基于失控车辆速度计算的避险车道设计

山西交通科技山。交通科技

收稿日期：2019－02－12；修回日期：2019－02－18作者简介：张波（１９８６—），男，山西晋城人，工程师，工学硕士，２０１２年毕业于长安大学交通运输规划与管理专业

。第1期(总第256期)山西交通科技No．12019年2月SHANXISCIENCE＆TECHNOLOGYofCOMMUNICATIONSFeb.

基于失控车辆速度计算的避险车道设计

摘要：介绍了一种车辆失控位置的判定方法，并且通过对失控车辆行驶过程以及受力情况

分析，对失控车辆速度进行计算，提出避险车道设计参数的定量计算方法，并分析了避险车道

识别视距、消能防撞设施与失控车辆速度的关系。关键词：避险车道；速度计算；失控车辆；设计

中图分类号：U491.223文献标识码：A文章编号：1006-3528（2018）01-0070-04张波

（山西省交通科学研究院，山西太原０３０００６

）交通工程

避险车道是在公路主线外侧设置，供失控车辆

驶离主线安全减速的专用车道。目前针对避险车道

设计尚无专用规范，设计人员主要基于工程经验进

行设计，对避险车道设计参数没有定量计算方法。这

导致在避险车道设计中出现了一些问题，比如：避险

车道长度不足，导致失控车辆冲出避险车道；避险车

道纵坡过大，与公路主线交角过大；避险车道制动段

缺乏足够长度的引导等。本文通过对失控车辆行驶

过程以及受力情况分析，对失控车辆速度进行了计

算。在此基础上，提出了避险车道主要设计参数的定

量计算方法。

1车辆失控位置判定方法

避险车道设置的目的是截停失控车辆，为失控

车辆提供自救机会，避免造成更大的人员伤亡及财

产损失。因此避险车道应选择设置在能最大限度截

停失控车辆的位置。

因此，避险车道设置之前需要首先明确车辆失

控的位置。对于已运营公路，可以通过事故调查确定

车辆失控位置。对于新建公路则需要通过实验研究

确定。１９８９年美国联邦公路局提出了坡度严重率分级法，该研究发现车辆下坡时，制动器超过一定温度

限制（２６０℃）时，容易发生制动失效的情况，将此时

的位置定义为车辆失控位置。

近些年来，针对我国的车辆与公路情况，相关单

位展开了一系列研究，制定了制动器温度模型，来预

测货车制动器容易失效的位置；例如某一模型选用

车型为５５ｔ的大货车，该车型在正常下坡速度

６０ｋｍ／ｈ、制动器温度超过２６０℃时的位置为车辆失

控位置。该模型为：

Tz＝１．０１×Tq＋０．０７l＋２８８３．３４i－１１６．５１［１］，

模型中：Tz为车辆下坡时某位置的刹车片计算温

度，℃；Tq为车辆刹车片初始温度，℃，取坡顶位置

１３０℃；l为路段的长度，ｍ；i为路段的下坡坡度，％。

2失控车辆行驶过程分析

车辆失控位置为避险车道设置的理论位置，但

在实际情况中，避险车道实际位置要根据主线线形

及构筑物情况、周边地形、工程造价予以调整，从车

辆失控位置到避险车道实际位置之间的距离为调整

范围长度［１］。

图1失控车辆行驶速度变化示意图2019年第1期

车辆在失控位置的速度为v０；制动器失效后，在

重力作用下，车辆加速进入避险车道引道，此时速度

为v１；车辆经过避险车道引道到达避险车道制动段

时的速度为v２，在重力与滚动阻力作用下，最终车辆

减速停止，其变化过程如图１所示。

3车辆速度计算

通过车辆在坡道上的受力分析，计算车辆在制

动器失控下的速度。忽略空气阻力的影响，失控车辆

在上坡路段的受力如图２所示，失控车辆在下坡路

段的受力如图３所示。图中，G为车辆受到的重力，

FN为路面反作用力，Fk为滚动阻力，θ为坡道倾角。

图2失控车辆在上坡路段的受力示意图

图3失控车辆在下坡路段的受力示意图对失控车辆进行受力分析，根据牛顿第二定律，

得到式（１）：

Fk＋Gｓｉｎθ＝－ma，（１）

结合摩擦力公式，得到式（２）：

a＝－gｓｉｎθ－gkｃｏｓθ.（２）

由于θ较小，ｓｉｎθ≈ｔａｎθ≈i，ｃｏｓθ≈１。式（２）简化

后得到失控车辆在上坡路段加速度计算式（３）：

a＝－g（i＋k），（３）

同理可得到失控车辆在下坡路段的加速度计算

式（４）：

a＝g（i－k），（４）

式（１）～式（４）中：Fk为滚动阻力，Ｎ；G为重力，Ｎ；m

为质量，ｋｇ；a为车辆加速度，ｍ／ｓ２；k为滚动阻力系

数；i为车道纵坡绝对值；θ为车道坡度角；g为重力

加速度，取值为９．８ｍ／ｓ２。

根据牛顿运动定律，得到式（５）：

V２z－V２c３．６２＝２aLｃｏｓθ．（５）

由于θ较小，ｃｏｓθ≈１，分别将式（３）、式（４）代入后可得到车辆在上坡路段初始速度与终止速度的关

系式（６），下坡路段初始速度与终止速度的关系式

（７）。

V２z－V２c＝－２５４L（i＋k），（６）

V２z－V２c＝２５４L（i－k），（７）

式（５）～式（７）中：Vz为某一路段车辆终止速度，

ｋｍ／ｈ；Vc为某一路段车辆初始速度，ｋｍ／ｈ；a为车辆

加速度，ｍ／ｓ２；L为坡道水平投影长，ｍ；θ为车道坡度

角；k为滚动阻力系数；i为车道纵坡绝对值。

4避险车道设计分析

4.1引道设计

引道连接着主线与避险车道，可以给失控车辆

驾驶员提供足够的反应时间驶入制动坡床，同时避

免制动坡床上的石子飞溅到主线行车道上。

引道分为渐变段与引入段两部分。渐变段长度

受避险车道与主线夹角及避险车道横断面宽度的影

响。失控车辆由主线驶入引道渐变段时，需要转向。

为方便失控车辆进入避险车道，避免因车速过快导

致车辆转向时发生侧翻，避险车道与主线夹角不宜

过大，以３°￣５°为宜，最大不能超过１５°。

为保证失控车辆能顺利驶入避险车道，引道和

制动段的平面线形应为直线。竖曲线一般设置在引

道的引入段，避免设置在制动段。因为失控车辆行驶

速度快，在竖曲线上将受到较大的向心力，同时在制

动段上滚动阻力较大，车辆将受到很大的合力。若超

出车辆承受范围，将给司乘人员带来危险。

图4避险车道平面与纵断面示意图引入段长度主要受引道与制动段竖曲线的影

响。一般情况下，引道与制动段为反向坡，坡差较大，

并且失控车辆行驶速度较高，若要保证竖曲线半径

满足视距要求，则引入段长度过长，实际地形条件下

难以满足。为保证驾驶员进入制动段前有一定的准

备时间，建议引入段长度以保证驾驶员３ｓ准备时

间为宜。竖曲线半径在引入段长度范围内合理选取

。张波：基于失控车辆速度计算的避险车道设计·71·山西交通科技2019年第1期

由上述分析可知，通过计算车辆到达避险车道

引道时的速度可以确定引入段长度。

4.2制动段设计

制动段长度主要受失控车辆进入制动段时的速

度、制动段纵坡以及制动坡床材料的影响。

制动段设计时选择合适的制动坡床材料最为关

键。良好的制动坡床材料具有较高的滚动阻尼系数，

可以使车辆更容易陷入，帮助失控车辆尽快停下来；

同时失控车辆停下来后，不会因为制动段纵坡原因

在自重作用产生滑动。这都有助于缩短制动段长度。

制动段纵坡值取值一般为１０％￣２０％。表１为轮胎与

不同材料之间的滚动阻力系数。表1轮胎与不同材料之间的滚动阻力系数[2]

对车辆在上坡路段处于静止状态下进行受力分

析，如图５所示。图中，G为车辆受到的重力，FＮ为

路面反作用力，Fｋ为滚动阻力，θ为坡道倾角。

图5车辆在制动段的处于静止状态下受力示意图经过分析可知，车辆处于静止状态下的条件为：

Fk＝Gｓｉｎθ．（８）

由于θ较小，，结合摩擦力公式简化后，可得到

制动段最大纵坡取值为：

i≤bk，（９）

式（８）、式（９）中：Fk为滚动阻力，Ｎ；G为重力，Ｎ；k

为滚动阻力系数；i为车道纵坡绝对值；θ为车道坡

度角；b为安全系数，取值为０．８。

由上述分析可知，制动坡床材料的滚动阻力系

数决定了制动段纵坡最大值，以坡床材料豆砾石为

例，豆砾石滚动阻力系数为０．２５０，其制动段纵坡最

大值为２０％。在确定制动坡床材料及制动段纵坡的

情况下，通过计算车辆到达避险车道制动段时的初

始速度与终止速度可以确定制动段长度。

4.3横断面设计

避险车道横断面主要由路侧防护设施、制动段

坡床、服务车道组成。

路侧防护设施设置在避险车道两侧，起到避免

失控车辆翻出避险车道以及导向的作用。路侧防护设施可采用波形梁护栏、混凝土护栏或防撞墙。制动

坡床是避险车道的核心组成部分，其宽度不小于

４．５ｍ，条件具备时应尽量提供更大的宽度。服务车

道用于救援或养护车辆使用，为满足起重机械固定

的需要，服务车道的宽度宜为５．５ｍ。在多数情况

下，受到地形条件限制，避险车道横断面所需宽度往

往无法满足，此时可再适当缩减服务车道的宽度。

5避险车道识别视距

车辆制动失效时，驾驶人心理处于极度恐慌状

态，避险车道较好的视认性有利于驾驶人及时做出

进入避险车道的决定，并操纵车辆顺利进入避险车

道。

避险车道入口之前宜采用不小于表２规定的识

别视距。条件受限时识别视距应大于１．２５倍的主线

停车视距。通过计算车辆到达避险车道入口处的速

度，可以对避险车道入口位置进行识别视距验证。表2避险车道入口的识别视距[3]

注：括号中为行车环境复杂、路侧出口提示信息较多时采取的视距值。

6防撞消能设施

避险车道末端应设置防撞桶、废轮胎等缓冲装

置或设施，以达到防撞消能、避免失控车辆冲出避险

车道的目的。但是为节约工程造价，通过设置消能设

施来减小制定坡床长度的方法不可取。原因是当车

辆以较高速度发生撞击时，巨大的水平加速度会转

化为垂直加速度；并且前轮制动后，加速度并未传递

到后轮，货厢仍然以较高速度向前运动，这些情况都

会给司乘人员带来生命危险。

当由于地形原因导致制动段长度确实无法满足

要求时，应对失控车辆与防撞消能设施发生撞击时

的速度进行计算分析，保证撞击时的速度不超过

４０ｋｍ／ｈ［４］。

7实例分析

以某省道设置避险车道为例，对货车代表车型

进行理论模型分析，路段下坡纵坡为３％，货车正常

下坡速度为６０ｋｍ／ｈ，车辆失控位置为Ｋ３８＋３２０处。

由于该处为桥梁段，不具备设置避险车道的条件，避

险车道调整位置后，设置于Ｋ３９＋５００处。结合现场

地形，避险车道与省道主线夹角选取为５°，避险车

道横断面组成为０．５ｍ设施带＋４．５ｍ制动坡床＋

３．５ｍ服务车道＋０．５ｍ设施带＝９ｍ。主线路面为沥材料水泥混凝土路面沥青混凝土路面松散的碎石滚动阻力系数材料滚动阻力系数0.010松散的砂砾0.1000.012中粗砂0.1500.070豆砾石0.250设计速度/km·h-1120100识别视距/m设计速度/km·h-1识别视距/m350（460）80230（300）290（380）60170（240）·72·