田小毅，張振東，鮑 婧，劉 新

(江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210008)

滬寧高速公路高溫爆胎閾值和爆胎風險指數(shù)的研究*

田小毅，張振東，鮑 婧，劉 新

(江蘇省氣象服務中心，江蘇 南京 210008)

利用滬寧高速公路江蘇段沿線建立的26套交通氣象自動站2012-2013年7-8月份逐分鐘氣溫和00cm路面溫度數(shù)據(jù)資料，結合滬寧高速公路江蘇段的汽車爆胎事故數(shù)據(jù)。研究表明：汽車爆胎事故具有明顯的日變化特征，主要發(fā)生在08-17時；汽車爆胎與氣溫和00cm路面溫度都具有非常密切的關系，當氣溫和路面溫度均低于25℃時，高速公路上汽車高溫爆胎的幾率很小；當氣溫高于30℃，或路面溫度高于35℃時，爆胎發(fā)生的頻率明顯增加；爆胎事故數(shù)量與最高氣溫和路面最高溫度并不是呈簡單的線性關系，但它們的變化趨勢基本一致，爆胎頻次隨著氣溫和路面溫度升高而增大，反之亦然；爆胎頻次≥10次時的最高氣溫均在30℃以上，在35℃以上的占90.9%；路面最高溫度均在45℃以上，在57℃以上的占92.5%；利用災情統(tǒng)計方法，根據(jù)爆胎頻次多少將最高氣溫和路面最高溫度劃分為4個等級，并建立了相應的爆胎風險指數(shù)。

爆胎風險；高溫爆胎閾值；爆胎風險指數(shù)；災情統(tǒng)計；滬寧高速

我國正處于經(jīng)濟高速發(fā)展時期，高速公路通車里程每年都在大幅度增加，車流量亦呈大幅度上升的趨勢，隨之而來的高速公路交通事故也呈現(xiàn)繼續(xù)上升勢頭。據(jù)有關交通專家分析認定：在高速公路上因汽車“爆胎”引發(fā)的交通事故約占高速公路交通事故的30%-40%[1]，據(jù)統(tǒng)計夏季爆胎次數(shù)約占全年爆胎總次數(shù)的3/4，可見汽車爆胎導致的交通事故比例較高，因此爆胎引發(fā)的災害應引起各方的重視。

近些年來，許多學者已經(jīng)對滬寧高速，京珠高速，京石高速、新疆高速公路等路面溫度進行研究[2-7]，在汽車爆胎方面的研究較少[7-8]。但他們所采用的資料并不是高速公路沿線的觀測資料，而且沒有和相對應的汽車爆胎事故數(shù)據(jù)相結合，代表性相對較差，因此高速公路的高溫爆胎閾值和爆胎風險指數(shù)值得我們做進一步的探討和研究。

江蘇省是個交通大省，至2013年底高速公路通車里程4 342 km，路網(wǎng)密度居全國第一，滬寧高速公路的車流量日均在5萬輛以上。自1998年以來江蘇省氣象局與滬寧高速公路股份有限公司聯(lián)合開展交通氣象服務與研究有較長時間高速公路沿線的路面溫度和氣溫監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文利用收集整理的2012-2013年滬寧高速公路沿線的實況監(jiān)測資料和爆胎事故數(shù)據(jù)資料，采用災情統(tǒng)計方法來確定高速公路爆胎閾值，建立夏季高速公路爆胎風險指數(shù)等級，以便更好地提升交通氣象預報服務的質(zhì)量和效果。

1 資料來源與說明

1.1 資料來源

氣溫和00 cm路面溫度來源于滬寧高速公路沿線26套交通氣象自動監(jiān)測站逐分鐘的數(shù)據(jù)；汽車爆胎事故數(shù)據(jù)來源于滬寧高速公路指揮中心2012-2013年7-8月份滬寧高速公路沿線的爆胎數(shù)據(jù)。

1.2 資料說明

交通氣象自動監(jiān)測站氣溫傳感器的測量范圍是-20～+80℃，分辨率為0.1℃，允許的誤差為±0.2℃。路面溫度傳感器的測量范圍是-50～+80℃，分辨率為0.1℃，允許的誤差為±0.3℃。

江蘇梅雨季節(jié)過后往往會進入一段晴熱高溫天氣，此時氣溫較高，路面溫度也高，對交通出行有很大的影響，因此選取7-8月進行高溫季節(jié)車輛爆胎的研究。

汽車爆胎資料剔除了因異物、碰撞等造成的車輛爆胎。

2 汽車爆胎數(shù)據(jù)特征分析

爆胎是指輪胎在極短的時間(一般少于0.1s)因破裂突然失去空氣而癟掉。夏季是爆胎交通事故的高發(fā)季節(jié)，據(jù)高速交警介紹，高溫是誘發(fā)車輛“爆胎”的“元兇”。在江蘇，7-8月份是一年中最熱的季節(jié)，汽車爆胎的頻次明顯增加，就滬寧高速公路而言，2012-2013年7-8月份幾乎每天都有爆胎事故發(fā)生，最少的1 d發(fā)生2起，最多的1 d達23起，平均而言1 d有10起爆胎事故發(fā)生。

2.1 爆胎的日變化特征

從爆胎發(fā)生頻率隨時間變化來看(圖1)，爆胎事故具有明顯的日變化特征，主要發(fā)生在08-17 時，占爆胎事故總數(shù)的60%，18-次日07時爆胎發(fā)生的頻率較低。

圖1 2012-2013年7-8月份滬寧高速公路爆胎發(fā)生的頻率隨時間變化

2.2 爆胎車型分析

通過對爆胎事故的車型分析，發(fā)現(xiàn)大貨車爆胎頻次最大，占總爆胎的63.7%，尤其是載重量在8t以上的大貨車；其次是小轎車；爆胎次數(shù)最少的是大客車。

3 夏季爆胎環(huán)境溫度閾值的研究

氣溫高是導致“爆胎”的主要原因，夏季氣溫高，路面溫度也高，在江蘇7-8月份是盛夏高溫期，往往會出現(xiàn)持續(xù)性高溫天氣，氣溫通常會超過35℃，路面溫度會上升到60℃以上，甚至能達到65℃以上。汽車在高溫條件下高速行駛，由于熱脹冷縮作用，輪胎容易發(fā)生變形，輪胎在滾動過程中因摩擦發(fā)熱而產(chǎn)生的熱量很難與較高的環(huán)境溫度發(fā)生對流熱交換，因此輪胎內(nèi)部的溫度會快速上升，促使輪胎變形頻率加快，使橡膠容易老化，從而發(fā)生爆胎。根據(jù)馬連湘[9]研究的輪胎生熱與溫度場的關系，可以得出輪胎的溫度(Tt)為：

(1)式中：Tt為輪胎溫度；T0為環(huán)境溫度；Q為輪胎旋轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生的熱量；L為輪胎厚度；λ為輪胎材料導熱因數(shù)；F為放熱面積；t為時間。由上式分析可以得出，輪胎溫度(Tt)與環(huán)境溫度(T0)和輪胎滾動過程中作用于輪胎的應變能通過損耗因子轉(zhuǎn)變成熱量，最終表現(xiàn)為輪胎溫度的升高(ΔT)有關。

3.1 夏季爆胎環(huán)境溫度閾值理論研究

一般來說，車輛行駛速度越高，輪胎在單位時間內(nèi)與地面的接觸次數(shù)越多，摩擦越頻繁，使輪胎溫度急劇上升，根據(jù)李杰等[10]對滾動的尼龍斜交輪胎穩(wěn)態(tài)時輪胎內(nèi)部最高溫升和行車速度的變化實驗及模型計算得到輪胎最高溫升與行駛速度的線性方程：

ΔT斜交=1.89+0.962926V。

(2)

同時根據(jù)王曉軍[11]對子午線輪胎穩(wěn)態(tài)時的輪胎內(nèi)部最高溫升與行駛速度的關系得出以下輪胎最高溫升與行駛速度的線性方程：

ΔT子午線=17.1+0.59V。

(3)

式中:ΔT為輪胎最高溫升(℃)；V為輪胎行駛速度(km/h)。

于是根據(jù)上述對穩(wěn)態(tài)時斜交輪胎(大貨車)和子午線輪胎(小轎車、大客車)的內(nèi)部最高溫升公式(2)和公式(3)，最后得出輪胎溫度公式為：

Tt斜交=T0+1.89+0.962926V；

(4)

Tt子午線=T0+17.1+0.59V。

(5)

根據(jù)眾多關于對汽車輪胎使用的常識等表明：一般輪胎使用時胎體溫度約在100℃以內(nèi)，可認為是正常溫度，輪胎在100～121℃是臨界溫度，超過121℃時，就有爆胎的危險，121℃以上是危險溫度，當輪胎溫度超過硫化點(140℃)時，輪胎的各組成部分將被破壞，失去承載能力。于是將輪胎溫度的爆胎閾值分為四個等級(表1)。

依據(jù)公式(4)和公式(5)輪胎的最高溫度、環(huán)境溫度和速度的關系式以及我國高速公路限速標準，對大貨車、客車和小汽車的最高限速分別為90km/h、100km/h和120km/h，可以得出不同環(huán)境溫度下輪胎最高溫度與行駛速度關系(圖2)。

圖2 不同氣溫下輪胎穩(wěn)態(tài)時輪胎最高溫度與行駛速度關系

(1)斜交輪胎(大貨車)。大貨車以最高限速標準V=90 km/h行駛，當T0<11.4℃時，輪胎的溫度Tt<100℃，屬于正常范圍，不易爆胎；11.4℃≤T0<32.4℃時，輪胎的溫度100℃51.4℃時，輪胎的溫度Tt>140℃，爆胎的風險非常大。

(2)子午線輪胎(大客車、小轎車)。大客車以最高限速標準V=100 km/h行駛，當T0<23.9℃時，輪胎的溫度Tt<100℃，屬于正常范圍，不易爆胎；23.9℃≤T0<44.9℃時，輪胎的溫度100℃63.9℃時，輪胎的溫度Tt>140℃，爆胎的風險非常大。

小轎車以最高限速標準V=120 km/h行駛，當T0<12.1℃時，輪胎的溫度Tt<100℃，屬于正常范圍，不易爆胎；12.1℃≤T0<33.1℃時，輪胎的溫度100℃52.1℃時，輪胎的溫度Tt>140℃，爆胎的風險非常大。

通過以上理論分析，最終得出環(huán)境溫度T0的致災閾值(表2)，當環(huán)境溫度T0<11.4℃時，不易爆胎；當11.4℃≤T0<32.4℃時，有爆胎的風險；當32.4℃≤T0≤51.4℃時，爆胎的風險較大；當T0>51.4℃時，爆胎的風險非常大。

表2 環(huán)境溫度閾值與爆胎風險等級劃分

3.2 滬寧夏季高溫爆胎閾值災情統(tǒng)計研究

對車輛爆胎發(fā)生時刻的氣溫和路面溫度散點圖分析(圖3)，可以看出，當氣溫和路面溫度都小于25℃，發(fā)生爆胎的頻率非常低，當氣溫和路面溫度達到25℃以上時，汽車發(fā)生爆胎的頻率逐漸上升，當氣溫每升高5℃時，爆胎的頻率明顯增加，特別是當氣溫達到30℃以上，地面溫度上升到35℃以上時，散點密度明顯增加，這說明爆胎發(fā)生的頻率明顯增加。因此溫度是影響爆胎的最重要因素。

3.3 環(huán)境溫度對爆胎的影響

對爆胎事故數(shù)據(jù)和氣溫、路面溫度等資料分析發(fā)現(xiàn)，爆胎時路面溫度基本高于氣溫，但也有路面溫度低于氣溫時發(fā)生爆胎現(xiàn)象，而且汽車在路面上行駛，和地面接觸較多，于是對氣溫(T)和路面溫度(Td)進行權重加權，得出汽車行駛時的環(huán)境溫度T0如下：

T0=0.975×Td+0.025×T。

(6)

通過公式(6)得到的T0值與理論分析得到的環(huán)境溫度閾值進行等級劃分，得出汽車發(fā)生爆胎時刻環(huán)境溫度等級圖(圖4)，可以看出：當環(huán)境溫度T0<32.4℃時，有爆胎的風險，出現(xiàn)爆胎頻率為28.7%；當32.4℃≤T0≤51.4℃時，爆胎的風險較大，爆胎頻率增大到51.5%；當T0>51.4℃時，爆胎的風險非常大，出現(xiàn)的頻率為19.8%。這說明環(huán)境溫度愈高，胎壓上升的愈快，輪胎與路面接觸的面積愈小，輪胎在行駛過程中磨損產(chǎn)生的熱量愈多，而此時路面溫度亦較高，輪胎產(chǎn)生的熱量與較高的環(huán)境溫度和熾熱的路面很難發(fā)生對流交換，從而導致輪胎的溫度快速上升，最終導致爆破。

圖3 2012-2013年7-8月滬寧高速公路車輛爆胎時間與氣溫和路面溫度散點圖

圖4 爆胎發(fā)生時刻的環(huán)境溫度等級設計值

4 夏季爆胎的溫度閾值和爆胎指數(shù)劃分

分析2012-2013年7-8月每天爆胎事故頻次與最高氣溫和路面最高溫度資料發(fā)現(xiàn)(圖5)，爆胎事故頻次與最高氣溫和路面最高溫度并不是呈簡單的線性關系，但它們的變化趨勢基本一致，當天氣晴好，氣溫升高，路面溫度也升高時，爆胎頻次增加；當陰天或下雨天，氣溫較低、路面溫度也相應較低時，爆胎頻次減小。研究還發(fā)現(xiàn)，當氣溫基本維持不變時，路面高溫的變化和爆胎頻次變化一致，爆胎頻次隨著路面高溫升高而增加，下降而減??；而當路面高溫基本維持不變時，氣溫的變化和爆胎頻次變化一致，爆胎頻次隨著氣溫的升高而增加，下降而減小。也可以說，爆胎發(fā)生的頻次大小與最高氣溫和路面最高溫度有著密不可分的關系，因此最高氣溫和路面最高溫度的高低可以作為衡量爆胎頻次的重要指標。

圖5 滬寧高速公路最高氣溫、最高路面溫度和爆胎頻次統(tǒng)計圖

圖6 滬寧高速公路最高氣溫、最高路面溫度和爆胎頻次≥10次統(tǒng)計圖

4.1 夏季爆胎的最高氣溫與路面最高溫度等級劃分

眾所周知，爆胎的原因其實比較復雜，但為了做好交通氣象服務工作以及預報員能夠很好把握預報服務質(zhì)量和效果，利用災情統(tǒng)計方法，將最高氣溫或路面最高溫度按平均爆胎數(shù)量與爆胎總數(shù)在4個月中的平均數(shù)10次進行比較，統(tǒng)計爆胎頻次≥10次時的最高氣溫和路面最高溫度與爆胎事故數(shù)(圖6)，爆胎發(fā)生當天最高氣溫均在30℃以上，其中最高氣溫在35℃以上的占90.9%；路面最高溫度均在45℃以上，其中路面最高溫度在57℃以上的占92.5%；當氣溫≥35℃時，路面溫度≥57℃；當氣溫≥38℃時，路面溫度≥65℃。于是將最高氣溫和路面最高溫度值設計為如下所示的4個等級(圖7)。

第1等級：當最高溫度<30℃或路面最高溫度<45℃，平均每天爆胎頻次在≤6次；

第2等級：當30℃≤最高溫度<35℃或45℃≤路面最高溫度<57℃，平均每天爆胎頻次≤8次；

第3等級：當35℃≤最高溫度<38℃或57℃≤路面最高溫度<65℃，平均每天爆胎頻次≥11次；

第4等級：當最高溫度≥38℃或路面最高溫度≥65℃，平均每天爆胎頻次≥12次。

圖7 平均爆胎頻次與最高氣溫和路面溫度等級設計值

將爆胎事故頻次與最高氣溫和路面最高溫度進行統(tǒng)計，當爆胎頻次≥11次時，最高氣溫均在32℃以上，其中最高氣溫在35℃以上的占92.9%；路面最高溫度均在45℃以上，其中路面最高溫度在57℃以上的占94.6%。反過來，當最高氣溫在35-37℃時，爆胎頻次≥11次的占56.4%；當路面最高溫度在57-64℃時，爆胎頻次≥11次的占55.9%；而當最高氣溫在35-37℃或者路面最高溫度在57-64℃時，爆胎頻次≥11次的占60%，爆胎頻次≥11次比例比前兩者都高。

當爆胎頻次≥12次時，最高氣溫均在32℃以上，其中最高氣溫在38℃以上的占40.4%；路面最高溫度均在45℃以上，其中路面最高溫度在65℃以上的占29.8%。反過來，當氣溫在38℃以上時，爆胎頻次≥12次的占50%；當路面最高溫度在65℃以上時，爆胎頻次≥12次的占51.9%；當氣溫在38℃以上或者當路面最高溫度在65℃以上時，爆胎頻次≥12次的占59.0%，爆胎頻次≥12次的比例比前兩者都高。

綜上分析，用最高氣溫和最高路面溫度兩個標準量來衡量爆胎頻次是可行的，而且對最高氣溫和最高路面溫度等級設計值是合理。

4.2 夏季爆胎風險指數(shù)等級劃分

通過以上對爆胎事故頻次與最高氣溫和路面最高溫度的4個等級閾值的確定，得到如下4種爆胎等級標準。

(1)當最高氣溫T<30℃，或路面最高溫度Td<45℃，汽車達最高限定的速度行駛時，有爆胎的風險，但風險較??；

(2)當最高氣溫30℃≤T≤34℃，或路面最高溫度在45℃≤Td≤56℃，汽車達最高限定的速度行駛時，爆胎風險較大；

(3)當最高氣溫35℃≤T≤37℃，或路面最高溫度在57℃≤Td≤64℃，汽車達最高限定的速度行駛時，爆胎風險非常大；

(4)當最高氣溫T≥38℃，或最高路面溫度Td≥65℃，汽車達最高限定的速度行駛時，極易發(fā)生爆胎。

根據(jù)爆胎等級標準，確定4個等級爆胎風險指數(shù)(表3)，并提出防范爆胎的措施和建議。

5 結論

(1)汽車爆胎事故具有明顯的日變化特征，主要發(fā)生在08-17時，占爆胎事故總數(shù)的60%，18-次日07時爆胎發(fā)生的頻率較低。

(2)當氣溫和路面溫度都小于25℃，發(fā)生爆胎的頻率非常低，當氣溫和路面溫度達到25℃以上時，爆胎發(fā)生的頻率逐漸上升，特別是當氣溫達到30℃以上，路面溫度上升到35℃以上時，爆胎發(fā)生的頻率明顯增加。因此溫度是影響爆胎的最重要因素。

(3)爆胎事故數(shù)量與最高氣溫和路面最高溫度并不是呈簡單的線性關系，但它們的變化趨勢基本一致，當天氣晴好，氣溫升高，路面溫度也升高時，爆胎頻次增加；當陰天或下雨天，氣溫較低、路面溫度也相應較低時，爆胎頻次減小，爆胎發(fā)生的頻次大小與最高氣溫和路面最高溫度有著密不可分的關系，因此最高氣溫和路面最高溫度的高低可以作為衡量爆胎頻次的重要指標。

表3 滬寧高速公路高溫爆胎風險指數(shù)劃分

(4)爆胎頻次≥10次時的最高氣溫均在30℃以上，其中最高氣溫在35℃以上的占90.9%；路面最高溫度均在45℃以上，其中路面最高溫度在57℃以上的占92.5%。

(5)利用災情統(tǒng)計方法，根據(jù)爆胎頻次多少將最高氣溫和路面最高溫度劃分為4個等級，并建立了相應的爆胎風險指數(shù)。

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Abstract:By using the per-minute air temperature and 00cm surface temperature data gathered from 26 sets of the Huning AWM in July and August from 2012 to 2013, and combining with the accident information of tire burst on Huning Expressway. Research shows: tire burst has obvious diurnal variation characteristics, mainly occurred in 08 ～ 17; there is a very close relationship between the surface-air temperature and tire burst, when air temperature and 00cm surface temperature below 25℃, tire burst probability is small; when air temperature higher than 30℃ and 00cm surface temperature higher than 35℃, tire burst probability is great; The number of tire burst and the highest of surface temperature and air temperature is not a simple linear relationship, but the trend is basically the same. The frequency of tire burst increases with the increase the air temperature and 00cm surface temperature; When the surface temperature high than 30℃, the frequency of tire burst higher than 10 times, When the surface temperature high than 35℃ accounted for 90.9%.00cm surface temperature all above 45℃, above 57 ℃ accounted for 92.5%; By statistical method of disaster, according to the frequency of tire burst, the maximum temperature and the maximum temperature of road surface are divided into 4 grades, and the corresponding tire blowout risk index is established.

Key words:tire burst risk; tire burst threshold of high temperature; risk index of tire burst; disaster statistics; Huning Expressway

The Study on the Threshold of High Temperature Tire Burst and the RiskIndex of Tire Burst on Huning Expressway

TIAN Xiaoyi, ZHANG Zhendong, BAO Jing and LIN Xin

(JiangsuMeteorologicalServiceCenter,Nanjing210008,China)

田小毅，張振東，鮑婧，等. 滬寧高速公路高溫爆胎閾值和爆胎風險指數(shù)的研究[J]. 災害學，2017，32(4)：114-119. [TIAN Xiaoyi，ZHANG Zhendong，BAO Jing,et al. The Study on the Threshold of High Temperature Tire Burst and the Risk Index of Tire Burst on Huning Expressway[J]. Journal of Catastrophology，2017，32(4)：114-119.

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.020.]

X43；P45

A

1000-811X(2017)04-0114-06

2017-04-27

2017-06-19

中國氣象局氣象關鍵技術集成與應用項目(CMAGJ2014Z02)；中國氣象局公路交通氣象預報業(yè)務試點項目

田小毅(1975-)，女，陜西西安人，高級工程師，主要從事交通氣象災害預報和服務研究．Email:yxt-2003@126.com

10.3969/j.issn.1000-811X.2017.04.020