基于主动安全机理的中央隔离护栏结构系统研究

严朝成,何文静,李 京

(娄底职业技术学院,湖南 娄底 417000)

0 引言

中央隔离护栏是一项关键的交通安全设施,被广泛应用于道路规划及建设中,在道路的中央位置提供物理隔离,将来向交通与逆向交通有效分隔,确保了道路的有序运行,降低了交通事故的发生率,保障了行车人员及车辆安全。需进一步加强中央隔离护栏的设计及应用,构建安全、高效的道路交通系统。

中央分隔带护栏种类繁多,不同类型的护栏在性能上有着非常大的差异。中央分隔带护栏是设置于道路中央分隔带内的护栏,目的是防止失控车辆穿越中央分隔带闯入对向车道,保护中央分隔带内的构造物及其他设施,按防撞等级划分,中央分隔带护栏有Am、Sm两级。根据护栏被汽车碰撞后的变形大小与范围分为以下3种[1]:①刚性护栏。一般由金属材料制成,如钢板、钢管等,具有较高的强度及刚度,当汽车碰撞到刚性护栏时,护栏的变形范围较小,能够有效地将车辆引导回正确的行驶方向,减少交通事故的发生,主要适用于高速公路等高速道路。②缓冲式护栏。通常采用柔性材料制成,内部填充吸能材料,在汽车碰撞时能够发生较大的变形,吸收碰撞能量并减缓车辆速度,从而降低事故伤害,主要应用于城市道路、小型道路等低速道路。③可变形护栏。这是一种特殊类型的护栏,能够在汽车碰撞时发生较大的变形,保护车辆及人员的安全,通常由弹性材料制成,如橡胶或塑料,具有良好的回弹性能,在碰撞后能够恢复为原始形状,减轻事故对车辆及人员的伤害,常见于赛车场、越野运动场等需要提供更高安全性的场所。以上中央隔离护栏在不同的交通环境及道路需求下发挥着重要的作用,可保护行车安全,减少交通事故的发生。

1 设计原则

①物理隔离能力。中央隔离护栏的设计应确保具有足够的高度及结构强度,能够有效地物理隔离来向与逆向交通流,防止车辆横穿中央分隔线,减少交通事故的发生。②材料选择与强度。应考虑其耐腐蚀性、耐久性及强度,能够承受各种气候条件及交通冲击,确保护栏长期有效。③能量吸收能力。应考虑能量吸收机制,即在碰撞时能够部分吸收能量,减缓车辆的冲击力,降低事故的严重程度。④方向引导功能。中央隔离护栏的形状及设计应有助于引导失控车辆沿着特定方向移动,最小化碰撞对其他车辆及路面的影响,降低事故造成的损害。⑤防撞端设计。在护栏端部采用柔软或可变形材料,减缓碰撞,减少对车辆及乘客的伤害。⑥可见性和反光性。考虑不同光照条件下的可见性,使其具有良好的反光性,提高夜间或恶劣天气条件下的能见度,帮助驾驶员识别道路。⑦易于维护和修复。应易于维护和修复,包括简单的维护需求,在受损时能够迅速、经济有效地进行修复或更换。⑧符合法规标准。所有设计原则及规格应符合相关道路安全法规及标准,确保其合规性及安全性。中央隔离护栏的具体设计条件如表1所示。

表1 中央分隔护栏设计条件Tab.1 Design conditions for central divider guardrail

2 具体设计

为保证交通安全,防止车辆和行人跨越道路或进入危险区域,需对中央隔离护栏系统的材料、结构、加工工艺、预防与防护手段进行设计。

2.1 材料选择

材料选择是关键,因为选用的材料直接影响护栏的强度、耐用性、抗腐蚀性及整体性能。表2是常见的中央隔离护栏材料,选择材料时,需综合考虑护栏的使用环境、预期的碰撞强度要求、成本等因素。为了提供最佳的防护性能,一些设计还会采用不同的材料组合,如在钢铁表面采用防腐涂层或镀锌处理。

表2 中央隔离护栏的材料选择Tab.2 Material selection of central isolation guardrail

2.2 结构设计

中央隔离护栏按照开口程度的不同可以分为全封闭式中央隔离护栏、开孔式中央隔离护栏、部分开口式中央隔离护栏、可伸缩式中央隔离护栏。其中,带有开口的中央隔离护栏可改善驾驶员的可见性,减轻护栏对景观的遮挡,在一定程度上降低驾驶员的视觉疲劳,具有一定的安全性。赵英培[2]为方便车辆紧急通行,设计开口孔,将其安装在中间移动护栏上,提高了防撞击能力。开孔式中央隔离护栏的缓冲功能主要取决于部件在冲击时吸收变形能量的能力。图1为中央隔离护栏部件在冲击期间的位移,波纹梁板移动最多,其次是纵向梁,支撑杆BFI的上套筒和下套筒的支撑件总体位移不明显,可以看出,中央隔离护栏结构各部件具有更好的缓冲作用。

图1 开口式中央隔离护栏部件碰撞位移距离Fig.1 Collision displacement distance of open central isolation guardrail components

2.3 加工工艺

从加工舒适性及主动安全性的角度入手,实现开放式中央隔离护栏的全生命周期保护,结合相关设计经验,杨自华[3]研究了开放式中央隔离护栏的钻孔工艺、焊接工艺、防腐措施等,探索了加工新标准及安装工艺,以促进其在实际施工中的应用。加工过程如图2所示,采用数控切割,在水平轨道、垂直支架和梁连接耦合装置上钻出螺纹孔,精确控制开口和间隙,确保顺利均匀地进入孔中。焊接扶手需确保焊接质量及连接稳定。焊接前,焊接部件应进行表面处理,在焊接区域进行检查,确保没有裂纹及其他质量问题。金属材料必须经过防腐处理,如热浸镀锌或喷涂防腐涂料,镀锌时应注意孔洞,镀锌结构层表面应均匀、饱满、颜色一致,不得有敲击、脱落、过多结节、涂层不足、外铁、划痕等缺陷,以提高扶手的耐腐蚀性。

图2 加工工艺Fig.2 Processing technic

2.4 抗碰撞性

当车辆与中央隔离护栏碰撞时,护栏支柱在冲击力的作用下着陆,支架和车轮之间的混淆可能导致绊阻,干扰车辆路径,导致碰撞时加速过快,严重威胁乘客安全。为了确保非受控车辆的安全,提高中央隔离护栏的连续性及保护能力,卢积健[4]等提出了新的中央隔离护栏结构,如图3所示,其设计理念是在波纹梁上添加钢筋混凝土,提高支架弯曲强度,从而避免支撑件的堵塞。车辆碰撞时,钢筋混凝土下部结构可能会升高护栏与车辆之间的碰撞点,减少波纹板下方的空间,进一步提高抗碰撞性。上部波形围栏通过自身变形吸收碰撞能量,抵抗车辆碰撞,为碰撞车辆提供缓冲。该中央隔离护栏消除了传统的绊阻障碍,提高了抗碰撞性。

图3 抗碰撞性设计Fig.3 Anti-collision design

2.5 连接方式

护栏之间的连接方式设计需确保两者的平稳连接,维持整体结构的稳定性及安全性。常见的连接设计方式如下:①转接连接。使用专门的转接连接件相连接,提供平滑的过渡,确保没有尖锐的边缘或高差,减少潜在的碰撞风险。②榫卯连接。通过榫和卯的搭接来实现连接,通常用于木制或复合材料护栏系统。③插接连接。设计成可以插接在一起的结构,适用于一些塑料或金属护栏系统。④螺栓连接。使用螺栓固定,简单可靠,适用于金属护栏系统,便于安装及维护。⑤焊接连接。通过焊接建立牢固的结构,但拆卸或更换困难。武伟伟[5]提出了一种弧形钢筋的纵向连接工艺,如图4所示,嵌入栏杆内部钢筋中的外部弧形钢筋,交替向外延伸,使护栏突出弧形钢筋交叉,插入钢管可有效地连接相邻的护栏。弧形钢筋受到冲击力时可通过连接模块传递到其他混凝土护栏上,在碰撞过程中通过变形吸收一定的碰撞能量,即使钢管倾斜,栏杆也可发生扭转位移,对车辆无法控制的冲击力产生一定的缓冲作用,大大减少碰撞造成的损伤。

图4 弧形钢筋的纵向连接工艺Fig.4 Longitudinal connection technology of curved steel bar

3 结束语

基于主动安全机理的中央隔离护栏结构系统设计可提高护栏系统的主动防护能力,减少交通事故的发生,减轻事故造成的伤害,为交通安全提供有效保障。设计时需考虑材料强度及稳定性、结构的合理性、加工工艺、抗碰撞性部件及护栏连接方式等,只有合理的设计及连接,才能确保其稳定性、可靠性及安全性。