公铁同层桥梁防眩设施及防眩效果研究

Research on Effectiveness of Anti-Glare Facilities for Road-Rail Same-Story Bridges

摘要

以某公铁同层桥梁为背景，以道路失能眩光造成的阈值增量为评价指标，基于DIALux光学仿真分析软件，结合现场试验进行公铁同层桥梁防眩设施研究，并从屏障结构和列车光源2个层面开展影响屏障防眩效果的参数分析。结果表明：屏障高度和遮光角需大于某一阈值才能满足防眩要求，本案例为3.0 m和12°；当屏障开孔率较大或者光源灯柱角度和光通量较大时，需要进一步校核眩光指标，以免其漏光严重；灯柱角度和屏障材料基本不影响眩光水平；影响眩光水平的主要因素为屏障高度、遮光角和列车灯光通量。

Abstract

Taking a road-rail same-story bridge as the background, this paper carries out the optical simulation analysis based on DIALux by making the threshold increment of road disability glare as the glare evaluation index, then the anti-glare research on the anti-glare facilities is operated combined with field tests. Furthermore, parameter analysis is done to research the influence factors of anti-glare effect through barrier's structural design and train front light. Results show that the barrier height and shielding angle need to be greater than a certain threshold in order to meet the anti-glare requirements, in this case, they are 3.0 m and 12°. When the aperture ratio of the barrier increases or the beam angle and luminous flux of the luminaire are larger, the glare indicator needs to be further calibrated to avoid serious light leakage. The beam angle of the luminaire and the type of barrier material have essentially no effect on the level of glare. Main factors influencing glare level are barrier height、 shielding angle and train front light's luminous flux.

Graphical abstract

关键词

公铁同层桥梁 / 防眩屏障 / 道路失能眩光阈值增量 / 光通量 / 防眩效果 / DIALux仿真

Key words

Road-rail same-story bridges / Anti-glare barriers / Threshold increment of road disability glare / Luminous flux / Anti-glare effect / DIALux simulation

公铁两用大桥因其经济性和环保性的优势，成为跨江、跨海通道的常用解决方案。公铁两用大桥能够实现空间的最大化利用并且节约建筑资源，实现与环境的友好相处。

在公铁同层桥梁运营中，由于特殊的桥面布置，铁路列车对邻近公路的影响包含气流、眩光和噪声问题^［1］。Friedland^［2］研究发现，夜间的眩光会降低人眼的视敏度并引起不适或疼痛，这种视觉能力的下降构成了驾驶员失误和潜在的道路安全隐患。田雨等^［3］通过对某实际公铁同层桥梁工程进行各风险因素的评估，得出列车运行时造成的眩光需要严格控制。因此，在公铁同层桥梁路段应控制铁路眩光，设置防眩板、防眩网、风屏障及防眩植物等。

Hu等^［4］基于前照灯眩光的主观评价标尺，在暗房测试了与汽车前照灯在不同纵向距离、横向距离和垂直距离的被测驾驶员眼睛处的照度值。在暗房或其他眩光测试手段^［5］以外的道路眩光水平和防眩设施效果的解析计算方面，Patricia Alcón Gil^［6］根据地理信息系统进行前方前照灯与司机视线的遮挡分析，考虑前照灯灯束扩散角和动态运行过程，提出了一种评估汽车前照灯眩光对驾驶员造成潜在危害的流程。耿靓靓等^［7］基于数学计算方法，根据植物类别、车型和曲线半径等，改进了防眩植物间距计算方法，修正了弯道处防眩角的计算公式。许阳等^［8］基于AutoCAD将公铁并行或交叉线路二维图纸数据整合为三维可视化数据，考虑列车灯和机动车驾驶员视线的空间关系，对整个线路列车眩光进行了模拟与评价。在仿真分析层面，傅翼等^［9］、雷鸣等^［10］基于光学仿真软件对桥隧夜间照明设计进行定量模拟，得出眩光的影响范围。陈艾荣等^［11］基于失能型眩光原理，提出了基于三维空间关系模型和DIALux光学仿真软件的失能眩光分析流程，并以国内某斜拉桥下层公铁同层布置为例进行了眩光分析。

目前，设计人员对于眩光的认识还不够深入。眩光水平和防眩设施的分析多从数学计算入手，在仿真分析层面却鲜有对公铁同层桥梁眩光进行研究的实例。对于防眩设施，国内规范中一般给出的是其总体构造要求，并没有基于仿真结果对防眩设施的遮光角、高度、开孔率等参数给予设计指导。对于防眩效果的影响因素，规范中也未有指明。

鉴于此，本文以某公铁同层桥梁实例为背景，建立桥梁-光场-防眩设施仿真分析模型，评价防眩设施的防眩效果，并从防眩设施结构设计参数和列车前照灯光学参数入手，研究防眩效果的主要影响因素。

1 工程概况

某跨江桥梁是1座集高速铁路、城市快速路、城市主干道3种交通方式于一体的公铁合建斜拉桥。其中，下层双线高速铁路的设计时速为350 km，此外还有双向4车道城市主干道。桥梁横截面如图1所示。

为严格控制此公铁同层桥梁列车前照灯对汽车司机的眩光影响，选择在铁路侧（图1中蓝色立柱）设置集防眩、降噪及挡风为一体的多功能隔离屏障（以下简称“屏障”）。

屏障原方案如图2所示，由底部3块声屏障板+顶部2块防眩单元板堆叠而成。其中，为了达到防风要求，防眩板内外板开条形孔，综合开孔率40%，竖板遮光角为8°，采用镀锌铝板。为了美观要求，屏障高度应尽量低，原方案中的屏障高度为2.8 m，即从桥面起算的总高度，包含3块声屏障板和2块防眩单元板。

2 防眩评价

选择SketchUp三维建模软件建立桥梁几何模型，采用DIALux光学仿真软件进行眩光分析。由于桥梁结构及桥面布置对称，选取图1中红色方框所示范围进行静态^［12］眩光计算分析。

2.1　建模

考虑到距列车灯越远，防眩屏障的遮蔽效果越好，经对比计算，确定建立125 m长的屏障模型。为使路灯灯光均匀分布，屏障两端主梁各延长37.5 m。在200 m范围内布置桥上照明用路灯。桥梁主桁架对公路侧防眩有利，为保守起见，只建立上下层桥面板。

依据项目给定的灯具功率、色温、光照效率等参数选取路灯以及列车前照灯。灯具在主梁横截面图中布置位置如图1所示。选取的列车前照灯配光曲线如图3所示。软件中单个灯具光通量设置为7 000 lm，采用双灯式布置，总光通量为14 000 lm。

将图1中黄色矩形范围的司机视域定为考察点，内、外侧车道横向距列车灯中轴线分别约为11.05和14.55 m。模型中分别在2个车道距离列车前照灯纵桥向12.5，25，37.5，50，75，100和125 m共7处布置考察点。DIALux防眩分析模型如图4所示。

2.2　失能眩光评价标准

根据规范^［13］，列车前照灯对机动车驾驶员产生的失能眩光阈值增量T_i值可用下式计算。

T_{\mathrm{i}}=\frac{k}{L^{\alpha }}\sum \frac{E_{\mathrm{e}\mathrm{y}\mathrm{e}}}{{\theta }^{\mathrm{2}}}（1）

式中：T_i为城市道路的非照明设施对机动车驾驶员产生的失能眩光阈值增量；L为机动车道路面平均亮度，cd · m^-2；k为常数，当0.05 cd · m^-2<L<5 cd · m^-2，取650；当L≥5 cd · m^-2时，取950；\alpha为常数，当0.05 cd · m^-2<L<5 cd · m^-2，取0.8；当L≥5 cd · m^-2时，取1.05；E_{\mathrm{e}\mathrm{y}\mathrm{e}}为某一待测照明装置在与假定视线方向正交的平面上观测点位置处产生的照度（初始值），lx；\theta为各待测照明装置与观测点连线和假定视线之间的夹角，（°）\mathrm{。}

当司机视域处T_i小于10%时，认定屏障防眩效果良好。

2.3　光源模型试验验证

由于列车灯为主要眩光源，其光源模型的合理性十分重要，故需要对列车灯具的合理性进行验证。

在成渝铁路路旁和站台上进行灯光测试，测点布置如图5所示。其中，测点1位于站台上；测点2位于铁路栅栏外；测点3为规范^［14］规定车灯基准轴上200 m处，其照度需要达到7.6 lx。

图6为模拟所得各测点的照度云图，表1为光源测试结果对比。

根据对比结果，灯具仿真结果与实测结果相差最大为8.88 %，最小1.32%，可以认为所选用的灯具是合理的，可以开展后续仿真计算。

3 防眩设施结构设计参数

3.1　原方案评价

首先对原方案（屏障高度2.8 m）的防眩效果进行验算。开启路灯和列车前照灯，道路面亮度伪色图如图7所示，路面平均亮度约1.26 cd · m^-2。

按照式（1）分别计算路灯和列车前照灯造成的失能眩光阈值增量。计算路灯时，仅开启路灯；计算列车前照灯时，仅开启车灯。将二者的失能眩光阈值增量结果叠加，可得到最终失能眩光总阈值增量，结果见表2。

参考文献［11］图6（a）中桥例的桥面车道至列车道横向距离与本文相近，因此测点布置相近，进而将文献［11］中结果与本文表2外侧车道相同纵向距离处（相似测点处）结果也列于表2中进行对比，二者T_i存在一定差异。分析其原因，可能是二者所采用的列车光源模型不同，但计算出的T_i误差均在合理范围内，说明本文计算结果准确可信。根据上述结果，当距离大于75 m时，外侧车道处的失能眩光阈值增量超过限值，表明原方案不满足防眩要求。因此，下文将从屏障结构设计和列车前照灯光学参数2方面进行研究。

3.2　屏障高度

屏障高度过低时，失能眩光阈值增量会超过限值。选取2.9，3.0和3.1 m共3种屏障高度进行计算。外侧车道全路段失能眩光阈值增量计算结果如图8所示。

由图8可见：在屏障高度为2.9 m时，外侧车道失能眩光阈值增量超过了限值，其原因是未能遮蔽列车灯光；随着距车灯距离越远，T_i逐渐增大，最大值出现在125 m处，为38.6%；当屏障高度为3.0 m时，防眩板顶部边缘正好遮蔽列车灯光；当屏障高度为3.1 m时，防眩板将直射司机人眼的列车灯光完全遮蔽；当屏障高度≥3.0 m时，失能眩光阈值增量均在规定限值10%以内。

因此，在后文的分析中，均取屏障高度为3.0 m。

3.3　防眩板遮光角

遮光角为防眩板设计较为重要的参数，可以简单理解为其沿线路方向排列的疏密程度。计算中，去掉内外面板和型钢立柱，以排除二者的影响。图9给出了遮光角分别为2°，4°，8°和12°时，内、外车道失能眩光阈值增量计算结果。

由图9可见：失能眩光阈值增量峰值与遮光角成反比；内、侧车道失能眩光阈值增量峰值一般较外侧车道峰值出现的位置更近，且内侧车道峰值普遍大于外侧车道，二者分别为94.1%和41.4%；当遮光角≥12°时，失能眩光阈值增量小于10%。

规范规定^［15］，直线路段防眩板的遮光角不小于8°，平、竖曲线路段为8°~15°。因此，根据实际情况的不同，该阈值也可能发生变化，需要具体分析。

3.4　防眩板开孔率

在保证屏障高度和遮光角符合要求的前提下，研究开孔率对眩光水平的影响。

经计算，不同开孔率下，失能眩光阈值增量均在10%限值以内。尽管满足要求，但列车灯光透过防眩板缝隙到达车道的现象仍存在。以下通过车道伪色图研究开孔率对漏光现象的影响。

为直观观察光线的传播规律，将车灯光通量增至28 000 lm，灯柱角度为20°；屏障全部置换成防眩单元板，遮光角为12°。图10给出了开孔率分别为40%，60%，80%和100%时内侧车道的伪色图。

在屏障高度、遮光角满足要求的前提下，失能眩光阈值增量一般不会由于开孔率变化而超过限值。但由图10可知，其漏光现象依然存在，严重程度与开孔率成正比，同时路面平均照度也在逐渐增大。4种开孔率下，路面平均照度分别为0.69，0.86，1.09和1.43 lx。考虑到此种现象，当遮光角较小但满足构造要求时，也需要注意漏光的程度，并再次验证是否会产生过大的眩光效应。

3.5　屏障材料

通过反射系数模拟不同屏障材料，其中，金属镀锌板的反射系数取75%，PVC板取60%。2种屏障材料下的内侧车道失能眩光阈值增量如图11所示。

由图11可知，反射系数高的材料会因光反射增强而使失能眩光阈值增量略大。一般来说，防眩板若采用常规材料（金属镀锌板、PVC板等），失能眩光阈值增量的相对偏差约为10%，影响并不大，可以忽略。

4 列车前照灯光学参数对防眩设施防眩效果影响

4.1　灯柱角度和光通量对阈值增量的影响

为研究不同参数列车灯在桥上空间的分布规律和造成的眩光水平，删除防眩屏障和路灯，仅保留上、下层桥面板和列车灯，计算外侧车道的失能眩光阈值增量。

本节主要考虑灯柱角度和光通量的影响。灯柱角度选8°，12°，16°和20°，光通量选7 000，14 000和28 000 lm，二者组合后共有12个工况。由于不同光通量下的结果较接近，下面仅给出14 000 lm的计算结果，见图12和表3。

从图12和表3可以看出如下几点。

（1）在本文考察的距离范围内，失能眩光阈值增量与车灯距离、光通量成正比，与灯柱角度成反比。

（2）同一位置处的失能眩光阈值增量与光通量基本呈线性关系，即光通量增加一倍，对应位置的失能眩光阈值增量也增大一倍。

（3）灯柱角度的变化对于失能眩光阈值增量的影响主要体现在距车灯较远处。以125 m为例，光通量为14 000 lm、灯柱角度为8°时，失能眩光阈值增量为74.79%；灯柱角度为20°时，则为17.34%。若距离减小为25 m，光通量为14 000 lm、灯柱角度为8°时，失能眩光阈值增量为5.29%；灯柱角度为20°时，则为8.5%。

由于距离的增加，测点距眩光源空间角变小，当测点照度不变时，由式（1）计算得到的失能眩光阈值增量越大。失能眩光阈值增量与灯柱角度和光通量均有关。值得注意的是，在灯柱角度很小时，如工况1（灯柱角度8°）与工况12（灯柱角度20°），较小的光通量也将产生较大的失能眩光阈值增量。

4.2　灯柱角度对遮光角的影响

在模型中去除屏障内外板，只保留竖板，灯柱角度选8°，12°，16°和20°，遮光角选4°，8°和12°，二者组合后共有12个工况。光通量保持14 000 lm不变，不同遮光角和灯柱角度下的结果如图13所示。

由图13可知：失能眩光阈值增量与遮光角成反比，印证了前文的结论；遮光角越小，失能眩光阈值增量峰值出现的地方距车灯越远；遮光角为4°，8°和12°时，峰值分别出现在约75，50和25 m处，原因是遮光角越小，防眩板排列更稀疏，光源将在车道更远处造成眩光；不同灯柱角度和遮光角下的失能眩光阈值增量峰值不同；在灯柱角度变化时，均需要保证遮光角不小于12°，方能满足失能眩光阈值增量小于10%的要求。

4.3　灯柱角度对开孔率的影响

在模型中，屏障遮光角均取为12°，开孔率分别取为60%，80%和100%；灯柱角度选取8°和20°。依据文献［11］中的设置，光通量取为70 000 lm，共计6个工况。图14给出了6个工况下125 m计算范围内，内侧车道处的失能眩光阈值增量峰值。

由图14可见：灯柱角度为8°时，失能眩光阈值增量均在限值以内；当为20°时，尽管遮光角为12°，在不安装内外板时，内侧车道也会存在超限的情况，峰值为13.33%（开孔率100%，即仅设置竖板）。

开孔率较大或者不安装内外板时，若列车灯光通量较大，则距离屏障较近的内侧车道失能眩光阈值增量可能会超限。尽管防眩板设计可以存在部分遮光^［15］，但是在光通量和灯柱角度均较大的情况下，漏光现象会更加突出，因此可以考虑降低开孔率或者加大遮光角以解决该问题。

5 结论

（1）在防眩分析中，需要建立合理的灯光模型。

（2）失能眩光阈值增量与屏障高度和遮光角成反比，且屏障高度和遮光角存在防眩阈值。屏障高度一般对应于正好遮蔽通往司机人眼处光线的高度，本文案例中遮光角需要大于12°。

（3）失能眩光阈值增量和车灯距离成正比，且与光通量呈线性关系。光通量一致时，灯柱角度越小，在远处造成的失能眩光阈值增量越大。当灯柱角度和光通量较小时，远处的眩光效应也可能较大。

（4）灯柱角度和屏障材料基本不影响眩光水平。因此，影响眩光水平的主要因素为屏障高度、遮光角和列车灯光通量。

（5）当光通量或灯柱角度较大时，屏障开孔率需要降低或加装内外板，且遮光角也需增大，以免漏光严重。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(51978580)

国家自然科学基金资助项目(51778534)

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023G040)