浙江公路技师学院 310000
摘要：在我国，高速公路交通事故随着高速公路总里程数的增加也呈逐年上升的趋势。而通过提高波形梁公路护栏在防护方面的性能，可以有效减少事故中对人身及财产方面所造成的损失。因此，本文立足于现用波形梁公路护栏存在的不足之处，进行了科学的研究。以此为据，对现用波形梁公路护栏提出了改进方案，说明了新型波形梁公路护栏存在巨大的性能优势，为后续的研究提供了参考。
关键词：波形梁公路护栏；力学性能；有限元法；研究
自上世界八十年代以来截至2016年底，我国的高速公里建成总里程数已高达13万公里，而且这一数字还在不断增加，位居世界之首。熟话说“要想富，先修路”，随着我国高速公里建设的快速发展，确实是给国民经济的建设发展带来了无限活力，但同时，也带来了高速公路交通事故逐年攀升的负面效应。在其他国家中，高速公路相较于普通干线公路的交通事故发生率少之又少，而在我国，却恰恰相反，并呈现出指数型暴涨现象，且逐年攀升。
据相关的统计资料显示，高速公路上车辆因越出道路而发生的交通事故占到总交通事故的三成，而由此所造成的重大恶性交通事故占到了总重大恶性交通事故近六成的比例，每年大概有三成的死亡事故是由于车辆与路侧发生碰撞引起的。究其根本原有，是由于我国对高速公路上汽车与护栏，发生碰撞事故的相关研究及护栏改进工作，还未能取得进展性的成果。因此，迫切的有必要对高速公路现用的波形梁公路护栏进行防护性的性能研究，并对其进行相应的力学性能的改进，从而有效降低高速公路交通事故对人身及财产所造成的损失。本文以此为据，对现用波形梁公路护栏进行了相关研究提出了改进方案[1]。
一、波形梁公路护栏力学性能研究的现状
（一）国外现状
西方国家于上世纪中期开始了研究护栏系统的工作，并得到了大规模的应用。近几十年中，随着技术的不断革新和产业的不断升级，国外先后就相应的力学研究由简及繁的相继提出了许多有效的模型，并借用信息技术对相关模型进行了计算机软件的开发。其中较为出名的包括HVOSM以及GUARD模型，下面就这两个经典的模型进行概要的描述。HVOSM模型，将组成车辆的各个高阶特征部分，例如车身、轮胎等，当做各个自由度，并由这些自由度组成的多体系统。能够实现对碰撞全过程的模拟，并在三维空间内提供车辆碰撞过程中的运动姿态，并给出车辆由于碰撞所需要承受的加速度。GUARD模型，相较于HVOSM的11各自由度有明显的简化，只有6个自由度。其对各类护栏的模型是通过三维有限元模型实现的，但是受限于其兼平动自由度以及转动自由度为一体的模拟单元特性，并且结合在扭转刚度上有些护栏偏低的特点，导致了该算法模型具有极大的不稳定性，一般没有经验的使用者难以对其进行使用。尽管这些模型算法都存在其缺点和局限性，但是从其算法思想上可以很直观的看出，随着碰撞条件以及结构参数的变化，护栏性能的大致变化趋势。
（二）国内现状
我国研究高速公里护栏的工作始于“七五”期间，自上世纪八十年代以来，交通部先后编制提出了：SVIB数值模拟程序，用于评估半刚性护栏的安全性能；用于对波纹钢护栏进行动特性实验的设计模型方法等。1992年，相关部门组织人员对当时使用的高速公路进行了使用情况的调研，并以此为依据，制定了对波形梁公路护栏进行实车碰撞实验的实验方案，经过近一年的不懈努力，为我国建立了进行实车足尺碰撞的实验研究、方法理论以及设施的一整套架构。自上世纪八十年代以来，对护栏防撞性能及其形式的研究工作一直在稳步的推进，研究人员从安全性、经济型、气象条件等多方面对护栏的适用性进行了全方位的分析。基于各个方向的研究，都取得了不错的进展。尤其是计算机仿真的研究工作，得力于大量实验的支撑，建立了力学上的相关模型及算法，但是，由于实验方法大都采用的局部试验方法，或者是将车辆浓缩为一个质点，尽管能对真实情况进行一定的说明，但仍有较大的差距和出入。缩尺模型实验虽然可以在实验室实现，但是需要对动力模拟相似性问题进行解决，节省了大量的实验经费，但是受限于与真实的车辆在材料以及尺度上存在较大的差异，导致实验的结果并不可靠，一般情况下都是使用计算机模拟将其代替。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆就现阶段而言，在理论上虽然已经存在较为理想的理论，但是由于相关接触算法以及其他不成熟因素的限制，针对于汽车护栏碰撞的力学仿真研究还只是在理论阶段上停留[2]。
二、现用波形梁公路护栏的力学吸能状况及其存在的不足
1.基于力学性能的外观设计上存在的问题
随着我国高速公路里程数的不断增加，交通运输也日益繁忙，重型及大型车辆的数目也同比有所增长。针对于这一现状，现用的波形梁公路护栏已难以满足大车流、大吨位、高车速路段以及高路堤、大坡度以及桥梁等特殊路段相应的对于安全的要求。就现阶段而言，现用的波形梁公路护栏虽然在一定程度上对交通安全进行了改善，并对交通事故的发生进行了有效地防止，但是基于力学性能的外观形状设计仍然是以国外的设计为样本进行的设计，在实质上并没有多大改观。
2.吸能能力不足
通过建立有限元模型，对波形梁公路护栏的力学性能研究表明，波形梁护栏是在车辆事故中首先接触失控车辆的构件，碰撞过程中所产生的碰撞力通过波形梁的作用，分散传递给多根立柱，并通过立柱这一介质最终将碰撞力传递到了地基上，随着时间的推移，失控车辆与护栏的作用位置不断改变，而在这过程中，波形梁所承受的力量主要来自于拉伸的力量，波纹随着冲击而被展开，起到了吸收能量的作用。
从汽车运行的速度、加速度以及轨迹的变化规律和事故碰撞对波形梁的损害四个方面进行科学的力学实验及分析，发现，这些情况下对于波形梁整体刚度以及结构强度方面的安全性要求，现用的波形梁护栏都能有效地满足，但是在吸能方面却存在严重不足，经过实验研究得到数据显示，在碰撞发生的整体区间内，护栏内能仅仅置占到了总体内能的六分之一左右，这也直接佐证了现用波形梁在碰撞发生过程中对于能力的吸收并不理想，没有对碰撞过程中汽车动能所转化的内能进行有最大限度的效分担。
3.对车辆本身带来的负面效果
另一方面，通过对实验得出的有关波形梁护栏时间同位移的关系曲线看一看出，尽管，在事故过程中，波形梁对汽车起到了很好的阻力作用，防止了汽车越出路外的现场出现，对路外的建筑物在安全上起到了很好的保护作用，但是，对于汽车本身而言，这一作用，会给汽车带来增加速度的负面作用，对车内车程人员而言将会带来严重的伤害。
为保障事故产生碰撞的过程中，在力学性能上波形梁能起到更好的吸能作用，并同时使其具有足够的刚度和强度，使对司乘人员造成的伤害降到最低，下文就现用护栏在吸能方面的增强提出了改进措施。
三、弥补吸能能力上现用波形梁护栏不足之处的改进方案
为解决现用波形梁护栏板在吸能吸能方面存在的不足，以原有护栏板为基础，根据力学性能原理，提出了新型护栏板。
在力学性能外观设计上，新型护栏板采用纵向的弧形设计，以达到对护栏变形能力进行增强的作用；在材料的选择上，选择与现用波形梁护栏板同样的普通碳素结构钢；在其材料模型以及实常数和单元形式上，与现用波形梁护栏板均保持一致。
新型护栏板通过有限元法创建的模型主要包括以下四个模型模块：其一，护栏板模型；其二，防阻块模型；其三，立柱模型；其四，地面模型。通过对由四段护栏板、五个防阻块、五个立柱以及地面所组成的吸能整体模型的实验，以研究新型护栏板的吸能能力。
真实实验数据表明，新型护栏板在碰撞过程中的吸能能力得到了显著提升。
结语：
通过在高速公里上设置护栏可以为高速公路的交通安全提高有效地保障，波形梁护栏是目前全世界范围得到最广泛使用的护栏，保障驾乘人员能够在道路上正确的行驶，防止其将车辆驶入对向的车道或者在道路上驶出，同时，在车辆发生事故的过程中，护栏可以有效的吸收动能，最大限度的降低事故所造成的损害，并依靠护栏的作用，使事故车辆的行驶能够恢复其正常的方向。因此，本文对现用波形梁公路护栏进行了相关研究提出了改进方案。
参考文献：
[1]杜鹏.波形梁护栏防撞原理及设置技术[J].山西建筑，2010（33）：114-115.
[2]胡高贤，张维刚.汽车与波形梁护栏碰撞的仿真研究[J].北京汽车，2017（2）：27.
论文作者:郑小洪
论文发表刊物:《防护工程》2018年第19期
论文发表时间:2018/11/1
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