潘曉東， 梁潔馀， 陳 豐， 周玉芬

(1.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804；2.科羅拉多州立大學(xué) 道路與環(huán)境工程系，美國(guó) 科羅拉多 柯林斯堡 80523)

大跨橋梁是交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，通常承載著繁重的交通量，對(duì)整個(gè)交通系統(tǒng)的效率和安全影響很大.同時(shí)，大跨度橋梁周邊環(huán)境空曠，通常位于大風(fēng)高發(fā)區(qū)，對(duì)駕駛安全構(gòu)成了特殊的挑戰(zhàn).具體而言，由于大跨度橋梁的橋面高度一般高達(dá)50 m以上，因此風(fēng)對(duì)橋梁的影響相當(dāng)強(qiáng)烈.大跨橋梁上不僅受到側(cè)風(fēng)的單一影響，還存在風(fēng)、車、橋之間復(fù)雜的動(dòng)態(tài)相互作用.大跨橋梁上的行車安全問(wèn)題是涉及人-車-路-環(huán)境的復(fù)雜問(wèn)題，但已有的基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的研究缺少對(duì)側(cè)風(fēng)和橋梁振動(dòng)的綜合考慮.因此，本文基于數(shù)值模擬的風(fēng)-車-橋耦合理論，同時(shí)融合側(cè)風(fēng)與橋梁振動(dòng)作用，建立更為逼真的面向強(qiáng)風(fēng)作用下橋梁駕駛環(huán)境的駕駛模擬場(chǎng)景，并通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)探究了側(cè)風(fēng)及橋梁振動(dòng)作用對(duì)駕駛安全性的影響.

過(guò)去幾十年中，研究人員對(duì)側(cè)風(fēng)作用下的駕駛安全問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究.數(shù)值模擬方法已被很多學(xué)者廣泛使用，是研究側(cè)風(fēng)下車輛動(dòng)力學(xué)的主要方法之一.Baker進(jìn)行了一系列關(guān)于強(qiáng)烈側(cè)風(fēng)作用下車輛安全性的研究，建立了一個(gè)定性的框架用來(lái)評(píng)估車輛的事故風(fēng)險(xiǎn)[1-4].但是，這些研究只局限于一般道路，并不完全適用于橋梁.Guo和Xu[5]進(jìn)行了車-橋耦合作用下的車輛在大跨度斜拉橋上遭受波動(dòng)風(fēng)的安全性分析.韓萬(wàn)水和陳艾榮[6-7]建立了較為完善的風(fēng)-車-橋系統(tǒng)空間耦合分析模型，編制了相應(yīng)模塊并嵌入自行研發(fā)的橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析軟件BDANS，進(jìn)行了詳細(xì)的參數(shù)分析.在Chen等[8]的研究中，建立了一個(gè)包含車-橋相互作用的局部車輛事故評(píng)估模型，以考慮橋梁結(jié)構(gòu)在多風(fēng)環(huán)境下的振動(dòng)影響.Chen等[9]進(jìn)一步開發(fā)了一種先進(jìn)的單車事故評(píng)估模型，分析車輛與危險(xiǎn)駕駛條件的耦合效應(yīng)，包括陣風(fēng).在以上的文獻(xiàn)中，駕駛安全都是通過(guò)假定只有一輛車以恒定速度在橋上行駛來(lái)評(píng)估的，而現(xiàn)實(shí)中橋梁上的交通流量和車輛速度都會(huì)發(fā)生變化，因此這樣的假設(shè)是不符合現(xiàn)實(shí)的.為了克服上述缺陷，Chen和Wu[10]以及韓萬(wàn)水等[11]都提出了將隨機(jī)交通流模擬結(jié)合到車橋相互作用分析中的方法.在后續(xù)的研究中，Zhou和Chen[12-13]進(jìn)一步提出了基于有限元(FE)的動(dòng)態(tài)分析框架.在該框架下，他們建立了一個(gè)完全耦合的橋梁-交通系統(tǒng)綜合動(dòng)態(tài)交互和安全評(píng)估模型，其中所有車輛、橋梁和風(fēng)的耦合效應(yīng)都被同時(shí)包含在內(nèi).這些研究工作對(duì)風(fēng)、橋梁、車輛和交通流的分析越來(lái)越準(zhǔn)確.盡管如此，上述使用數(shù)值模擬的研究沒(méi)有考慮到駕駛員的行為或者將其過(guò)度簡(jiǎn)化.

由于車輛的運(yùn)動(dòng)是外力作用和駕駛員行為共同作用的結(jié)果，所以有必要對(duì)駕駛員的反應(yīng)進(jìn)行研究.但在強(qiáng)風(fēng)等危險(xiǎn)條件下開展實(shí)車實(shí)驗(yàn)很難保障實(shí)驗(yàn)的安全.而駕駛模擬器能夠避免駕駛員受到實(shí)際傷害，為進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)提供了一種可行的解決方案.隨著駕駛模擬器的發(fā)展，它已成為研究駕駛行為最重要的工具之一.盡管利用駕駛模擬器開展駕駛安全性的研究[14-19]非常豐富，但基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的側(cè)風(fēng)下駕駛安全性相關(guān)文獻(xiàn)十分有限.Maruyama和Yamazaki[20]研究了在強(qiáng)側(cè)風(fēng)下車輛的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，并比較了數(shù)值分析和駕駛模擬器實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，但是研究中未考慮橋梁振動(dòng)的影響.

綜合以上研究，本文基于已有的風(fēng)-車-橋耦合計(jì)算理論得到的橋梁振動(dòng)數(shù)據(jù)，建立了同時(shí)包含側(cè)風(fēng)和橋梁振動(dòng)作用的駕駛模擬場(chǎng)景.通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)同時(shí)考慮側(cè)風(fēng)和振動(dòng)作用與單純考慮側(cè)風(fēng)作用對(duì)車輛行駛的影響存在顯著差異.該實(shí)驗(yàn)方法可為進(jìn)一步研究大跨橋梁上的行車安全與駕駛行為等問(wèn)題提供條件，研究成果也可為交通管理，風(fēng)障設(shè)計(jì)提供一定的參考.

1 橋梁振動(dòng)作用

1.1 風(fēng)車橋耦合作用理論

大跨橋梁通常建在海峽或大江大河等經(jīng)常遭受強(qiáng)風(fēng)的區(qū)域.由于大跨橋梁柔性較大，在強(qiáng)風(fēng)和車輛荷載的共同作用下產(chǎn)生的橋梁振動(dòng)可能對(duì)交通安全產(chǎn)生重大影響.為了實(shí)現(xiàn)振動(dòng)作用與駕駛模擬場(chǎng)景的融合，需要首先計(jì)算風(fēng)-車-橋耦合作用下橋梁振動(dòng)對(duì)車輛產(chǎn)生的力和力矩.在前人研究基礎(chǔ)上，通過(guò)以下方法進(jìn)行橋梁振動(dòng)的計(jì)算.

本研究將大跨度斜拉橋建立為三維有限元模型，使用兩種類型的單元：一是基于Timoshenko梁理論，采用非線性空間梁?jiǎn)卧獙?duì)橋梁和橋塔進(jìn)行建模，該模型同時(shí)考慮了軸向、彎曲、扭轉(zhuǎn)翹曲和剪切變形效應(yīng)；二是根據(jù)精確的彈性懸鏈線元微分方程解析表達(dá)式導(dǎo)出的懸鏈索單元對(duì)拉索進(jìn)行建模[21].

本研究中的車輛類型為卡車，其動(dòng)力學(xué)數(shù)值模型由一個(gè)主剛體，兩個(gè)輪軸組，一套垂直或橫向的16個(gè)彈簧和阻尼器組成[22].橋梁上的交通流不是車速和車輛間距恒定的車輛列隊(duì)，而是利用元胞自動(dòng)機(jī)(CA)模型對(duì)隨機(jī)交通流進(jìn)行模擬，更接近真實(shí)大跨橋梁上的交通狀況[10].當(dāng)車輛在橋上行駛時(shí)，橋梁與車輛之間的相互作用力以耦合矩陣和外力的形式表達(dá)，并將整合到整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程中.該方法已用商業(yè)有限元程序通過(guò)非線性靜態(tài)分析、模態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析進(jìn)行了驗(yàn)證[13].

1.2 橋梁振動(dòng)對(duì)車輛的作用

已有的駕駛模擬研究?jī)H單獨(dú)考慮側(cè)風(fēng)作用，而本研究所建立的駕駛模擬場(chǎng)景融入了風(fēng)-車-橋耦合的復(fù)雜作用，包括風(fēng)-車相互作用與交通和側(cè)風(fēng)作用下的車-橋耦合作用.本研究中卡車模型的質(zhì)量設(shè)為4 300 kg，車身的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和橫擺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為9 550和3 030 kg·m2.斜拉橋模型的主跨和總長(zhǎng)分別為372.5和840 m，橋面采用鋼制雙箱橫截面，寬28 m，高4.57 m.其他動(dòng)態(tài)參數(shù)參考Zhou和Chen[22]的實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)行設(shè)定.根據(jù)風(fēng)-車-橋耦合作用理論，分別計(jì)算風(fēng)速為40、50和60 km·h-1下，橋梁振動(dòng)對(duì)車輪產(chǎn)生的力.由于駕駛模擬器軟件的限制，需將4個(gè)輪子上的力轉(zhuǎn)換為作用在車輛質(zhì)心處的豎向力、側(cè)向力和側(cè)翻力矩，因此側(cè)向力與側(cè)翻力矩的相位是相同的，計(jì)算結(jié)果如圖1所示.由于車輛模型前后軸受到的側(cè)向力大小和方向基本相等，因此對(duì)車輛產(chǎn)生的偏航力矩忽略不計(jì).由圖1可知，豎向力最大值為104N左右，產(chǎn)生約2 m·s-2的豎向加速度.在橋梁主跨兩端，即橋塔區(qū)附近時(shí)，橋梁振動(dòng)作用較小，車輛繼續(xù)行駛，振動(dòng)作用逐漸增大，并在橋梁中部達(dá)到最大.車-橋耦合作用隨風(fēng)速的增大而增大，側(cè)向力和側(cè)翻力矩的增長(zhǎng)幅度比豎向力大.

a 豎向力

b 側(cè)向力

c 側(cè)翻力矩

2 駕駛模擬場(chǎng)景建立

2.1 駕駛模擬實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)基于同濟(jì)大學(xué)八自由度駕駛模擬器進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)中采用的車輛類型為卡車，設(shè)計(jì)車速為80 km·h-1，橋梁橫斷面為雙向四車道，車道寬度為3.75 m，兩側(cè)各有2.5 m的硬路肩及護(hù)欄.為保證駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的有效性和可操作性，先通過(guò)預(yù)實(shí)驗(yàn)，以車輛行駛狀態(tài)為依據(jù)，確定實(shí)驗(yàn)加載的風(fēng)速.實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)力4級(jí)(20～28 km·h-1)以下對(duì)車輛行駛無(wú)明顯影響，5-6級(jí)(29～49 km·h-1)時(shí)有一定影響，7級(jí)(50～61 km·h-1)時(shí)有顯著影響，8級(jí)(62～74 km·h-1)以上時(shí)駕駛員難以進(jìn)行操控，車輛與護(hù)欄極可能發(fā)生碰撞.因此選取40、50和60 km·h-1為實(shí)驗(yàn)風(fēng)速，風(fēng)向與車輛行駛方向垂直，從右向左或從左向右產(chǎn)生作用.依次加載不同風(fēng)速和風(fēng)向的側(cè)風(fēng)，側(cè)風(fēng)持續(xù)作用時(shí)間為10 s，兩段風(fēng)之間設(shè)置20 s的無(wú)風(fēng)段讓駕駛員恢復(fù)到正常行駛狀態(tài).

為研究橋梁振動(dòng)對(duì)行車安全的影響，實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩種對(duì)照情況：無(wú)振動(dòng)和持續(xù)振動(dòng).無(wú)振動(dòng)情況為側(cè)風(fēng)作用的前中后期皆無(wú)振動(dòng)，持續(xù)振動(dòng)情況為在側(cè)風(fēng)作用時(shí)期以及作用前后各10 s總共30 s內(nèi)加載對(duì)應(yīng)風(fēng)速的振動(dòng)作用.

根據(jù)風(fēng)速、風(fēng)向與振動(dòng)情況的不同，本實(shí)驗(yàn)中每輪設(shè)計(jì)12種加載情況，如表1所示.為了提高實(shí)驗(yàn)效率，每組實(shí)驗(yàn)過(guò)程中車輛將受到2輪共24次作用.為防止駕駛員對(duì)即將產(chǎn)生的作用進(jìn)行預(yù)判，實(shí)驗(yàn)中對(duì)側(cè)風(fēng)與振動(dòng)組合情況的加載順序進(jìn)行隨機(jī)設(shè)置.同時(shí)，為減少駕駛員操作熟練程度引起的誤差，另外設(shè)置了一個(gè)駕駛模擬場(chǎng)景用于練習(xí).

實(shí)驗(yàn)對(duì)象為20名駕駛員，包括17男3女，平均年齡31.7歲(標(biāo)準(zhǔn)差為8.44)，平均駕齡為5.2年(標(biāo)準(zhǔn)差為2.91).考慮到駕駛經(jīng)驗(yàn)的差異可能對(duì)遭遇側(cè)風(fēng)和振動(dòng)時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)生影響，將駕齡大于等于5年的10名司機(jī)歸為A組，駕齡小于5年的10名司機(jī)歸為B組.其中A組駕駛員駕齡較長(zhǎng)，駕駛頻率為每天或每周2次以上，可代表經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的駕駛員；B組駕駛員駕齡較短，且駕駛頻率為每周1次以下，可代表經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的駕駛員.

每名駕駛員先通過(guò)練習(xí)場(chǎng)景熟悉駕駛模擬器的操作，之后進(jìn)行正式實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)加載側(cè)風(fēng)和振動(dòng).由于車速越高，側(cè)風(fēng)對(duì)車輛行駛的影響越顯著.為了減少因車速不同造成的偏差，實(shí)驗(yàn)中要求駕駛員在無(wú)風(fēng)段盡量以80 km·h-1的速度在車道中央行駛，但遭遇側(cè)風(fēng)時(shí)可根據(jù)自身判斷操作油門、剎車和方向盤控制車速和方向，而在側(cè)風(fēng)作用結(jié)束后應(yīng)恢復(fù)車速并駛回車道中心.最終每種風(fēng)況和振動(dòng)的組合獲得40組有效數(shù)據(jù).

2.2 視覺場(chǎng)景建立

視覺場(chǎng)景的逼真度在很大程度上決定了駕駛模擬實(shí)驗(yàn)的可靠性.本實(shí)驗(yàn)視覺場(chǎng)景依照某真實(shí)斜拉橋建立.該橋有一個(gè)主跨和兩個(gè)分跨，主跨和全橋長(zhǎng)度分別為372.5和840 m.使用SketchUp和Google Earth，建立橋梁及其周圍地形的三維模型后，將模型導(dǎo)入到SCANeR中，完成大跨橋梁場(chǎng)景建立.經(jīng)過(guò)調(diào)查問(wèn)卷結(jié)果分析，參與實(shí)驗(yàn)的駕駛員普遍認(rèn)為視覺場(chǎng)景的逼真度較高.圖2展示了虛擬場(chǎng)景與實(shí)際場(chǎng)景的比較.

a 虛擬橋梁

b 真實(shí)橋梁

2.3 耦合作用融合

在駕駛模擬器中加入風(fēng)-車-橋耦合作用是本研究中最重要的部分之一.為此，本研究考慮了振動(dòng)和側(cè)風(fēng)兩種外力作用.為了模擬橋梁振動(dòng)，本研究專門編寫了一個(gè)外部模塊，可通過(guò)SCANeR軟件中的命令將豎向力、橫向力和側(cè)翻力矩加載到實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中，以模擬橋梁振動(dòng)對(duì)車輛的作用.得益于模擬器先進(jìn)的八自由度運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，該方法可逼真地模擬風(fēng)場(chǎng)中的橋梁運(yùn)動(dòng).

在實(shí)際的橋梁上風(fēng)速可能是漸變的，但為了控制風(fēng)速變量并考慮行車最不利的情況，本實(shí)驗(yàn)中的側(cè)風(fēng)以突遇側(cè)風(fēng)的形式加載，即風(fēng)速由0突然增大到特定速度，并保持恒定一段時(shí)間，最后突然消失.該側(cè)風(fēng)作用形式可視為對(duì)車輛通過(guò)橋塔區(qū)或進(jìn)出隧道時(shí)的抽象和簡(jiǎn)化.側(cè)風(fēng)加載可通過(guò)軟件自帶的函數(shù)實(shí)現(xiàn).

將側(cè)風(fēng)作用和第1節(jié)計(jì)算得出對(duì)應(yīng)情況下的橋梁振動(dòng)作用融入駕駛模擬場(chǎng)景，可實(shí)現(xiàn)對(duì)大跨橋梁復(fù)雜行車環(huán)境的模擬.與以往只考慮側(cè)風(fēng)作用的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)相比，本研究的駕駛模擬實(shí)驗(yàn)方法考慮的因素更為全面，可為后續(xù)對(duì)大跨橋梁上的行車安全性、穩(wěn)定性等問(wèn)題的深入研究提供條件.

3 行車安全性影響分析

同濟(jì)大學(xué)交通行為與交通安全模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)記錄包括車輛動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)、交通參數(shù)、環(huán)境參數(shù)和駕駛員操縱參數(shù)在內(nèi)的400多種實(shí)驗(yàn)參數(shù).本研究通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，從車輛行駛狀態(tài)的角度初步探究橋梁振動(dòng)對(duì)行車安全性的影響，驗(yàn)證本駕駛模擬實(shí)驗(yàn)方法的有效性.

車輛在行駛過(guò)程中受到側(cè)風(fēng)和橋梁振動(dòng)橫向作用的影響，若該作用足夠大，車輛將產(chǎn)生偏移甚至滑移.橫向偏移量是指車輛與目標(biāo)行車軌跡的偏移距離，在本研究中定義為車輛中心與道路中心線之間的偏移值.當(dāng)偏移量過(guò)大時(shí)，車輛將偏離原車道，可能與護(hù)欄或旁邊的車輛發(fā)生碰撞.在Baker的駕駛員轉(zhuǎn)向角模型[4]和郭孔輝提出的“預(yù)瞄最優(yōu)曲率模型”[23]中，車輛的橫向偏移量都是十分重要的參數(shù).另外已有研究表明[24]，在側(cè)風(fēng)作用期間，偏航角速度的時(shí)間歷程決定了行駛感覺和駕駛員的反應(yīng)，會(huì)影響行車路線.因此，本研究選擇車輛的橫向偏移和偏航角速度來(lái)分析評(píng)價(jià)風(fēng)-車-橋耦合作用下車輛的行駛穩(wěn)定性和安全性.

3.1 橫向偏移總體變化趨勢(shì)

橫向偏移的總體變化趨勢(shì)能夠描述車輛在遭遇側(cè)風(fēng)或振動(dòng)作用時(shí)與車道偏移的總體規(guī)律.以側(cè)風(fēng)開始作用的時(shí)刻為0，作用時(shí)間持續(xù)10 s，提取所有駕駛員每次在各側(cè)風(fēng)作用全程的橫向偏移數(shù)據(jù)，繪制橫向偏移曲線圖.因?yàn)樽髠?cè)風(fēng)和右側(cè)風(fēng)對(duì)車輛的作用是對(duì)稱的，因此定義橫向偏移方向與側(cè)風(fēng)方向一致時(shí)為正值，將風(fēng)速相同方向不同的樣本統(tǒng)一進(jìn)行分析.圖3中的3幅圖分別展示了兩組駕駛員在持續(xù)振動(dòng)且風(fēng)速為40 km·h-1、持續(xù)振動(dòng)且風(fēng)速為60 km·h-1和無(wú)振動(dòng)且風(fēng)速為60 km·h-13種外力作用狀態(tài)下的橫向偏移量變化的全過(guò)程過(guò)程.為便于觀察，在圖3中繪制了橫向偏移為0和0.825 m兩條直線以供參考.

由圖3可知，A組經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員和B組經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺駕駛員的橫向偏移總體變化趨勢(shì)較為一致.其中值得注意的有三點(diǎn).首先在側(cè)風(fēng)開始作用的時(shí)刻，橫向偏移量在0左右，說(shuō)明在車輛受到外力干擾前能夠正常地保持在車道中心行駛.二是側(cè)風(fēng)作用的初期，橫向偏移朝側(cè)風(fēng)作用方向增加，一段時(shí)間后達(dá)到峰值，說(shuō)明突遇側(cè)風(fēng)時(shí)，車輛不可避免地被干擾，且駕駛員控制橫向偏移不再增大需要一定時(shí)間.三是橫向偏移到達(dá)峰值后開始減小，之后呈現(xiàn)出兩種變化趨勢(shì).一些車輛的橫向偏移迅速減小到0左右，但之后波動(dòng)較為劇烈，其原因可歸結(jié)于該部分駕駛員迫切地想要駛回車道中心，對(duì)方向盤施加了較大的反向作用力抵消并超過(guò)外力的作用，但當(dāng)車輛接近車道中心后，并不能精確地控制方向盤，使車輛保持直線行駛，而是過(guò)度減小了方向盤上的力，又被外力影響偏離車道中心，之后反復(fù)與外力進(jìn)行博弈，橫向偏移持續(xù)波動(dòng).該類駕駛員的駕駛行為是比較劇烈的，橫向偏移偏大的持續(xù)時(shí)間較短，但波動(dòng)較大.另一部分車輛的橫向偏移緩慢地減小，基本上呈現(xiàn)單調(diào)遞減的趨勢(shì)，而不是上下波動(dòng)，其原因是該類駕駛員在控制住車輛的橫向偏移不再增大后，僅僅控制方向盤的角度略大于能與外力平衡的角度，使車輛較為平緩地駛回車道中心.該類駕駛員的駕駛行為是比較溫和的，橫向偏移偏大的持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但波動(dòng)較小.

a 持續(xù)振動(dòng)且風(fēng)速為40 km·h-1

b 持續(xù)振動(dòng)且風(fēng)速為60 km·h-1

c 無(wú)振動(dòng)且風(fēng)速為60 km·h-1

為了更方便地觀測(cè)A組和B組兩組駕駛經(jīng)驗(yàn)不同樣本的車輛橫向偏移變化趨勢(shì)，分別取各時(shí)刻橫向偏移量的均值繪制曲線，如圖3中的粗線所示.雖然取均值的方法抵消了一部分樣本的波動(dòng)，不能展現(xiàn)一些樣本自身的特點(diǎn)，但能觀測(cè)到總體的變化趨勢(shì).對(duì)比圖3a和3b可知，隨著風(fēng)速的增大，初期橫向偏移均值的增長(zhǎng)更劇烈，橫向偏移均值的最大值有所增大.對(duì)比圖3b和3c可知，側(cè)風(fēng)作用后期，橫向偏移的波動(dòng)在包含持續(xù)振動(dòng)的情況比無(wú)振動(dòng)的情況更大.

3.2 橫向偏移初始值分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，各駕駛員在無(wú)側(cè)風(fēng)作用階段應(yīng)盡量保持在車道中心行駛.將橫向偏移初始值定義為各種情況的側(cè)風(fēng)開始作用時(shí)刻的橫向偏移值.要注意的是，該時(shí)刻車輛還未受到側(cè)風(fēng)作用，但對(duì)于考慮車-橋耦合作用的場(chǎng)景，車輛會(huì)受到對(duì)應(yīng)風(fēng)速下橋梁振動(dòng)的作用.根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果，各風(fēng)況下橫向偏移初始值均服從正態(tài)分布，均值分布在-0.089～0.175 m的范圍內(nèi)，無(wú)明顯規(guī)律.橫向偏移初始值的方差反映了其離散程度，方差越小說(shuō)明數(shù)據(jù)分布越集中.各情況下橫向偏移初始值的方差對(duì)比如圖4所示.由圖4可明顯看出：各風(fēng)速下A組方差均小于B組方差，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員能更精確地將車輛保持在車道中心線行駛.比較各風(fēng)速下無(wú)振動(dòng)情況和持續(xù)振動(dòng)的方差可知，除A組風(fēng)速為40 km·h-1一種情況外，在同一風(fēng)速下，持續(xù)振動(dòng)情況下的方差均值小于無(wú)振動(dòng)情況.其原因可歸結(jié)為駕駛員在感受到振動(dòng)的干擾后更加注意對(duì)車輛橫向偏移的控制，偏移量更集中.若不考慮駕駛員行為，振動(dòng)作用應(yīng)使橫向偏移初始值更為離散，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相反，這也說(shuō)明在研究車輛行駛安全性與穩(wěn)定性問(wèn)題時(shí)，僅考慮車輛動(dòng)力學(xué)是有缺陷的，體現(xiàn)了對(duì)駕駛行為研究的重要性.

圖4 橫向偏移初始值方差對(duì)比

3.3 橫向偏移最大值分析

橫向偏移最大值可衡量外力作用對(duì)行車狀態(tài)影響的嚴(yán)重程度，也與駕駛員各種操作行為相關(guān).對(duì)各情況下樣本的最大橫向偏移量求均值，繪制折線圖，如圖5所示.由圖5可知，相同風(fēng)速下，A組橫向偏移最大值的均值小于B組，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員對(duì)車輛橫向偏移的控制能力更強(qiáng).

圖5 橫向偏移最大值均值對(duì)比

值得注意的是，對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員和經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的駕駛員，橋梁振動(dòng)作用的影響呈現(xiàn)出不同的規(guī)律.對(duì)A組風(fēng)速為40和60 km·h-1的樣本，持續(xù)受到振動(dòng)影響時(shí)的橫向偏移最大值小于無(wú)振動(dòng)影響情況.這是由于經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員在側(cè)風(fēng)作用前已察覺到橋梁振動(dòng)對(duì)車輛的影響，駕駛行為更加謹(jǐn)慎，并且該類駕駛員對(duì)橋梁振動(dòng)的應(yīng)對(duì)能力更強(qiáng).總體而言，橋梁振動(dòng)的警示效果產(chǎn)生的正面效應(yīng)大于干擾效果產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng).對(duì)于經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的駕駛員，雖然可能也察覺到了車輛行駛的異常，但當(dāng)側(cè)風(fēng)與橋梁振動(dòng)共同作用時(shí)，其對(duì)車輛的控制能力不足，導(dǎo)致橫向偏移最大值大于無(wú)振動(dòng)情況.總體而言，橋梁振動(dòng)的干擾效果產(chǎn)生的負(fù)面效應(yīng)大于警示效果產(chǎn)生的正面效應(yīng).這也是本研究的一項(xiàng)重要發(fā)現(xiàn).

3.4 車輛橫向偏移危險(xiǎn)狀態(tài)分析

實(shí)驗(yàn)中行車道寬度為3.75 m，卡車寬度為2 m，當(dāng)車輛中心與車道中心線重合時(shí)，車輛邊緣與車道邊線的距離為0.825 m.若車輛偏離原車道，則可能與護(hù)欄或相鄰車道內(nèi)的車輛或護(hù)欄發(fā)生碰撞，造成交通事故.因此本研究中將車輛橫向偏移大于0.825 m定義為危險(xiǎn)狀態(tài).統(tǒng)計(jì)各外力作用情況下車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間平均值，繪制折線圖如圖6所示.A組駕駛員的危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間平均值小于B組，說(shuō)明經(jīng)驗(yàn)豐富駕駛員的操控能力和駕駛安全性更高.車輛處于危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間隨風(fēng)速增大而增大.在風(fēng)速為60 km·h-1的情況下，B組駕駛員超過(guò)1/3的時(shí)間都處于危險(xiǎn)狀態(tài)，說(shuō)明該風(fēng)速和振動(dòng)對(duì)行車安全極為不利，應(yīng)采取車輛限速、設(shè)置風(fēng)障等措施保障安全.

圖6 危險(xiǎn)狀態(tài)累計(jì)時(shí)間對(duì)比

振動(dòng)作用下，A組駕駛員處于危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間比無(wú)振動(dòng)僅有側(cè)風(fēng)的情況少，從另一個(gè)角度再次說(shuō)明對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員，持續(xù)的振動(dòng)使其對(duì)可能發(fā)生的危險(xiǎn)狀況保持更高的警惕性，對(duì)行車安全是有利的.B組駕駛員在振動(dòng)作用下處于危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間比無(wú)振動(dòng)情況有所增加，說(shuō)明橋梁振動(dòng)作用對(duì)行車安全不利.

總體而言，在同樣的行車條件下，經(jīng)驗(yàn)欠缺的駕駛員的橫向偏移最大值更大，處于危險(xiǎn)狀態(tài)的累計(jì)時(shí)間更長(zhǎng)，行車安全性更低.因此在橋梁設(shè)計(jì)、運(yùn)營(yíng)管理、車輛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)以能保障經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的駕駛員的行車安全為標(biāo)準(zhǔn).

3.5 偏航角速度分析

以風(fēng)速為50 km·h-1有無(wú)振動(dòng)兩種情況為例，繪制兩組駕駛員的偏航角速度變化曲線，如圖7所示.偏航角速度隨時(shí)間的變化可以分為兩個(gè)階段.第一個(gè)階段，在橫向干擾作用初期，車輛偏航角朝側(cè)風(fēng)作用方向增大，此時(shí)駕駛員處于感知判斷階段，偏航角在外力的作用下達(dá)到第一個(gè)峰值.在第二個(gè)階段，駕駛員開始對(duì)側(cè)風(fēng)影響進(jìn)行操作反應(yīng)，反打方向盤使車輛朝著側(cè)風(fēng)作用的反方向偏轉(zhuǎn)，但由于操縱急促導(dǎo)致車輛偏航角反向增大達(dá)到第二個(gè)峰值，之后在不斷的修正操作中，車輛偏航角呈現(xiàn)波動(dòng)變化.

a 無(wú)振動(dòng)

b 持續(xù)振動(dòng)

圖7 偏航角速度變化過(guò)程

Fig.7 Yaw speed changing process

是否考慮振動(dòng)作用的差異主要體現(xiàn)在外力作用后期，由圖7可知，側(cè)風(fēng)開始作用4 s至作用結(jié)束的時(shí)期內(nèi)，車輛受到持續(xù)振動(dòng)的情況下，偏航角速度的波動(dòng)比無(wú)振動(dòng)情況更為劇烈.通過(guò)方差分析可知，持續(xù)振動(dòng)和無(wú)振動(dòng)情況下方差的平均值分別為0.21和0.27(°·s-1)2，驗(yàn)證了以上現(xiàn)象.說(shuō)明車-橋耦合作用會(huì)增大駕駛員控制偏航角變化的難度，對(duì)行車穩(wěn)定性不利，在研究中應(yīng)予以重視.本研究較以往關(guān)于大跨橋梁側(cè)風(fēng)作用下的駕駛模擬研究而言，可考慮風(fēng)-車-橋耦合作用下的橋梁振動(dòng)，更加精細(xì)化地分析橋梁環(huán)境交通運(yùn)行安全.

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 根據(jù)風(fēng)-車-橋耦合作用理論，計(jì)算了三種風(fēng)速下橋梁振動(dòng)對(duì)車輛的作用.并基于風(fēng)-車-橋耦合計(jì)算結(jié)果，建立了同時(shí)考慮側(cè)風(fēng)作用與橋梁振動(dòng)作用的駕駛模擬場(chǎng)景.

(2) 通過(guò)駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)車輛橫向偏移、偏航角速度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)橋梁持續(xù)振動(dòng)對(duì)所有駕駛員都會(huì)產(chǎn)生干擾作用，對(duì)經(jīng)驗(yàn)欠缺駕駛員干擾作用較大，但對(duì)部分經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員而言警示作用大于干擾作用.總體而言，橋梁振動(dòng)對(duì)經(jīng)驗(yàn)相對(duì)欠缺的駕駛員不利，對(duì)經(jīng)驗(yàn)豐富的駕駛員反而有利.振動(dòng)還會(huì)導(dǎo)致側(cè)風(fēng)作用后期偏航角速度的波動(dòng)更劇烈.

(3) 本研究提出了基于駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，針對(duì)風(fēng)-車-橋耦合作用下大跨橋梁上的行車安全問(wèn)題的研究方法.總結(jié)了橋梁振動(dòng)及突遇側(cè)風(fēng)對(duì)車輛行駛影響的規(guī)律，可為橋梁運(yùn)營(yíng)管理、車輛預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)等提供參考.本研究?jī)H針對(duì)車輛運(yùn)行狀態(tài)，下一步將考慮主梁模態(tài)變形對(duì)駕駛行為的干擾和錯(cuò)覺影響，針對(duì)駕駛員行為進(jìn)行深入研究，并建立側(cè)風(fēng)影響下的橋梁駕駛環(huán)境駕駛員行為模型，可為風(fēng)-車-橋耦合作用下的交通安全分析與評(píng)價(jià)提供基礎(chǔ).