高速公路纵坡坡长可靠性设计研究.docx

? ? 高速公路纵坡坡长可靠性设计研究 ? ? 张 航，田 晟，李 明 (1.武汉理工大学 交通学院，湖北 武汉 430000；2.江苏中设集团股份有限公司，江苏 无锡 214000) 0 引言 近年来，由于车辆产业的高速发展，车辆类型在不断丰富的同时也展现出向重型化汽车发展的趋势，重型车辆在我国高速公路交通组成中的占比逐渐提高。在高速公路纵坡路段行驶过程中，由于重型车辆需要克服的道路坡度阻力更大，行驶速度下降更快，因而与小型客车速度差值变大，影响了道路的通行能力及交通安全。若道路自身设计上存在不合理的坡度和坡长组合，会加剧大型车辆爬坡动力性能不足，出现爬坡困难的现象，从而引发一系列交通事故。 为了解决此类问题，国内外学者进行了大量的研究。田冬军等[1]通过对行车中驾驶员的心率和行车速度进行测试,研究了心率和行车速度的变动与纵坡度值的相关关系,分析了此种路段上纵坡度的合理值,并提出在公路线形设计中,不宜出现大于5%的纵坡度值;周荣贵等[2]通过速度折减量与坡长之间的关系曲线,提出了基于运行速度差和满足公路服务水平要求的各级公路最大纵坡坡度与坡长限制值;石飞荣[3]通过对车辆的运动方程、受力、动力性能分析，提出了将最大纵坡分为理想最大纵坡、一般最大纵坡、极限最大纵坡3个等级；庄传仪等[4]根据汽车功率质量比计算模型和试验方法,确定了不同地区、不同公路等级下货车功率质量比,由此建立了最大纵坡坡度、不同纵坡的最大坡长等几何线形设计参数；董忠红等[5-7]建立了重型车辆动力爬坡模型，研究了长大纵坡路段爬坡车速变化规律，结果表明爬坡稳定速度与入坡速度无关，但提高入坡速度会增加稳定坡长，同时基于爬坡车速变化规律给出了坡度、坡长限制建议，为公路路线设计提供参考。 同时为了提高道路安全性，道路交通领域也开始探索对可靠度理论的应用。Navin等[8-12]最先将可靠性理论引入到道路工程中去；东南大学杨晨[13]在学术论文中选取平面和纵断面的6个设计参数进行可靠度计算，得到了不同取值下的失效概率，并对这些参数进行安全性评价，构建了基于可靠度的道路线形安全评价模型；聂瑞红[14]选取合适的平、纵线形组合影响因素，提出了基于曲线前必需视距法的可靠度计算方法与基于层次分析法的平、纵线形组合可靠度分析方法,建立了路线设计指标可靠度与事故指标间的关系。但现有对可靠度的研究缺乏对评价指标在不同梯度范围内的量化讨论，本研究从公路交通安全现状出发，选取高速公路纵坡作为研究对象，讨论纵坡上坡路段影响车辆行车安全的道路条件，引入可靠度理论，建立坡长与坡度的功能函数，运用可靠度理论分析方法计算在不同设计速度对应的最大纵坡坡度条件下,不同坡长供给值的失效概率,得出不同坡长供给值对可靠概率的影响关系，指出存在设计安全隐患的指标取值，并提出高速公路设计中阶梯坡度范围内安全纵坡坡长建议值，为合理确定公路路线纵坡坡度和坡长的组合提供依据。 1 代表车型选取及纵坡坡长计算 1.1 代表车型选取 我国高速公路中小客车和大型车是交通事故中常见的肇事车型,小客车与大型车的事故数相近，但大型车事故伤亡人数却远高于小客车[15]。据资料统计发现，大型车辆交通事故中重型车辆占据主导地位，且伴随有超载、超限等违规现象。经调查国内各载重货车生产企业的销量情况，前三甲分别为一汽、东风、重汽，综合比较，拟选定一汽解放J7牵引车CA4250P77K25T1E5作为代表车型[16]，相关计算参数见表1。 表1 代表车型计算参数 1.2 纵坡坡长计算 车辆在路段上运行，变速箱处于不同的档位，汽车进行加减档时，发动机提供的牵引力不同，车辆的运行加速度也不同，车辆在上坡到达稳定速度前大致呈减速状态，基于此，可通过微积分计算得到坡长的表达式： (1) 式中,L为纵坡坡长；λ为修正系数,此处取1；g为重力加速度，此处取9.8 m/s2；v1，v2分别为换挡前、后的速度；f为滚动轮胎的阻力系数,高速公路取值为0.01；i为道路纵坡坡度；v为运行速度。 2 纵坡坡长可靠性设计分析 2.1 纵坡坡长可靠度功能函数 依据《公路工程结构可靠性设计统一标准》(JTG 2120—2020)[17]可知，可靠度是指工程结构在规定的时间内，规定的条件下，完成预期功能，取得预期结果的概率。如果结构能够完成预定的功能，则称结构处于可靠状态，反之，则称结构处于不可靠状态。将结构的可靠状态与不可靠状态的临界位置称为极限状态，根据结构到达“极限状态”作为条件，构建相关数学函数式，用以评判结构是否可靠。本研究将可靠度理论引入道路设计中，用失效概率来表示纵坡坡度设计中设计值超出安全范围的部分可能存在的安全隐患。道路设计坡度、坡长能够满足车辆实际运行条件且在车速降至规定容许速度前完成爬坡过程，将其称为安全行驶。在设计速度对应的临界坡度条件