥梁上的等效风 速Ue、侧倾临界风速U0、侧滑临界风速U′0；
[0108] 根据所述侧滑临界风速U′0、等效风速Ue、预定侧向风速Ua、侧向来 流风速U和侧倾临界风速U0，确定所述行车的稳定性分析结果。
[0109] 综上，本发明的桥梁桥面的行车稳定性分析方法及装置，对模型桥梁 上的行车风洞实验，通过无量纲的风速折减系数和力矩折减系数评价行车 风的环境，推导了基于上述参数的行车侧倾和侧滑临界风速的计算公式， 并结合规范有关规定，给出了行车稳定性的评价方法，提高了行车的安全 性。
[0110] 除非有所知名为相反之意，本
说明书及所附
权利要求中的数值参数是 近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所 有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应 理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含 义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％ 的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
[0111] 再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件 之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
[0112] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行 了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而 已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修 改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
