港珠澳大桥桥梁设计与安全策略

郭永静 宋金谋 廖新 冯彬洋

摘要：港珠澳大桥由桥梁，人工岛，隧道三部分组成，其中，岛隧工程是大桥的控制性工程，需要建设两座面积各十万平方米的人工岛和一条6.7公里的海底沉管隧道，实现桥梁与隧道的转换，是大桥建设技术最复杂，建设难度最大的部分，极具挑战性。珠澳大桥沉管隧道，是我国建设的第一座外海沉管隧道，也是世界上最长的公路沉管隧道和唯一的深埋沉管隧道。研究港珠澳大桥上车辆行驶问题变得尤为重要。通过分析，可以确定其为什么车型。此外，还要查出港珠澳大桥的交通方向转换的那个转向立交桥弯道处的曲率半径。因为车辆在弯道处容易发生侧滑和侧翻，根据我们确定的车型和参数可以具体进行分析與计算其在弯道处的行驶速度范围与最大安全行驶速度。我们要考虑车辆行驶所遇到的侧滑事故。侧风行驶最可能发生侧滑事故，即行驶过程中因侧滑而导致的严重偏向。侧滑问题可以用静力模型加以分析。

关键词：侧滑事故，侧翻事故

一、问题重述

1.1问题提出

问题一：港珠澳大桥开通后，两岸三地实现了陆上通行，考虑各地的习惯和传统（港澳开车靠左行驶而内地靠右行驶），通过转向立交桥实现双方车辆在交通习惯上的自然过渡，请您对汽车（总重量范围：1000kg—3000kg，下同）在转向立交桥弯道处的行驶速度进行建模，并给出在弯道处的汽车最大安全行驶速度。

问题二：假定最大台风不超过16级，汽车最大行驶速度是100km/h。考虑不同风向的台风天气情况下，请您给出在整座大桥主体上汽车最大安全行驶速度和台风级数的关系。

二、问题分析

2.1问题一的分析

通过分析汽车的总重量范围，根据车型参数，可以确定其为什么车型。此外，还要查出港珠澳大桥的交通方向转换的那个转向立交桥弯道处的曲率半径。因为车辆在弯道处容易发生侧滑和侧翻，根据我们确定的车型和参数可以具体进行分析与计算其在弯道处的行驶速度范围与最大安全行驶速度。

2.2问题二的分析

这里是在台风级数不超过16级的前提下。侧风对行车安全性的影响形式包括3类[2]：①低风速效应（舒适性问题）;②脉动风速效应（舒适性问题）;③高风速效应（安全性问题）。

低风速效应和脉动风速效应均为舒适性问题，可以通过驾驶员的操作避免安全事故的发生。高风速效应难以用驾驶操作修正，很容易发生事故，因此被称为安全性问题，应当在交通管理中避免。研究表明，相同车型、路况及车速条件下，随着侧风的增强，侧滑最先发生。我们这里只考虑第三种情况。

三、问题一的模型建立与求解

3.1问题的分析

小型轿车只考虑侧滑事故，运用公式求出来其侧滑临界速度Vs。客车、重车车型不仅要考虑侧滑事故，还需要考虑侧翻事故。由车型参数表可知，问题中所给的汽车总重量范围为1000kg—3000kg，更适合于轿车和微型客车，属于小型轿车的考虑范畴。只需要考虑侧滑事故。综合混凝土路面和沥青路面，港珠澳大桥每日车流量为4000，我们这里取路面附着系数φ为0.60。然后我们通过“卫星在线”地图求出来为R=19.96m。通过查阅资料，港珠澳大桥桥面横坡sinβ=2.5%（tanβ=0.025），β为路面横坡角。

3.2模型的建立与求解

车辆发生侧滑的临界速度Vs [1]为

则在弯道处汽车的最大安全行驶速度为39.86 km/h。

四、问题二的模型建立与求解

4.1 多风向下的车辆侧滑安全性分析

侧滑问题可以用静力模型加以分析[2]，当汽车在桥面上行驶时，考虑到风力、惯性力（车辆变道等转向）、重力（桥面横向坡度）等共同作用下的极限状态。

这里气动力的计算是侧风影响分析的关键，风洞试验结果显示侧向气动力系数和升力系数与方向角之间基本成正比关系[3]，即

汽车的正投影面积A=2.05，通过轿车模型风洞试验测量得到≈0.07+0.02ɑ。

综合（2）—（6），车辆行驶过程中不发生侧滑的条件是：

4.2多风向下的车辆侧倾安全性分析

在弯道中行驶的车辆 ，由于惯性力、侧风力和气动升力的作用点具有一定的高度 ，相对于外侧车轮着地点产生侧向侧倾力矩 ，同时重力相对于此点的力矩与侧向侧倾力矩平衡 ，如果侧向侧倾力矩超过重力所产生的平衡力矩 ，那么车辆必将发生侧向倾翻。因此 ，不发生侧倾的条件[2]是：

然后综合侧滑和侧倾得出的速度，取最小值，即为汽车最大安全行驶速度。

参考文献

[1]孙川，吴超仲，弯道安全车速计算改进模型研究，中国公路学报，第28卷第8期，102，2015.08

[2]刘 晖，黄斌，多风向影响下的跨海大桥风致行车安全分析，地震工程与工程振动，第31卷第4期，58-59，2011.08