摘要：高速公路交通事故已成为影响公路运营效益的重要因素，特别对于分流三角端，如果缓冲设施的安全性能存在不足，则很容易发生护栏插入车体的恶性事故。随着交通流量和运行速度的不断增长，不少前期依据旧规范设置的高速公路分流三角端缓冲设施已经无法满足交通安全的需求，需要更换具有安全防护能力的可导向防撞垫。
现有的可导向防撞垫适用于较低运行速度的公路，无法满足高速公路行驶速度120km/h车辆的安全防护。为了解决高速公路分流三角端缓冲装置安全防护能力不足，通过对事故调研分析,结合规范对可导向防撞垫阻挡功能、缓冲功能和导向功能的要求，进行TS级可导向防撞垫的研究。结果表明：TS级可导向防撞垫分别通过了小客车5个角度不同方向的实车足尺碰撞试验验证，各项评价指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）要求。可有效解决高速公路分流三角端安全防护能力不足的隐患，降低车辆和司乘人员损害，提升道路安全运营水平，满足公路平安、畅通的安全发展需求，具有较好的市场前景，社会、经济效益良好。
关键词：高速公路分流三角端；可导向防撞垫；实车足尺碰撞试验
交通工程防护设施作为道路重要的组成部分，是高速公路通车运营后的安全防护及形象大使，尤其是在保障高速公路运营期间，安全防护问题至关重要。标准规范对公路一般路段安全防护设施提出了多种护栏实施方案。但针对公路分流三角端处设置规定，规范仅对安全防护等级进行了要求，并未提出具体的实施方案。在多方面因素影响下，高速公路分流三角端处安全防护设施设置不合理、不规范，最终导致失控车辆碰撞高速公路分流三角端处缓冲设施时，不能有效保护车辆和司乘人员安全，最终将造成车毁人亡的事故。近年来，我国在高速公路分流三角端处发生过多起群死群伤事故，给人民生命财产带来了极大损失，造成了不良的社会影响。
为了提升公路运营水平，解决公路安全隐患，针对高速公路分流三角端处交通现状的安全需求和设计条件，结合规范的规定和应用功能，对其进行研究。最终形成缓冲设施TS级可导向防撞垫安全防护设施，应用于高速公路分流三角端处。可有效解决现有高速公路分流三角端处安全防护能力不足的隐患，降低车辆和司乘人员损害，对改善公路安全运营水平具有重要作用和意义，也为我国有关标准规范的制修订提供技术支撑，具有良好的社会和经济效益。随着人们对公路安全的日益重视，可导向防撞垫具有广阔的市场应用前景。
1高速公路分流三角端安全防护现状
1.1高速公路分流三角端安全防护能力不足
我国高速公路交通事业的蓬勃发展，为人们的生活提供了快速、高效的出行服务，但随之而来的是交通事故损失剧增，交通安全形势严峻，而公路分流三角地带是事故多发段，其部位一直是我国高速公路安全防护的盲点或弱点，其防护产品类型不多，功能较单一，主要有圆包头处理、玻璃钢沙桶，如图1-1所示。
上述分流三角端处理方式只对失控车辆起到很小的缓冲吸能作用，达不到防护效果。实践应用证明，圆包头处理、防撞桶不能起到应有的防撞、缓冲和吸能作用，车辆碰撞后损坏严重，给乘员安全造成极大威胁，甚至发生过多起端部波形梁护栏插入小客车车体事故。有必要对高速公路分流三角端缓冲设施进行研究，降低失控车辆司乘人员伤亡。
1.2规范提出新要求
为了提升公路安全运营水平，国家颁布和修订了一系列公路安全防护规范。在《公路护拦安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）发布之前，相关标准规范未对碰撞等级、碰撞检测提出明确要求，导致目前市场上在用的防撞垫参差不齐。规范发布后对防撞垫的等级及实车碰撞试验检测提出详细具体的要求，明确规定可导向防撞定需应采用小客车分别从五个不同角度进行碰撞验证，阻挡功能、缓冲功能和导向功能检测合格后方可上路应用，碰撞位置如图1-4所示，碰撞条件如表1-1所示。因此，研究完全满足《公路护拦安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）规定的可导向防撞垫是对规范的响应和补充。
1.3国内外研究现状
国外很多国家都编写了可导向防撞垫的性能评价标准规范性文件，例如美国《MASH2016》和欧盟《1317-3：2010》，两本规范从试验条件、试验指标、图像记录、安全评价标准等多方面对可导向防撞垫试验进行了详细的规定，美国标准对防撞垫碰撞试验等级划分比较详细，对车辆类型和所有参数的偏差值也规定的较为详细，而欧美的碰撞试验速度更高一些，总体来说，目前欧美国家防撞垫应用广泛且评价标准体系完善。
国外在防撞垫方面的研究起步较早，已经设计、生产、安装了许多种类的防撞垫，且在国外的高速路上应用广泛，这些防撞垫已有部分进入中国市场，但由于较高的价格以及国内外交通情况的差别，这些安全防护设施在国内不适用于中国道路。
目前国内一些企业也进行了防撞垫的研究，但大部分都是较低等级的TB级和TA级防撞垫，适用于较低等级的道路。但随着高速公路设计时速的不断提高，这些产品已经无法满足安全防护的需要，易造成严重的伤亡事故，甚至导致恶性的二次碰撞事故。因此，我国高速公路需要设置特高安全防护等级的TS级可导向防撞垫。
综上，针对于高速公路分流三角端安全防护，进行TS级可导向防撞垫的研究非常必要的，该设施的成功开发和应用将对公路安全的进一步提升具有重大的意义。
2 TS级可导向防撞垫结构方案
综合考虑安全、经济和施工方便的要求，对TS级可导向防撞垫进行方案研究，提出破管消能及波形板斜口消能方式结构方案，并依据规范中的安全防护设施的三个功能阻挡功能、缓冲功能、导向功能进行研究。
2.1阻挡功能—高度确定
阻挡功能是防撞垫可阻挡碰撞车辆，不反生车辆骑跨和侧翻现象。防撞垫高度对碰撞车辆运动状态有着重大影响，高度过低很容易引起车辆发生骑跨和侧翻的交通事故，造成严重损失，不满足阻挡功能。为了计算出车辆碰撞防撞垫后发生骑跨和侧翻的防撞垫临界高度，假定防撞垫与车辆碰撞后未发生变形，且碰撞后车辆绕防撞垫的转动点为O点，车辆碰撞分析模型见下图所示。因此，防撞垫高度应不低于车辆在碰撞过程中的重心高度，一旦车辆重心高度超过了防撞垫高度，便会发生骑跨和侧翻现象。
2.3导向功能—吸能结构
导向功能是车辆碰撞后可顺利驶出，不得发生绊阻或翻车，造成司乘人员伤害。可导向防撞垫为质量较轻的钢结构，为了能具有较好的导向功能，防撞垫前后端采用螺栓或预埋螺栓的方式锚固在路面上，前后端锚固构件连接应设置钢丝绳导向结构，钢丝绳张紧后具有较大的刚度，同时弯曲后可进行自我调节，保证导向的可靠性。
2.4结构拟定
综上所述，TS级可导向防撞垫中间设置多个框架，框架直接采用圆管作为主要消能构件，框架侧面安装波形板，一方面进行辅助消能构件，另一方面作为框架连接构件同时实现侧面防护功能，框架下方采用钢丝绳串联，钢丝绳两端设置锚固构件将防撞垫整体锚固在路面上。具体结构拟定如下2-3所示。
3实车足尺碰撞试验评价
3.1试验准备
TS级防撞垫结构按计算机仿真结果优化后加工制作，TS级防撞垫结构两侧为双层双波板结构，栓接在横向框架上撑，横向框架间设置吸能管，根据碰撞特性，吸能管件从前端到尾端逐渐加厚，横向框架通过钢丝绳前后端预埋构件锚固在路面上。
3.2正碰检测结果
车辆以100km/h正碰防撞垫后，鼻端凹陷变形，防撞垫中部的框架均倾斜变形；防撞垫压缩长度为4.40m，防撞垫正碰试验如图3-2所示，乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度如表3-1所示。
3.4斜碰检测结果
车辆以100km/h偏碰防撞垫后，鼻端凹陷变形，自鼻端起第一框架和第二框架倾斜；吸能管均匀撕裂；防撞垫压缩长度为2.00m，防撞垫偏碰试验如图3-4所示，乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度如表3-3所示。
3.6反向侧碰检测结果
车辆以100km/h反向侧碰防撞垫后，侧面波形板产生刮痕；吸能管受到撞击后发生弯曲；防撞垫鼻端损坏；车辆与防撞垫剐蹭长度2.10m，防撞垫反向侧碰试验如图3-6所示，乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度如表3-5所示。
通过上述五次试验，试验样品构件及其脱离件未侵入车辆乘员舱，没有质量大于2kg的试验样品脱离件，车辆为反生骑跨和侧翻的现象，满足阻挡功能；车辆碰撞后未发现翻车，车辆碰撞后的轮迹满足导向驶出框要求，满足导向设施的导向功能；小客车碰撞防撞垫后，可见乘员碰撞速度的纵向和横向分量均不大于12m/s，乘员碰撞后加速度的纵向和横向分量均不大于200m/s2，满足缓冲评价指标要求。
根据小型客车采用5个角度不同方向对缓冲装置TS级防撞垫实车足尺碰撞试验检测结果可知，各项指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）的要求，因此该可导向防撞垫安全性能满足TS级防护等级要求。
结论：
本文针对高速公路分流三角端缓冲装置安全防护能力不足进行分析，根据规范要求的阻挡功能、缓冲功能和导向功能进行设计，提出特高等级TS级可导向防撞垫结构方案。TS级可导向防撞垫分别通过了小客车5个角度不同方向的实车足尺碰撞试验验证，各项评价指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）要求。可有效解决现有公路分流三角端安全防护能力不足的隐患，降低车辆和司乘人员损害，提升道路安全运营水平，满足公路平安、畅通的安全发展需求，具有较好的市场前景，社会、经济效益良好。
参考文献：
[1] JTG B05-01-2013,公路护栏安全性能评价标准[S].北京:人民交通出版社.
[2] JTG/TD81一2017,公路交通安全设施设计细则[S].北京:人民交通出版社.
[3] 闫书明，有限元仿真方法评价护栏安全性能的可行性[J].振动与冲击.2011(01)：52-56.
[4] 李江海,石红星.，车辆与护栏的碰撞力计算方法[J].道路交通与安全.2014(02)：49-52.
[5] 闫书明,马亮,梁亚平,等.可导向防撞垫系统碰撞分析[J].特种结构,2012,29(6):99-103.
[6] 葛书芳.防撞垫及其在高速公路中的应用[J].公路交通科技(增刊),2003,20(1):147-149.
[7] 俞文生,邰永刚,张颖,等.高速公路可导向防撞垫的应用研究[J].中外公路,2013,33(3):316-319.
[8] American association of state highway and transportation officials.Manual for Assessing Safety Hardware[S].2009.
[9] 史春娟,王伟,钟明,等.美国和欧盟防撞垫性能规范的对比分析[C].The 11th International Forum of Automotive Traffic Safety,Chongqing,China.2014:143-148.
[10] 韩海峰,皮振新,李新伟,等.试验与仿真相结合对防撞垫进行评价[J].道路交通与安全,2016,16(1):20-24.
论文作者:郑仲明
论文发表刊物:《工程管理前沿》2019年第8期
论文发表时间:2019/7/18
标签：防撞论文; 导向论文; 车辆论文; 高速公路论文; 公路论文; 安全防护论文; 功能论文; 《工程管理前沿》2019年第8期论文;