公路安全防護(hù)技術(shù)研究動態(tài)與趨勢

(長沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114)

1 概述

道路安全設(shè)施是道路交通安全的重要組成部分，其包括交通管理設(shè)施和防護(hù)設(shè)施。前者包含交通標(biāo)志和標(biāo)線，后者包含護(hù)欄、避險車道等。交通安全設(shè)施在減少交通事故、減少縱向或橫向干擾、提供景觀引導(dǎo)、提高道路景觀等方面起著重要作用[1]。交通事故安全防護(hù)技術(shù)的研究，旨在為道路安全設(shè)施的開發(fā)、設(shè)計及檢測提供可行的方法和技術(shù)手段。性能良好的道路安全設(shè)施在保障行車安全、減少交通事故發(fā)生中起著巨大作用，尤其是在減輕失控車輛交通事故嚴(yán)重程度方面有著不可替代的作用。然而，隨著高速公路網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和車輛設(shè)計制造技術(shù)的不斷變革進(jìn)步，在公路交通越來越便利的同時，人們對速度、效率的追求更加重視，車輛朝著速度越來越快、體型越來越大的方向提升[2]。在全世界范圍內(nèi)，各個國家的新車評價程序(NCAP)要求的車輛安全碰撞速度最高不超過64 km/h，以我國為例，中國新車評價程序(C-NCAP)的碰撞項目分別有50 km/h的100%正面碰撞、50 km/h的側(cè)面碰撞以及64 km/h的40%偏置碰撞。該安全碰撞速度主要針對最高限速為60 km/h的城市道路而設(shè)定，而對于最低限速為60 km/h，最高限速達(dá)120 km/h的高速公路，汽車碰撞安全性已經(jīng)無法由自身提供保障。因此有必要大力開展道路安全保障技術(shù)的研究，開發(fā)設(shè)計出相應(yīng)的交通安全設(shè)施來彌補(bǔ)汽車自身碰撞安全條件的不足，保證汽車高速行駛過程中的碰撞安全，降低乘員的受傷風(fēng)險。

為保證公路安全防護(hù)設(shè)施的有效性，開發(fā)設(shè)計的安全設(shè)施必須達(dá)到兩點(diǎn)要求；首先，這些路邊的安全裝置的設(shè)計者和測試者必須確定它們的現(xiàn)實(shí)設(shè)計和測試條件；其次，國家交通部門必須確定這些設(shè)施的防撞嚴(yán)重程度，以此來確定適當(dāng)?shù)脑S可證，實(shí)現(xiàn)有限資源的效益-成本比率最大化。目前，研究人員在理論分析和模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，對公路安全防護(hù)設(shè)施進(jìn)行了深入和大規(guī)模的研究。憑借大量系統(tǒng)的碰撞理論分析、多種碰撞工況的仿真模擬分析、實(shí)車足尺碰撞驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和公路上的應(yīng)用實(shí)踐，積累了大量的資料和豐富的經(jīng)驗(yàn)。同時，針對不同的道路情況，研究出了各種相應(yīng)的防護(hù)設(shè)施技術(shù)、產(chǎn)品以及相應(yīng)的法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)來保證道路行駛的安全性；包括標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展、道路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)指南的完善、速度設(shè)計、交通穩(wěn)靜化措施、安全審計、回旋和周期車道以及分支匝道應(yīng)用等[3]；但隨著研究的深入以及對道路安全意識的提高，不同國家不同地區(qū)道路網(wǎng)絡(luò)，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，甚至行為習(xí)慣的不同，安全設(shè)施的設(shè)計開發(fā)也有很大的差異；考慮到人類自身的脆弱性和局限性，在碰撞中往往是致命的，因此建立完善交通安全防護(hù)設(shè)施來容忍人們的駕駛失誤至關(guān)重要[4]。

通過從交通安全防護(hù)設(shè)施護(hù)技術(shù)的角度出發(fā)，對護(hù)欄設(shè)計技術(shù)、樁基檢測技術(shù)、控速減速車道等幾個方面技術(shù)的研究現(xiàn)狀進(jìn)行歸納；目前高速公路防護(hù)安全設(shè)施存在的問題總結(jié)如下：具備多次防撞能力的護(hù)欄設(shè)計和使用方案不夠成熟、護(hù)欄防撞端頭不具備小型化與輕量化、道路車輛被動控速方面研究不足、立柱樁基約束條件檢測等虛擬儀器有待開發(fā)、護(hù)欄評價標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)不完善等；最后對公路安全防護(hù)設(shè)施現(xiàn)有的技術(shù)問題進(jìn)行了相應(yīng)的探索，并對未來設(shè)施技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望總結(jié)。未來公路安全意識的提高，將推動著安全設(shè)施技術(shù)上的不斷創(chuàng)新，法規(guī)規(guī)范的進(jìn)一步完善，而各種規(guī)范的完善又進(jìn)一步指導(dǎo)著研究朝著技術(shù)變革的發(fā)向發(fā)展，為交通事故車輛乘員的安全提供保障。

2 研究現(xiàn)狀

交通事故安全保障技術(shù)的研究，旨在為道路安全設(shè)施的開發(fā)、設(shè)計及檢測提供可行的方法和技術(shù)手段。性能良好的道路安全設(shè)施在保障行車安全、減少交通事故發(fā)生中起著巨大作用，尤其在減輕交通事故嚴(yán)重程度方面很多時候是不可替代[5-6]。

a.現(xiàn)在應(yīng)用較多的波形梁護(hù)欄不具備多次防撞能力，導(dǎo)致在事故路段發(fā)生二次事故的車輛及乘員的損傷程度會大大增加，因此針對具有二次防撞能力的柔性護(hù)欄和多次防撞能力的混凝土護(hù)欄的研究尤為重要。

很多學(xué)者在混凝土護(hù)欄的優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計方面進(jìn)行了大量研究工作，主要研究方向集中在對混凝土護(hù)欄的主要結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以及對標(biāo)準(zhǔn)F型混凝土剛性護(hù)欄截面形式進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)改造，在一定程度上改善了混凝土護(hù)欄防撞性能，提高其防撞等級[7-10]。雖然我國開展柔性護(hù)欄研究工作的時間并不長，但已有學(xué)者在新型柔性護(hù)欄的開發(fā)、耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法在立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用、柔性護(hù)欄立柱及鋼索布局形式等方面進(jìn)行了大量的研究工作，并取得了顯著的研究成果[11-14]。半剛性護(hù)欄是我國應(yīng)用比較廣泛的道路安全設(shè)施，針對其梁板結(jié)構(gòu)的研究，長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，得到了“倒U”形中央分隔帶護(hù)欄梁板拓?fù)錁?gòu)型；還通過PVC材料與耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法，開發(fā)設(shè)計了一套新型“以塑代鋼”的PVC護(hù)欄[15-17]。

b.由于缺少相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范的指導(dǎo)，我國現(xiàn)有針對可移動護(hù)欄的研究并沒有很好的體現(xiàn)出可移動護(hù)欄靈活、安裝簡便的優(yōu)勢。

可移動式活動護(hù)欄是潮汐車道的重要組成部分，同時也是重要的道路臨時隔離設(shè)施，是一種對使用靈活性要求較高的道路安全設(shè)施。在已有的研究中，大家針對可移動式活動護(hù)欄的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計開發(fā)，主要成果有：組合型波形板活動式鋼護(hù)欄[18]，采用鋼管和預(yù)應(yīng)力鋼索組合的鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動護(hù)欄[19]，由鋼管與中間連接結(jié)構(gòu)組成的非預(yù)應(yīng)力防撞活動護(hù)欄[20]。

c.現(xiàn)有針對護(hù)欄防撞端頭及防撞墊的研究大多只考慮到產(chǎn)品的防撞性能，但產(chǎn)品質(zhì)量和體積過大，不具備輕量化和小型化，導(dǎo)致使用現(xiàn)場沒有足夠的安裝空間。

針對護(hù)欄端頭和防撞墊的開發(fā)設(shè)計，有學(xué)者利用有限元仿真和碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段，設(shè)計了一種新型波形梁護(hù)欄端頭和一種新型可導(dǎo)向防撞墊結(jié)構(gòu)[21-22]。另有學(xué)者則根據(jù)國內(nèi)新出臺的評價標(biāo)準(zhǔn)，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，對新型柔性護(hù)欄端頭設(shè)計區(qū)域進(jìn)行5種不同工況下的拓?fù)鋬?yōu)化分析，研發(fā)出了一種能夠滿足我國新法規(guī)的新型柔性護(hù)欄端頭[23]。

d.現(xiàn)有針對避險車道的研究及設(shè)計思路大多局限在車輛失控后如何避險，而針對可以避免事故發(fā)生的安全控速車道的研究則較少，且現(xiàn)有的避險車道存在對車輛損傷大、重復(fù)使用率低等諸多不足之處。

避險車道是設(shè)置在連續(xù)長大下坡路段等事故多發(fā)地的道路安全設(shè)施，有學(xué)者對修筑避險車道的基本條件、避險車道的整體設(shè)計、車輛的減速過程、不同制動方式對減速帶類型、幾何參數(shù)和間距的影響等方面進(jìn)行了大量研究工作，取得了一定的研究成果[24-26]。

e.車輛撞擊護(hù)欄立柱的過程是一個瞬時動態(tài)過程，由于分別在靜態(tài)和動態(tài)載荷的作用下，護(hù)欄立柱與樁基土之間的力學(xué)特性是不一樣的，所以現(xiàn)有的水平靜載試驗(yàn)方法不能用于檢測立柱的樁基約束條件。

有學(xué)者在護(hù)欄立柱埋深檢測方面進(jìn)行了大量研究工作，在針對公路護(hù)欄立柱埋深檢測中，各學(xué)者分別基于導(dǎo)波技術(shù)和彈性波法對其進(jìn)行了研究，分析了各種相關(guān)因素對立柱埋深檢測結(jié)果的影響，得到80～130 kHz的縱向模態(tài)L( 0，2)可以滿足檢測要求[27-29]。在針對護(hù)欄立柱水平載荷的研究中，有學(xué)者分析了靜載荷和動態(tài)沖擊載荷對立柱樁基約束條件的影響，確定了對立柱樁基約束條件建立有限元分析模型進(jìn)行分析的相關(guān)參數(shù)[30-32]。另有學(xué)者則基于承載量定義提出利用子結(jié)構(gòu)法來對護(hù)欄立柱與樁基之間約束條件進(jìn)行等效模擬，然后通過彈性擺錘撞擊埋入地基的立柱對其約束條件進(jìn)行檢測[33]。

綜而言之，現(xiàn)有不少學(xué)者針對交通事故安全保障技術(shù)進(jìn)行了大量研究工作，也取得了重要的研究成果。但尚存在以下幾個方面的問題亟待解決：

① 現(xiàn)有柔性護(hù)欄和混凝土護(hù)欄雖具有多次防撞能力，但都還存在不足之處，首先，柔性護(hù)欄在端頭防撞等設(shè)計還存在缺陷，且由于我國針對柔性護(hù)欄的研究起步較晚，相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)的制定并不完善，導(dǎo)致柔性護(hù)欄的研究設(shè)計以及應(yīng)用上都存在盲區(qū)；其次，現(xiàn)有混凝土護(hù)欄在限制車輛爬升高度方面表現(xiàn)不佳，容易出現(xiàn)翻車事故，主要原因是迎撞面截面形狀不合理。

② 可移動護(hù)欄主要應(yīng)用于臨時性的道路施工，潮汐車道等場所，需要頻繁的移動可拆裝，因此必須具備很強(qiáng)的靈活性，而且結(jié)構(gòu)要求簡單，方便拆裝。由于我國沒有完善的針對可移動護(hù)欄的法規(guī)及設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，因此在可移動護(hù)欄的研發(fā)設(shè)計上存在較大缺陷。

③ 護(hù)欄端頭防撞和獨(dú)立樁防撞的問題一直以來都沒有得到很好的解決，由于安裝環(huán)境的限制，很多護(hù)欄端部及獨(dú)力樁周圍并沒有預(yù)留太大空間來進(jìn)行大型高防護(hù)等級防撞端頭的安裝，而現(xiàn)有的小型低防護(hù)等級的防撞端頭防護(hù)能力有限，使用效果不佳。因此如何設(shè)計出具備輕量化和小型化的高防護(hù)等級的護(hù)欄防撞端頭及防撞墊的問題急需解決。

④ 現(xiàn)有避險車道存在對設(shè)置地域要求較高、對車輛損傷大、重復(fù)使用率低等諸多問題，在車輛以較大速度駛?cè)刖W(wǎng)索式避險車道撞擊網(wǎng)索時，車輛的乘員艙會發(fā)生嚴(yán)重的擠壓變形，對車輛和乘員都有較大沖擊，同時網(wǎng)索式避險車道在短時間內(nèi)只能容納一輛車進(jìn)行避險，避險效率不高。現(xiàn)有的公路制動式避險車道則需要有足夠長的制動距離，但在需要設(shè)置避險車道的位置很難尋找的滿足要求的地域來設(shè)置足夠長的避險車道。

⑤ 在仿真模擬設(shè)計的過程中，針對護(hù)欄立柱樁基一般都是采用理想的約束條件，進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗(yàn)時也是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室即有條件對立柱進(jìn)行樁基約束，兩者都無法實(shí)現(xiàn)和護(hù)欄立柱安裝使用現(xiàn)場一致的樁基約束條件。因此，在護(hù)欄推廣使用前需要對立柱樁基約束條件進(jìn)行現(xiàn)場檢測。但由于在靜態(tài)和動態(tài)載荷的作用下，樁基土對力的消散程度具有很大差別，從而導(dǎo)致這兩個過程中樁基土的力學(xué)性能也會不一樣，因此水平靜載試驗(yàn)方法并不能應(yīng)用于立柱樁基約束條件的檢測?，F(xiàn)在亟需研究開發(fā)出一種動態(tài)載荷下的立柱樁基約束條件檢測技術(shù)，以填補(bǔ)這方面的空白。

3 重點(diǎn)研究方向

針對交通安全保障技術(shù)研究中的五點(diǎn)不足，有學(xué)者根據(jù)實(shí)際道路環(huán)境，成功將代理模型理論技術(shù)、變態(tài)模型理論技術(shù)、耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化理論方法等與有限元仿真技術(shù)相結(jié)合，對這些問題進(jìn)行了初步的探索。但仍然需要從以下幾個重點(diǎn)方向進(jìn)行研究，以完善交通保障技術(shù)，提高道路防護(hù)安全設(shè)施的可靠性。

3.1 完善相關(guān)法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)

柔性護(hù)欄方面，我國的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》僅介紹了一種纜索護(hù)欄的具體結(jié)構(gòu)及安裝要求等，但實(shí)際根據(jù)道路環(huán)境的不同對柔性護(hù)欄的設(shè)置要求也會不同，因此我們有必要根據(jù)我國道路的實(shí)際情況，有針對性的設(shè)計出多種柔性護(hù)欄以備選擇。以美國國家公路合作研究組織(NCHRP)第771號文件為例，這是專門針對如何選擇、使用以及維護(hù)柔性護(hù)欄的一個指導(dǎo)標(biāo)準(zhǔn)，其中就提供了Weak-steel Post Cable Guardrail、Brifen Wire Rope Safety Fence、Gibraltar Cable Barrier System、Nucor Steel Marion Cable Barrier System、Safence Cable Barrier System、Trinity CASS Cable Barrier System以及其他的一些柔性護(hù)欄結(jié)構(gòu)。其中包含了低預(yù)應(yīng)力柔性護(hù)欄、高預(yù)應(yīng)力柔性護(hù)欄、三索柔性護(hù)欄、四索柔性護(hù)欄等各種型式的護(hù)欄，并對它們的防撞能力，結(jié)構(gòu)尺寸，安裝條件等進(jìn)行了詳細(xì)說明，只需要根據(jù)道路的實(shí)際情況選擇相應(yīng)的柔性護(hù)欄進(jìn)行安裝使用即可，這樣就能做到因地制宜，大大提高柔性護(hù)欄的使用安全性能及經(jīng)濟(jì)性能。因此我國有必要盡快編制相應(yīng)的柔性護(hù)欄選擇、使用及維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)，以便加速柔性護(hù)欄在我國的推廣使用。

可移動護(hù)欄方面，我國交通部頒布實(shí)施的2013法規(guī)第5.3.3條細(xì)則對我國護(hù)欄的試驗(yàn)條件進(jìn)行了規(guī)定，但其中并未提及可移動護(hù)欄所需遵循的碰撞等級；在美國MESH法規(guī)中，對于護(hù)欄試驗(yàn)共制定了6個碰撞等級，并對可移動護(hù)欄進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。在沒有特殊要求的情況下，其防撞等級一般不超過3級，即TL-1、TL-2、TL-3，如表1所示。三種防撞等級均采用小型乘用車和小型載貨車(簡稱皮卡)做為碰撞車型來進(jìn)行試驗(yàn)研究；質(zhì)量分別為1 100和2 270 kg；碰撞速度隨著碰撞等級的增加而增加，分別為50、70、100 km/h；碰撞角度均為25°。

表1 可移動護(hù)欄試驗(yàn)條件Table 1 Mobile Barriers test conditions防護(hù)等級碰撞車型車輛總質(zhì)量/kg碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)TL-1小型乘用車1 1005025皮卡車2 2705025TL-2小型乘用車1 1007025皮卡車2 2707025TL-3小型乘用車1 10010025皮卡車2 27010025

雖然美國針對可移動護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)的研究工作開展較早，制定的標(biāo)準(zhǔn)也相對比較完善，但根據(jù)我國道路車輛的組成和交通情況和美國存在一定差異，不能完全照搬美國的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要從我國道路交通實(shí)際情況出發(fā)，研究制訂出符合我國道路交通安全條件的可移動護(hù)欄評價標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計法規(guī)。

3.2 基于動態(tài)形貌優(yōu)化方法的混凝土護(hù)欄迎撞截面優(yōu)化技術(shù)

對混凝土護(hù)欄迎撞截面進(jìn)行形貌優(yōu)化，是解決現(xiàn)有混凝土護(hù)欄車輛爬升高度過高問題的有效方法，而傳統(tǒng)的解決形貌設(shè)計問題的方法是基于靈敏度分析，它只能簡單解決線性靜態(tài)問題。然而，由于非線性材料、幾何、網(wǎng)格、瞬態(tài)特性載荷和邊界條件中的復(fù)雜交互作用，使得動態(tài)分析中的敏感性推導(dǎo)非常困難。而動態(tài)形貌優(yōu)化方法則可很好地解決這個問題，動態(tài)形貌優(yōu)化設(shè)計方法是通過在優(yōu)化目標(biāo)附近能識別的半徑內(nèi)，用戶定義一個以優(yōu)化目標(biāo)元素的質(zhì)心為圓心而形成的虛擬區(qū)域。形貌優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)是獲取一個有均勻壓力的表面，所得結(jié)果是附近元素的平均值。其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)如下：

(1)

式中:xi為設(shè)計變量，U為與設(shè)計變量Xi相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)所在的設(shè)計區(qū)域，Utarget為設(shè)計領(lǐng)域的目標(biāo)值。

在動態(tài)形貌優(yōu)化中，迭代是通過減少元素刪除率的方式趨向于穩(wěn)定的。因此，第t次迭代中第i個變量的場變量，是通過對其前三次迭代的場變量求加權(quán)和得到，具體表達(dá)式如下：

(2)

式中:xi是第t次迭代中的設(shè)計變量。

一個變量的場變量的更新也與其相鄰n個單元的場變量值相關(guān)，其關(guān)系表達(dá)式如下：

(3)

優(yōu)化過程的終止條件有兩個：

① 迭代的數(shù)量已經(jīng)超過了最大數(shù)量的迭代；

② 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化小于公差值，計算式如下：

(4)

圖1為長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室，利用動態(tài)形貌優(yōu)化方法得到的具備限制車輛爬升高度的多檔坎混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

圖1 利用形貌優(yōu)化得到的混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of concrete barrier with shape optimization

3.3 護(hù)欄防撞端頭及防撞墊的輕量化與小型化設(shè)計技術(shù)

新材料的應(yīng)用、耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法、新材料與耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化一體化研究，是實(shí)現(xiàn)護(hù)欄防撞端頭的輕量化和小型化的重點(diǎn)技術(shù)手段。圖2為長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計的護(hù)欄端頭，該護(hù)欄端頭整體長度約3.4 m，寬度約0.8 m，總質(zhì)量約1 072 kg，可以滿足質(zhì)量為1 500 kg的小車速度為100 km/h的正面碰撞安全評價標(biāo)準(zhǔn)，與同防護(hù)等級同材料的同類產(chǎn)品比較而言，其長度減少約50%，寬度減少約20%，總質(zhì)量減少約40%。該護(hù)欄端頭可以通過增減吸能單元的數(shù)量來改變其防撞等級以滿足不同場所的需要，安裝使用方便。

圖2 具備輕量化與小型化的護(hù)欄端頭Figure 2 End with lightweight and miniaturization

3.4 基于反演識別法的護(hù)欄立柱等相關(guān)淺埋薄壁短樁樁基約束條件檢測技術(shù)

由于現(xiàn)在沒有一種能夠?qū)ψo(hù)欄立柱等相關(guān)淺埋薄壁短樁的樁基約束條件進(jìn)行檢測的技術(shù)，導(dǎo)致大多護(hù)欄產(chǎn)品的實(shí)際安全性能大打折扣。因此，亟需開發(fā)一種操作簡便，結(jié)果準(zhǔn)確的智能化淺埋薄壁短樁樁基約束條件檢測技術(shù)。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的反演識別法則可以通過在動態(tài)分析中對立柱與樁基結(jié)合面進(jìn)行參數(shù)識別，從而對該立柱樁基約束條件進(jìn)行檢測。其操作簡單，檢測結(jié)果精確，無疑是實(shí)現(xiàn)樁基約束條件檢測技術(shù)智能化的優(yōu)選途徑。

首先，需要通過必要的硬件設(shè)備如：PC機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、力錘、加速度傳感器、電荷放大器等，對淺埋薄壁短樁進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，來獲取提供邊界條件和初始工況以及演化過程的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。并利用子結(jié)構(gòu)法建立有限元仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3，水平模量Kh用來定義模擬土壤阻力彈簧的特性，它受密度、濕度、粘性、深度、施加荷載、立柱變形以及立柱結(jié)構(gòu)和幾何條件的影響。對于道路地基經(jīng)常使用粒狀的非粘性的土壤Kh定義為:

圖3 護(hù)欄立柱與樁基有限元模型Figure 3 The finite element model of post and foundation

(5)

式中:σe為有效過載應(yīng)力，受土壤的密度和濕度影響；y為立柱的變形；Nq為承載量因子，受立柱變形量、土壤的深度、立柱寬度及上壤的內(nèi)摩擦角度影響。

然后，對有限元數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)進(jìn)行識別分析，考慮兩者間的內(nèi)在聯(lián)系，建立基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的目標(biāo)函數(shù)，將問題轉(zhuǎn)化為特定的優(yōu)化問題進(jìn)行求解。該目標(biāo)函數(shù)的一般泛函形式可表述為以下形式：

YP=S P1,P2,…,Pk,X (6)

式中:Y為系統(tǒng)輸出向量；S為包含所有系統(tǒng)的參數(shù)向量；P1，P2，…，Pk和輸入向量X的系統(tǒng)函數(shù)。

例如：在上述護(hù)欄立柱樁基約束條件檢測應(yīng)用中，系統(tǒng)的輸出向量Y為通過錘擊實(shí)驗(yàn)觀測得到的立柱的固有頻率。在系統(tǒng)模型參量P1，P2， …，Pk(本構(gòu)模型參數(shù))已知的情況下，可以反演確定系統(tǒng)輸入向量X(樁基約束條件)。

3.5 吸能式安全車道控速技術(shù)

由于地勢條件的限制在我國西部道路的建設(shè)中，不可避免的會出現(xiàn)較多的連續(xù)長大下坡路段，在這樣的路段行駛，車輛需要長期制動，很容易發(fā)生車輛制動失效的情況，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。因此，連續(xù)長大下坡路段的控速技術(shù)是解決類似路段事故多發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)。同時，隧道入口等事故多發(fā)路段都有限速要求，為防止因突發(fā)狀況而導(dǎo)致的車輛在這些危險路段無法達(dá)到限定速度以下，也有必要適當(dāng)?shù)脑O(shè)置減速裝置。

長沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室針對連續(xù)長大下坡路段等危險路段的控速技術(shù)進(jìn)行了研究，提出了一種新型吸能式安全控速車道，該車道不僅能應(yīng)用于連續(xù)長大下坡路段對車輛進(jìn)行控速，還可以應(yīng)用于隧道入口對車輛進(jìn)行減速，以及應(yīng)用于路肩等地為車輛提供減速避險場所。圖4為路肩避險車道橡膠墊，圖5為主干道穩(wěn)速下坡車道橡膠墊，圖6為隧道入口前方減速橡膠墊。該安全控速車道可以在危險路段自動限制車輛速度，從源頭防止事故的發(fā)生。

圖4 路肩避險車道橡膠墊圖Figure 4 Rubber mat for shoulder hedge lanes

圖5 下坡路段主干道穩(wěn)速橡膠墊圖Figure 5 Steady speed rubber mat for downhill’s main road

圖6 隧道入口前方減速橡膠墊Figure 6 Slow down speed rubber mat in front of the tunnel entrance

4 發(fā)展展望

我國關(guān)于道路安全設(shè)施的研究起步較晚，且交通狀況，駕駛行為特性等與國外存在較大差距，隨著我國道路交通日益發(fā)達(dá)，道路行駛車輛不斷增長，交通事故安全保障技術(shù)的研究就顯得尤為迫切。后續(xù)的防護(hù)安全設(shè)施的研究工作應(yīng)該緊緊圍繞新材料的開發(fā)與應(yīng)用、安全效果評價和各種實(shí)施手冊的制定、樁基檢測技術(shù)、控速車道等幾個發(fā)展方向進(jìn)行：

a.大力發(fā)展具有多次防撞能力的柔性護(hù)欄與混凝土護(hù)欄，完善柔性護(hù)欄相關(guān)法規(guī)，利用形貌優(yōu)化方法解決混凝土護(hù)欄車輛爬升高度過高的問題，這對提高護(hù)欄對二次事故的防護(hù)能力，保護(hù)車輛和乘員安全具有重大意義。

b.完善可移動護(hù)欄相關(guān)評價標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計規(guī)范，大力發(fā)展可移動式護(hù)欄使用靈活性提升技術(shù)，增加可移動式護(hù)欄的使用靈活性，使其能夠適應(yīng)各種臨時道路場所的防護(hù)需要，這對我國潮汐車道的發(fā)展及道路臨時施工現(xiàn)場的安全防護(hù)具有突出意義。

c.通過對新材料、耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化以及新材料與耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化一體化方法的研究，大力發(fā)展護(hù)欄防撞端頭及防撞墊的輕量化與小型化發(fā)展技術(shù)，徹底消除現(xiàn)有護(hù)欄端頭等場所存在的安全隱患，這在提升現(xiàn)有道路安全設(shè)施安全性能，消除安全隱患方面意義重大。

d.大力發(fā)展抗撞結(jié)構(gòu)淺埋薄壁短樁的樁基約束條件檢測技術(shù)，從根本上解決相關(guān)道路安全設(shè)施的安全性能在實(shí)驗(yàn)室與使用現(xiàn)場不統(tǒng)一的矛盾，這在推動試驗(yàn)研發(fā)產(chǎn)品在道路現(xiàn)場的推廣使用方面具有重大意義。

e.通過對新型吸能式安全控速車道的研究，大力發(fā)展連續(xù)長大下坡路段控速技術(shù)，從源頭防止事故的發(fā)生，這對避險車道的研究設(shè)計提供了新的思路，對推動新型安全控速車道的發(fā)展具有開創(chuàng)性意義。

交通安全保障技術(shù)的研究，旨在最大程度保護(hù)交通事故中的車輛及乘員安全；通過建立完善交通安全防護(hù)設(shè)施來容忍人們的駕駛失誤，完善公路防護(hù)系統(tǒng)本質(zhì)安全性建設(shè)，最終達(dá)到交通事故中車輛與乘員的零損傷、零風(fēng)險目的。