随着我国经济的高速平稳发展,我国的公路建设也日新月异,但公路安全问题随之产生,为提高公路的安全性,在公路设计水平和施工水平方面我国十分重视,尤其在路侧护栏的安全设计水平方面。通过借鉴国外先进的设计方案和成功经验后,针对我国公路护栏安全存在的问题,找到多种安全合理的处理方法。并重点对吸能式护栏端头进行介绍和分析,提出确定其设计参数的方法和公式。
高速公路护栏的安装设置目的是防止车辆驶离路面,冲撞路侧障碍物或与其他车辆相撞。虽然高速公路设置的半刚性波形护栏发挥了重大作用,但是由于护栏端头设计和处理不合理也造成了许多事故,而且重大事故所占比例较大,根据我国公安部例年发布的交通事故白皮书,对2003年、2004年、2005年这3年的路侧事故进行统计,路侧事故大约占交通事故总数的8%,死亡人数却占了12%,路侧事故相对严重性比较高。美国每年约1/3的死亡事故是车辆与路侧碰撞的单车事故。针对这个问题,对护栏端头部分进行合理设计,减少交通事故,进而减少人民生命和财产损失,是亟待解决的一个问题。
1护栏端头的处理
护栏设置的起讫点均需要设置端头,并进行必要的端头处理,尤其是顺交通方向,即护栏的起始点端头,例如上跨桥桥墩迎车面的护栏端头和中央分隔带起点的护栏端头。设置端头和进行端头处理的目的主要是防止车辆与未经处理的护栏板相撞,导致护栏板刺穿车辆,所以护栏端头需要有以下几点要求:不会刺穿车辆,伤害车内乘客;有很好的吸能效果,能吸收碰撞车辆的大部分动能;能将碰撞车辆正确导向,避免发生二次事故;护栏端头结构应该和护栏具有较好的整体性,在外形和功能方面都要协调。高速公路的护栏端头处理主要有如下几种形式。
1.1单设基础类锚固端头
单设基础类锚固端头刚性很大,碰撞时候不会吸收能量,可能对车辆造成严重伤害。此类端头只适合用于基本不可能被撞到的地方,例如背交通方向的护栏端头等。
1.2地锚式端头
地锚式端头应该做成没有斜坡,在保持护栏相同高度的前提下将端头锚固在埋于土下的混凝土基础内,混凝土基础上覆土厚度要大于15cm。此类端头常常延伸到路边坡内,又称为隐藏端部端头,此类端头不宜做成斜下弯曲,锚固于地面的斜坡式地锚端头,因为这样容易使车辆发生跃起腾空而造成翻车的严重后果。美国德克萨斯州已经彻底禁止采用斜坡式地锚端头,而我国这种端头处理方式仍然被大量使用。
1.3吸能式护栏端头
吸能式护栏端头,此类端头在碰撞时,端头本身的结构会通过各种方式来吸收碰撞汽车的动能。此类护栏端头具有安全性高,场地限制小,安装方便等优点。通常采用的端头有以下几种。
1)开槽护栏板型护栏端头。开槽护栏板型护栏端头总长约8m,能解体为几跨可吸能的护栏。护栏板从端头开始沿长度方向均开有槽口,以削弱护栏截面。开槽护栏板在撞击下卷曲变形,吸收汽车动能,护栏立柱也将变形解体。这种端头处理不能提供侧撞保护,在大角度撞击下,车辆会穿过端头部分,不能被正确导向,所以此类护栏端头最好设置在有足够宽的路肩上,以抛物线型斜向展开安装。
2)挤压型护栏端头。挤压型护栏有一个钢制挡板头部,头部长1.4m,重量大约80kg,头部在碰撞时能防止护栏刺穿车辆,而本身也能将车辆的动能转化为自己的动能,再由塑性变形来吸收能量,在头部后有一个缩小的截面,可以挤压后面的波形护栏板。碰撞时端头吸能有2种形式,既能使护栏板挤压变形吸能,又能使其卷曲变形吸能。
3)外展吸能式护栏端头。外展吸能式护栏端头重量大概50kg,长度大概10m,是比较轻便的吸能式护栏端头。护栏端头部分设有倾斜的偏转板,在碰撞后能使波形护栏沿反方向卷曲变形。这种端头不同于其他的吸能式护栏端头,它不是利用自身的变形来吸收能量,而是利用卷曲与其相连的波形护栏板来吸收能量,端头在碰撞后会卷曲到护栏板以内,不会因碰撞变形进入车道范围内。
4)伸缩梁式吸能护栏端头。伸缩梁式吸能护栏端头是利用挤压梁内填充的玻璃纤维或者环氧聚合物来吸收能量,总长度约15m。端头的挡板距离固定梁端口约1.8m,此段距离为可伸缩部分长度,此类护栏端头应该在与路线平行的方向安装。在碰撞时,端头挡板和车辆一起压碎梁口处的固定装置,继续挤压梁内的填充物,梁内有2种不同刚度的填充物,在吸收较低能量碰撞时只有低刚度填充物被压缩,而在猛烈碰撞时候,高刚度填充物也将被压缩变形来吸收能量。这种护栏端头对于低速和高速碰撞都有较好的能量吸收和保护效果,适用范围较广。
5)吸能式护栏端头在碰撞时的能量吸收过程分析。车辆在与吸能式护栏端头的碰撞中,端头头部先吸收能量,转化为自身动能,再将自己和车辆的大部分动能转化为端头结构的变形。车辆在碰撞后会停下,或者以较低的速度被安全导向。碰撞过程可以用能量守恒定律,动量定理来分析,但是碰撞过程既不是完全弹性碰撞也不是完全塑性碰撞,所以需要引入回弹系数e。
e=v1′-v2′/v2-v1 (1)
式中:v1、v2为初始速度;v1′、v2′为碰撞后速度。
完全非弹性碰撞或完全塑性碰撞时e=0,完全弹性碰撞e=1。动能守恒定理只有在完全弹性碰撞时才成立,而动量定理总是成立的。回弹系数e的大小和碰撞车辆的速度相关,在速度大于25m/s时,e趋近于零,可以近似看成是完全塑性碰撞。碰撞重现的分析还需要应用能量守恒定律。
根据动量定理,利用式(2)可以求出碰撞后端头挡板和车辆的共同速度。
vc=vimv/mv+mh (2)
式中:vi为碰撞车辆初始速度;vc为碰撞后端头挡板和车辆的共同速度;mv为车辆的质量;mh为端头挡板的质量。
利用vc可以根据动能定理,由式(3)可以得到端头碰撞共同变形前的总动能
KEc =1/2Vc2(mv+mh) (3)
由能量守恒定律,碰撞变形前的总动能应该等于护栏吸收的能量Er 与车辆离开护栏时的动能KEd之和,由式(4)得到吸能式端头吸收能量Er 的大小。
Er=KEc-KEd = vi2mv2/2(mv+mh)- Ked (4)
Fa=Er/d (5)
式中:Fa为护栏端头平均阻力;d为设计碰撞变形距离。
根据设计碰撞车速、碰撞导向后车速以及护栏的质量和车辆的种类,应用公式(4)可以得到吸能式护栏端头设计要求的吸收能量。同时也可以根据设计碰撞变形距离,应用公式(5)求出护栏端头的平均设计阻力。由以上公式求出的设计吸收能量、平均设计阻力和碰撞变形距离都是吸能式护栏端头的重要设计参数。在吸能式护栏端头碰撞事故发生后,应用式(4)也可逆向求出碰撞车辆的行驶速度。在碰撞车速大于25m/s时,计算结果与实际情况基本相符。
1.4防撞垫
防撞垫是碰撞阻尼器,能吸收车辆碰撞障碍物时的冲击能量,减小碰撞过程中的最大加速度,保护车内乘员安全。防撞垫可以根据场地和锚固条件,安装在公路中央分隔带护栏的开口处, 高速公路三角区以及其它有碰撞危险的物体前方。
防撞垫根据吸能方式不同可分为两种,即压缩型和动能传递型。压缩型防撞垫通过本身的塑性变形或破碎来吸收能量,这种防撞垫需要刚性支座,例如REACT系列防撞垫。动能传递型防撞垫是将车辆的动能传递给一个消耗性物体上,例如填沙塑料筒,这种防撞垫不需要刚性支座,安装和养护成本也相对较低。
2结语
我国公路护栏端头的安全问题比较严重,本文提出了多种端头处理的方法,能有效解决这些问题。对护栏端头进行合理的设计,并对已建好的有安全隐患的护栏端头进行相应改造,能有效降低重大事故的发生概率,显著改善我国公路的安全性。
