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高速公路金属护栏的选材与改进

放大字体  缩小字体 发布日期:2010-04-19  来源:中国金属学会  作者:中国护栏网  浏览次数:2123
核心提示:     随着经济的发展,中国的民用汽车保有量明显增多,导致交通事故频繁发生,死亡人数居高不下。高速公路
     随着经济的发展,中国的民用汽车保有量明显增多,导致交通事故频繁发生,死亡人数居高不下。高速公路是主要的行驶道路,也是事故多发路段,其护栏作为保护车辆行驶的设施决定着道路的安全性。本文研究了护栏的作用原理,了解护栏如何将车辆动能转化为自身塑性变形能,并利用物理原理计算出了相关的塑性耗能。本文分析表明,目前高速公路护栏还不能在车辆发生意外时完全满足车辆安全的要求。随着经济的进一步发展,护栏材料面临更高的安全要求,并会得到不断的改进。

  
     高速公路是我国重要的交通设施。近几年来,高速公路的建设迅猛发展,因此高速公路的安全尤为重要。护栏作为高速公路安全的重要设施,其选材及结构设计直接涉及到它所能够提供的安全保障作用。
       改革开放以来,我国经济水平有明显上升。与此同时,我国的民用汽车保有量也迅猛上升。进入21世纪后,我国民用汽车保有量的增长率明显加快,2004年已达到2700万辆以上。而1994年却不足千万辆。按照这样的发展速度,预计到2020年中国汽车保有量有可能超过1亿辆。随着车辆的增多,交通事故的发生也愈加频繁。我国每年交通事故死亡人数已经由1950年的几百人到2004年超过十万。面临这样的趋势,人们迫切希望增强道路行驶的安全性。尤其是当车辆面临紧急情况而躲闪、失控冲出道路,导致事故不可避免地发生时,道路保护设施的安全性至关重要。金属护栏虽然不能减少事故的发生,但可以大大减少事故引起的人员伤亡。
   
       1.护栏发挥安全作用的原理
       高速行驶的车辆具有很大的动能。当出现紧急状况,车辆会出于躲闪、失控等原因冲向护栏。此时护栏的作用便是避免发生车辆剧烈冲撞和人员伤亡。设想一辆汽车高速撞向一堵钢筋混凝土墙,车会在瞬时间停止,与此同时,其巨大的动能会大部分转化为破坏车辆的能量,导致极大的损伤。如果将钢筋水泥墙换为一堵类似于硬橡胶般的金属墙,则车辆减速的过程会得到大幅减缓,其大部分动能会转变为金属塑性变形的能量而被逐步消耗掉,从而减少了对车辆和人员造成的损毁。高速公路的金属护栏就是发挥这种缓冲作用的安全设施。
    当金属护栏在一临界外力Fs作用下发生塑性变形时,其屈服强度δs 为Fs/As,其中As是开始发生塑性变形时护栏的截面积。当外力继续增大达到一极限值Fe时,护栏便会断裂;护栏断裂时的应力则称为抗拉强度δ b,且有为Fb/Ab,其中Ab是护栏断裂时的截面积。设长度为Ls的护栏材料在外力作用下发生塑性延伸变形直至Lb时断裂,此时护栏的塑性总延伸率δ为δ= (Lb—Ls)/Ls=△Ls/Ls
    可把金属护栏在塑性变形过程中所承受的平均应力近似地假设为 σ = (σ s/σ b)/2。设e为护栏材料单位体积所能消耗的最大塑性变形能,称为塑性耗能率,则e等于外力对护栏所做的功w除以变形护栏的体积V,计为:
         e = W= F △L =σ x δ e
 
            V A L
    因此,金属护栏的塑性耗能率e等于护栏变形时所承受的平均变形应力与其最大塑性延伸率的乘积。由此可见,提高护栏的强度或延伸率均可以提高其塑性耗能率,进而提高金属护栏的安全性。
 

     2.护栏钢板的安全设计
    车辆的动能与其质量和速度有关。表1给出了目前常见的小型轿车的车型、质量以及时速分别在80km和120km时所具有的动能。这些小轿车的质量大致相等,车辆所能达到的最高时速是决定车辆的动能的主要因素。
 
    表1车辆整备质量及相应时速下的动能
常见小型轿车        车重/kg        80km时速动能/J       120km时速动能/J
   桑塔纳3000           1248            3.08 X105                  6.93 X105
     Polo1.4 三厢          1152            2.84 X105                         6.40 X105
     帕萨特2.0手动        1385            3.42X105                         7.69 X105
   索纳塔2.0GL手动     1444            3.57 X105                         8.02 X105
     捷达手动基本型        1110            2.74 X105                        6.17X105
 
    表2 不同强度级别钢板的塑性耗能率
 钢种         屈服强度    抗拉强度   总延伸率   塑性耗能率    单节护栏最大耗能
Ss,Mpa      Se,Mpa     de,%       e,J/cm3          Emax,J
 Q235钢板      235         ~420        26          85             4.9 X105
Q345钢板      345         ~550        21          94             5.4 X105
高强冲压板     215          370       39           114            6.6 X105
BH钢板        240          340       44           127            7.3 x 105
双相钢板       500          690       26           155            8.9 X105
TRIP钢板      400          640       32           166            9.6 X105
TWIP钢板      310          830       80           456           26.2 X105
   
       目前我国高速公路的护栏均设立在道路两侧,双向道路共四排,由压成波形的钢板成条形一节节地连接而成,每段护栏之间都由钢制支柱支撑并固定。两段护栏钢板首尾由螺钉连接,并通过钢制缓冲板连接到支柱上。钢板材质以Q235为主,标准的护栏钢板尺寸为:厚度0.3cm;展开宽度48cm;单节长度400cm。由此算得单节护栏的体积为5.76X103cm3
       表2给出了各种钢板的屈服强度、抗拉强度、总延伸率、相应的塑性耗能率以及单节护栏的最大耗能。对比表l和表2可以发现,现在服役的单节4m长Q235高速公路的护栏钢板的最大耗能低于常规小轿车限速下的动能。虽然发生碰撞时,小轿车不一定会正面冲撞护栏,车辆的动能也不会全部转变成护栏钢板的塑性变形能,但单节护栏钢板在碰撞时也不可能整体发生彻底的塑性变形以使其潜在的塑性耗能得到充分发挥。对比表1和表2的数据可以发现,单节钢板的安全性并不足够高。考虑到大量在高速公路上飞驰着的10吨以上的载重货车,即使是并行双排的护栏钢板也经不起高速冲撞。根据表2的数据,目前人们开始考虑采用的Q345高强度护栏钢板也不能完全解决上述安全性不高的问题。
       随着钢铁工业的发展、新品种的开发及钢材性能的改进,可供选择的护栏钢材越来越多。选择高塑性耗能率的钢板是提高高速公路行车安全性的重要途径之一。表2所列的高强冲压板、BH钢板、双相钢板、TRIP钢板等都是可以使高速公路护栏钢板安全性进一步提高的可选之材。表2最后给出TWlP钢板具有非常高的塑性、强度和极高的塑性耗能值,是目前正在开发研究中的新钢种。

      3.结语
      随着经济快速、高效的发展,高速公路上将会出现大型、重载、高速的汽车,它们将对护栏安全性有更高的要求。目前的护栏钢板显然尚不能完全满足要求,其安全技术指标还有待进一步的改进与提高,相关的问题也需要人们不断地研究与开发。

 
 
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