基于主動安全機理的中央隔離護欄結構系統研究

嚴朝成,何文靜,李 京

(婁底職業技術學院,湖南 婁底 417000)

0 引言

中央隔離護欄是一項關鍵的交通安全設施,被廣泛應用于道路規劃及建設中,在道路的中央位置提供物理隔離,將來向交通與逆向交通有效分隔,確保了道路的有序運行,降低了交通事故的發生率,保障了行車人員及車輛安全。需進一步加強中央隔離護欄的設計及應用,構建安全、高效的道路交通系統。

中央分隔帶護欄種類繁多,不同類型的護欄在性能上有著非常大的差異。中央分隔帶護欄是設置于道路中央分隔帶內的護欄,目的是防止失控車輛穿越中央分隔帶闖入對向車道,保護中央分隔帶內的構造物及其他設施,按防撞等級劃分,中央分隔帶護欄有Am、Sm兩級。根據護欄被汽車碰撞后的變形大小與范圍分為以下3種[1]:①剛性護欄。一般由金屬材料制成,如鋼板、鋼管等,具有較高的強度及剛度,當汽車碰撞到剛性護欄時,護欄的變形范圍較小,能夠有效地將車輛引導回正確的行駛方向,減少交通事故的發生,主要適用于高速公路等高速道路。②緩沖式護欄。通常采用柔性材料制成,內部填充吸能材料,在汽車碰撞時能夠發生較大的變形,吸收碰撞能量并減緩車輛速度,從而降低事故傷害,主要應用于城市道路、小型道路等低速道路。③可變形護欄。這是一種特殊類型的護欄,能夠在汽車碰撞時發生較大的變形,保護車輛及人員的安全,通常由彈性材料制成,如橡膠或塑料,具有良好的回彈性能,在碰撞后能夠恢復為原始形狀,減輕事故對車輛及人員的傷害,常見于賽車場、越野運動場等需要提供更高安全性的場所。以上中央隔離護欄在不同的交通環境及道路需求下發揮著重要的作用,可保護行車安全,減少交通事故的發生。

1 設計原則

①物理隔離能力。中央隔離護欄的設計應確保具有足夠的高度及結構強度,能夠有效地物理隔離來向與逆向交通流,防止車輛橫穿中央分隔線,減少交通事故的發生。②材料選擇與強度。應考慮其耐腐蝕性、耐久性及強度,能夠承受各種氣候條件及交通沖擊,確保護欄長期有效。③能量吸收能力。應考慮能量吸收機制,即在碰撞時能夠部分吸收能量,減緩車輛的沖擊力,降低事故的嚴重程度。④方向引導功能。中央隔離護欄的形狀及設計應有助于引導失控車輛沿著特定方向移動,最小化碰撞對其他車輛及路面的影響,降低事故造成的損害。⑤防撞端設計。在護欄端部采用柔軟或可變形材料,減緩碰撞,減少對車輛及乘客的傷害。⑥可見性和反光性。考慮不同光照條件下的可見性,使其具有良好的反光性,提高夜間或惡劣天氣條件下的能見度,幫助駕駛員識別道路。⑦易于維護和修復。應易于維護和修復,包括簡單的維護需求,在受損時能夠迅速、經濟有效地進行修復或更換。⑧符合法規標準。所有設計原則及規格應符合相關道路安全法規及標準,確保其合規性及安全性。中央隔離護欄的具體設計條件如表1所示。

表1 中央分隔護欄設計條件Tab.1 Design conditions for central divider guardrail

2 具體設計

為保證交通安全,防止車輛和行人跨越道路或進入危險區域,需對中央隔離護欄系統的材料、結構、加工工藝、預防與防護手段進行設計。

2.1 材料選擇

材料選擇是關鍵,因為選用的材料直接影響護欄的強度、耐用性、抗腐蝕性及整體性能。表2是常見的中央隔離護欄材料,選擇材料時,需綜合考慮護欄的使用環境、預期的碰撞強度要求、成本等因素。為了提供最佳的防護性能,一些設計還會采用不同的材料組合,如在鋼鐵表面采用防腐涂層或鍍鋅處理。

表2 中央隔離護欄的材料選擇Tab.2 Material selection of central isolation guardrail

2.2 結構設計

中央隔離護欄按照開口程度的不同可以分為全封閉式中央隔離護欄、開孔式中央隔離護欄、部分開口式中央隔離護欄、可伸縮式中央隔離護欄。其中,帶有開口的中央隔離護欄可改善駕駛員的可見性,減輕護欄對景觀的遮擋,在一定程度上降低駕駛員的視覺疲勞,具有一定的安全性。趙英培[2]為方便車輛緊急通行,設計開口孔,將其安裝在中間移動護欄上,提高了防撞擊能力。開孔式中央隔離護欄的緩沖功能主要取決于部件在沖擊時吸收變形能量的能力。圖1為中央隔離護欄部件在沖擊期間的位移,波紋梁板移動最多,其次是縱向梁,支撐桿BFI的上套筒和下套筒的支撐件總體位移不明顯,可以看出,中央隔離護欄結構各部件具有更好的緩沖作用。

圖1 開口式中央隔離護欄部件碰撞位移距離Fig.1 Collision displacement distance of open central isolation guardrail components

2.3 加工工藝

從加工舒適性及主動安全性的角度入手,實現開放式中央隔離護欄的全生命周期保護,結合相關設計經驗,楊自華[3]研究了開放式中央隔離護欄的鉆孔工藝、焊接工藝、防腐措施等,探索了加工新標準及安裝工藝,以促進其在實際施工中的應用。加工過程如圖2所示,采用數控切割,在水平軌道、垂直支架和梁連接耦合裝置上鉆出螺紋孔,精確控制開口和間隙,確保順利均勻地進入孔中。焊接扶手需確保焊接質量及連接穩定。焊接前,焊接部件應進行表面處理,在焊接區域進行檢查,確保沒有裂紋及其他質量問題。金屬材料必須經過防腐處理,如熱浸鍍鋅或噴涂防腐涂料,鍍鋅時應注意孔洞,鍍鋅結構層表面應均勻、飽滿、顏色一致,不得有敲擊、脫落、過多結節、涂層不足、外鐵、劃痕等缺陷,以提高扶手的耐腐蝕性。

圖2 加工工藝Fig.2 Processing technic

2.4 抗碰撞性

當車輛與中央隔離護欄碰撞時,護欄支柱在沖擊力的作用下著陸,支架和車輪之間的混淆可能導致絆阻,干擾車輛路徑,導致碰撞時加速過快,嚴重威脅乘客安全。為了確保非受控車輛的安全,提高中央隔離護欄的連續性及保護能力,盧積健[4]等提出了新的中央隔離護欄結構,如圖3所示,其設計理念是在波紋梁上添加鋼筋混凝土,提高支架彎曲強度,從而避免支撐件的堵塞。車輛碰撞時,鋼筋混凝土下部結構可能會升高護欄與車輛之間的碰撞點,減少波紋板下方的空間,進一步提高抗碰撞性。上部波形圍欄通過自身變形吸收碰撞能量,抵抗車輛碰撞,為碰撞車輛提供緩沖。該中央隔離護欄消除了傳統的絆阻障礙,提高了抗碰撞性。

圖3 抗碰撞性設計Fig.3 Anti-collision design

2.5 連接方式

護欄之間的連接方式設計需確保兩者的平穩連接,維持整體結構的穩定性及安全性。常見的連接設計方式如下:①轉接連接。使用專門的轉接連接件相連接,提供平滑的過渡,確保沒有尖銳的邊緣或高差,減少潛在的碰撞風險。②榫卯連接。通過榫和卯的搭接來實現連接,通常用于木制或復合材料護欄系統。③插接連接。設計成可以插接在一起的結構,適用于一些塑料或金屬護欄系統。④螺栓連接。使用螺栓固定,簡單可靠,適用于金屬護欄系統,便于安裝及維護。⑤焊接連接。通過焊接建立牢固的結構,但拆卸或更換困難。武偉偉[5]提出了一種弧形鋼筋的縱向連接工藝,如圖4所示,嵌入欄桿內部鋼筋中的外部弧形鋼筋,交替向外延伸,使護欄突出弧形鋼筋交叉,插入鋼管可有效地連接相鄰的護欄。弧形鋼筋受到沖擊力時可通過連接模塊傳遞到其他混凝土護欄上,在碰撞過程中通過變形吸收一定的碰撞能量,即使鋼管傾斜,欄桿也可發生扭轉位移,對車輛無法控制的沖擊力產生一定的緩沖作用,大大減少碰撞造成的損傷。

圖4 弧形鋼筋的縱向連接工藝Fig.4 Longitudinal connection technology of curved steel bar

3 結束語

基于主動安全機理的中央隔離護欄結構系統設計可提高護欄系統的主動防護能力,減少交通事故的發生,減輕事故造成的傷害,為交通安全提供有效保障。設計時需考慮材料強度及穩定性、結構的合理性、加工工藝、抗碰撞性部件及護欄連接方式等,只有合理的設計及連接,才能確保其穩定性、可靠性及安全性。