隨著我國經(jīng)濟的高速平穩(wěn)發(fā)展,我國的公路建設(shè)也日新月異,但公路安全問題隨之產(chǎn)生,為提高公路的安全性,在公路設(shè)計水平和施工水平方面我國十分重視,尤其在路側(cè)護欄的安全設(shè)計水平方面。通過借鑒國外先進的設(shè)計方案和成功經(jīng)驗后,針對我國公路護欄安全存在的問題,找到多種安全合理的處理方法。并重點對吸能式護欄端頭進行介紹和分析,提出確定其設(shè)計參數(shù)的方法和公式。 　 
高速公路護欄的安裝設(shè)置目的是防止車輛駛離路面,沖撞路側(cè)障礙物或與其他車輛相撞。雖然高速公路設(shè)置的半剛性波形護欄發(fā)揮了重大作用,但是由于護欄端頭設(shè)計和處理不合理也造成了許多事故,而且重大事故所占比例較大,根據(jù)我國公安部例年發(fā)布的交通事故白皮書,對2003年、2004年、2005年這3年的路側(cè)事故進行統(tǒng)計,路側(cè)事故大約占交通事故總數(shù)的8%,死亡人數(shù)卻占了12%,路側(cè)事故相對嚴(yán)重性比較高。美國每年約1/3的死亡事故是車輛與路側(cè)碰撞的單車事故。針對這個問題,對護欄端頭部分進行合理設(shè)計,減少交通事故,進而減少人民生命和財產(chǎn)損失,是亟待解決的一個問題。 
1護欄端頭的處理 
護欄設(shè)置的起訖點均需要設(shè)置端頭,并進行必要的端頭處理,尤其是順交通方向,即護欄的起始點端頭,例如上跨橋橋墩迎車面的護欄端頭和中央分隔帶起點的護欄端頭。設(shè)置端頭和進行端頭處理的目的主要是防止車輛與未經(jīng)處理的護欄板相撞,導(dǎo)致護欄板刺穿車輛,所以護欄端頭需要有以下幾點要求:不會刺穿車輛,傷害車內(nèi)乘客;有很好的吸能效果,能吸收碰撞車輛的大部分動能;能將碰撞車輛正確導(dǎo)向,避免發(fā)生二次事故;護欄端頭結(jié)構(gòu)應(yīng)該和護欄具有較好的整體性,在外形和功能方面都要協(xié)調(diào)。高速公路的護欄端頭處理主要有如下幾種形式。 
　　1.1單設(shè)基礎(chǔ)類錨固端頭 
　　單設(shè)基礎(chǔ)類錨固端頭剛性很大,碰撞時候不會吸收能量,可能對車輛造成嚴(yán)重傷害。此類端頭只適合用于基本不可能被撞到的地方,例如背交通方向的護欄端頭等。 
　　1.2地錨式端頭 
　　地錨式端頭應(yīng)該做成沒有斜坡,在保持護欄相同高度的前提下將端頭錨固在埋于土下的混凝土基礎(chǔ)內(nèi),混凝土基礎(chǔ)上覆土厚度要大于15cm。此類端頭常常延伸到路邊坡內(nèi),又稱為隱藏端部端頭,此類端頭不宜做成斜下彎曲,錨固于地面的斜坡式地錨端頭,因為這樣容易使車輛發(fā)生躍起騰空而造成翻車的嚴(yán)重后果。美國德克薩斯州已經(jīng)徹底禁止采用斜坡式地錨端頭,而我國這種端頭處理方式仍然被大量使用。 
　　1.3吸能式護欄端頭 
　　吸能式護欄端頭,此類端頭在碰撞時,端頭本身的結(jié)構(gòu)會通過各種方式來吸收碰撞汽車的動能。此類護欄端頭具有安全性高,場地限制小,安裝方便等優(yōu)點。通常采用的端頭有以下幾種。
　　1)開槽護欄板型護欄端頭。開槽護欄板型護欄端頭總長約8m,能解體為幾跨可吸能的護欄。護欄板從端頭開始沿長度方向均開有槽口,以削弱護欄截面。開槽護欄板在撞擊下卷曲變形,吸收汽車動能,護欄立柱也將變形解體。這種端頭處理不能提供側(cè)撞保護,在大角度撞擊下,車輛會穿過端頭部分,不能被正確導(dǎo)向,所以此類護欄端頭最好設(shè)置在有足夠?qū)挼穆芳缟?以拋物線型斜向展開安裝。 
　　2)擠壓型護欄端頭。擠壓型護欄有一個鋼制擋板頭部,頭部長1.4m,重量大約80kg,頭部在碰撞時能防止護欄刺穿車輛,而本身也能將車輛的動能轉(zhuǎn)化為自己的動能,再由塑性變形來吸收能量,在頭部后有一個縮小的截面,可以擠壓后面的波形護欄板。碰撞時端頭吸能有2種形式,既能使護欄板擠壓變形吸能,又能使其卷曲變形吸能。 
　　3)外展吸能式護欄端頭。外展吸能式護欄端頭重量大概50kg,長度大概10m,是比較輕便的吸能式護欄端頭。護欄端頭部分設(shè)有傾斜的偏轉(zhuǎn)板,在碰撞后能使波形護欄沿反方向卷曲變形。這種端頭不同于其他的吸能式護欄端頭,它不是利用自身的變形來吸收能量,而是利用卷曲與其相連的波形護欄板來吸收能量,端頭在碰撞后會卷曲到護欄板以內(nèi),不會因碰撞變形進入車道范圍內(nèi)。 
　　4)伸縮梁式吸能護欄端頭。伸縮梁式吸能護欄端頭是利用擠壓梁內(nèi)填充的玻璃纖維或者環(huán)氧聚合物來吸收能量,總長度約15m。端頭的擋板距離固定梁端口約1.8m,此段距離為可伸縮部分長度,此類護欄端頭應(yīng)該在與路線平行的方向安裝。在碰撞時,端頭擋板和車輛一起壓碎梁口處的固定裝置,繼續(xù)擠壓梁內(nèi)的填充物,梁內(nèi)有2種不同剛度的填充物,在吸收較低能量碰撞時只有低剛度填充物被壓縮,而在猛烈碰撞時候,高剛度填充物也將被壓縮變形來吸收能量。這種護欄端頭對于低速和高速碰撞都有較好的能量吸收和保護效果,適用范圍較廣。 
　　5)吸能式護欄端頭在碰撞時的能量吸收過程分析。車輛在與吸能式護欄端頭的碰撞中,端頭頭部先吸收能量,轉(zhuǎn)化為自身動能,再將自己和車輛的大部分動能轉(zhuǎn)化為端頭結(jié)構(gòu)的變形。車輛在碰撞后會停下,或者以較低的速度被安全導(dǎo)向。碰撞過程可以用能量守恒定律,動量定理來分析,但是碰撞過程既不是完全彈性碰撞也不是完全塑性碰撞,所以需要引入回彈系數(shù)e。 
　　e=v1′-v2′/v2-v1????????????? ??(1) 
　　式中:v1、v2為初始速度;v1′、v2′為碰撞后速度。 
　　完全非彈性碰撞或完全塑性碰撞時e=0,完全彈性碰撞e=1。動能守恒定理只有在完全彈性碰撞時才成立,而動量定理總是成立的?；貜椣禂?shù)e的大小和碰撞車輛的速度相關(guān),在速度大于25m/s時,e趨近于零,可以近似看成是完全塑性碰撞。碰撞重現(xiàn)的分析還需要應(yīng)用能量守恒定律。 
　　根據(jù)動量定理,利用式(2)可以求出碰撞后端頭擋板和車輛的共同速度。 
　　vc=vimv/mv+mh??????????????? ??(2) 
　　式中:vi為碰撞車輛初始速度;vc為碰撞后端頭擋板和車輛的共同速度;mv為車輛的質(zhì)量;mh為端頭擋板的質(zhì)量。 
　　利用vc可以根據(jù)動能定理,由式(3)可以得到端頭碰撞共同變形前的總動能 
　　KEc =1/2Vc2(mv+mh)??????????? ??(3) 
　　由能量守恒定律,碰撞變形前的總動能應(yīng)該等于護欄吸收的能量Er 與車輛離開護欄時的動能KEd之和,由式(4)得到吸能式端頭吸收能量Er 的大小。 
　　Er=KEc-KEd = vi2mv2/2(mv+mh)- Ked??????(4) 
　　Fa=Er/d????????????????????(5) 
　　式中:Fa為護欄端頭平均阻力;d為設(shè)計碰撞變形距離。 
　　根據(jù)設(shè)計碰撞車速、碰撞導(dǎo)向后車速以及護欄的質(zhì)量和車輛的種類,應(yīng)用公式(4)可以得到吸能式護欄端頭設(shè)計要求的吸收能量。同時也可以根據(jù)設(shè)計碰撞變形距離,應(yīng)用公式(5)求出護欄端頭的平均設(shè)計阻力。由以上公式求出的設(shè)計吸收能量、平均設(shè)計阻力和碰撞變形距離都是吸能式護欄端頭的重要設(shè)計參數(shù)。在吸能式護欄端頭碰撞事故發(fā)生后,應(yīng)用式(4)也可逆向求出碰撞車輛的行駛速度。在碰撞車速大于25m/s時,計算結(jié)果與實際情況基本相符。 
　　1.4防撞墊 
　　防撞墊是碰撞阻尼器,能吸收車輛碰撞障礙物時的沖擊能量,減小碰撞過程中的最大加速度,保護車內(nèi)乘員安全。防撞墊可以根據(jù)場地和錨固條件,安裝在公路中央分隔帶護欄的開口處, 高速公路三角區(qū)以及其它有碰撞危險的物體前方。 
　　防撞墊根據(jù)吸能方式不同可分為兩種,即壓縮型和動能傳遞型。壓縮型防撞墊通過本身的塑性變形或破碎來吸收能量,這種防撞墊需要剛性支座,例如REACT系列防撞墊。動能傳遞型防撞墊是將車輛的動能傳遞給一個消耗性物體上,例如填沙塑料筒,這種防撞墊不需要剛性支座,安裝和養(yǎng)護成本也相對較低。 
　　2結(jié)語 
　　我國公路護欄端頭的安全問題比較嚴(yán)重,本文提出了多種端頭處理的方法,能有效解決這些問題。對護欄端頭進行合理的設(shè)計,并對已建好的有安全隱患的護欄端頭進行相應(yīng)改造,能有效降低重大事故的發(fā)生概率,顯著改善我國公路的安全性。