美國的路側(cè)解體消能設(shè)施設(shè)計

美國的路側(cè)解體消能設(shè)施設(shè)計■北京市交通工程重點實驗室（北京工業(yè)大學(xué)）：孫蕊賀玉龍孫小端陳永勝■路士安科技有限公司：LouisStephens摘要：解體消能設(shè)施作為寬恕型設(shè)計理念的體現(xiàn)，也是路側(cè)安全設(shè)計的重要組成部分。介紹了解體消能設(shè)施的起源，其安全標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計依據(jù)及其工作原理，并對美國解體消能設(shè)施的設(shè)計方法作了全面介紹。同時，針對解體消能設(shè)施的應(yīng)用注意問題作了總結(jié)歸納。關(guān)鍵詞：可解體支柱；單向受力可解體滑動底座；多向受力可解體的滑動底座1解體消能理念的由來20世紀(jì)70年代，美國道路工作者提出了''寬恕〃設(shè)計理念。該思想產(chǎn)生的初衷是：作為道路使用者，在行車過程中發(fā)生駕駛過錯是不可避免，然而，其發(fā)生的駕駛過錯不應(yīng)以其生命作為代價，應(yīng)該為駕駛員行車過錯提供寬容的空間與措施，最終實現(xiàn)拯救用路者的生命或減輕受傷的程度。該理念經(jīng)過道路工作者30十余年的研究與實踐，逐步完善成為美國道路設(shè)計規(guī)范的一個構(gòu)成部分一一《道路路側(cè)安全設(shè)計指南》。該指南的主要指導(dǎo)原則是：當(dāng)用路者出現(xiàn)駛離行車道的過錯時，借助路側(cè)安全措施的設(shè)計來減輕交通事故的嚴(yán)重性與用路者受傷的程度。1.1提高路側(cè)安全性的原則1） 力求實現(xiàn)路側(cè)無障礙物的設(shè)計。其目的是減輕路側(cè)障礙物對車輛與人員構(gòu)成的威脅。2） 盡可能減輕路側(cè)范圍內(nèi)的障礙物對用路者造成的傷害。一種方法是將障礙物設(shè)計成為車輛可穿越的形式；另一種方法是將障礙物置于被撞可能性最小的地方。3） 應(yīng)用路側(cè)安全設(shè)施減輕過失車輛與路側(cè)障礙物發(fā)生撞擊的可能性與傷害的嚴(yán)重程度。伴隨著路側(cè)安全設(shè)計理念的建立，美國提高路側(cè)安全的設(shè)計原則與現(xiàn)實環(huán)境出現(xiàn)了一定偏差。即：路側(cè)安全空間范圍內(nèi)不可避免地需要設(shè)置的一些道路交通設(shè)施，例如：交通標(biāo)志、路燈、交通信號燈、道路標(biāo)志、求救設(shè)施、電線桿柱等設(shè)施，當(dāng)發(fā)生駕駛過失而駛?cè)肼穫?cè)區(qū)域的失控車輛與這些路側(cè)設(shè)施發(fā)生碰撞，屢屢引發(fā)嚴(yán)重的交通事故。美國每年大約有3000人死于這類事故。從而，如何提高失控車輛駛?cè)氪祟惵穫?cè)區(qū)域的安全性，降低沖出行車道的車輛與這些路側(cè)設(shè)施發(fā)生碰撞的可能性或減輕其對失控車輛的傷害程度，成為倍受關(guān)注的安全問題。路側(cè)解體消能設(shè)施的設(shè)計理念由此而誕生。1.2路側(cè)解體消能設(shè)施的設(shè)計理念的原則減小路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物的剛度，當(dāng)失控車輛撞上此類路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物的桿柱時，桿柱能夠發(fā)生解體、變形、斷裂，從而減小因車與桿柱相撞產(chǎn)生的作用于失控車輛的動能，實現(xiàn)降低此類交通事故對車與乘客傷害的嚴(yán)重程度。2解體消能設(shè)施的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要減輕路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物對失控車輛和乘客的傷害，首先需要確定失控車輛在與路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物發(fā)生碰撞前后速度變化的范圍。根據(jù)美國多年的試驗研究發(fā)現(xiàn)：失控車輛在碰撞前車速在30?100km/h的情況下，碰撞后的車速降低值為11?18km/h時，乘客不會受到嚴(yán)重的傷害，因此，美國將上述車輛速度的變化范圍確定為保障失控車輛內(nèi)乘客安全的閾值。將研究成果作為判斷路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物解體消能設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)，并據(jù)此制定了關(guān)于解體消能裝置的實驗測試和評價標(biāo)準(zhǔn)。美國路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物解體消能桿柱的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)要求如下：2.1車輛行駛速度的變化范圍當(dāng)820kg的汽車或重量相等的某型汽車，分別以35km/h和100km/h的速度迎面撞擊解體桿柱時，桿柱能夠按照預(yù)計的方式發(fā)生折斷。2.2對車輛的影響失控車輛保持正常狀態(tài)，在發(fā)生碰撞過程和碰撞后，失控車輛不發(fā)生顯著變形，或者沒有發(fā)生路側(cè)設(shè)施構(gòu)造物桿柱的解體部分插入車身而對人體造成傷害2.3保障解體消能裝置桿柱的碰撞點高度要求失控車輛發(fā)生碰撞時，解體消能裝置桿柱在撞擊點受剪力荷載的作用下產(chǎn)生位移，通過桿柱的解體而減少對失控車輛的作用力。通常碰撞點位于車輛保險杠高度所在的位置，因此，解體消能設(shè)施桿柱設(shè)計時控制剪力作用點位于地面之上500mm處。如果碰撞點過高，解體消能設(shè)施桿柱會發(fā)生彎曲變形，可能導(dǎo)致解體裝置失靈。因此，建議解體消能設(shè)施桿柱不要設(shè)置在排水邊溝、陡坡、或者發(fā)生碰撞時車輛容易騰空的地方。2.4解體消能裝置桿柱解體后r高度解體后底座頂部距地面高度小于10cm時，可以減少汽車底盤與桿柱底座發(fā)生刮蹭的可能性。因此規(guī)定：解體消能裝置的底座不高于10cm，如圖1所示。‘陽Qrwi‘陽Qrwi‘陽Qrwi圖1解體消能桿柱底座高度3解體消能裝置的設(shè)計方法解體消能裝置的結(jié)構(gòu)要求具有較大的抗彎強度；能夠承受冰和風(fēng)的荷載；滿足支撐固定物的要求。其次，要求解體消能裝置具有較小的抗剪強度，在遇到外力碰撞時，會發(fā)生預(yù)期的滑動或折斷現(xiàn)象。3.1解體消能裝置的工作原理解體消能裝置的理想工作狀況為：當(dāng)失控車輛撞擊到解體消能的桿柱時，桿柱底部發(fā)生解體，桿柱發(fā)生位移，且位移方向與車輛撞擊后的行駛方向一致，并且如下圖所示。圖2理想狀態(tài)解體消能裝置的工作狀況3.2解體消能裝置的結(jié)構(gòu)解體消能裝置通過將可解體桿柱與其底座之間的特殊聯(lián)接方式來實現(xiàn)的。這種特殊的聯(lián)接方式分為：底部彎曲型聯(lián)接、底部易斷裂型聯(lián)接、滑動底座聯(lián)接兩種。3.2.1底部彎曲型聯(lián)接桿柱由U型槽鋼、多孔方形鋼管、薄壁鋁管或薄壁玻璃纖維管構(gòu)成。底部發(fā)生彎曲的部分是由100mmx300mmx6mm的鋼板與支柱底部焊接或螺栓聯(lián)接而形成的。這種類型桿柱的工作狀況受立柱插入地下深度、土壤的抵抗力、支柱底部的剛性、桿柱的高度等許多因素的影響，所以很難預(yù)測其性能。3.2.2底部易斷裂型聯(lián)接用木栓、鋼栓或鋁制品將桿柱與置于底座上的獨立固定器相連。通過將木栓、鋼栓等構(gòu)件將底座與桿柱連接并固定在一起。在正常使用狀態(tài)下，起到聯(lián)接作用；當(dāng)?shù)撞渴艿绞鹿受囕v的撞擊時，在固定器處的連接件發(fā)生斷裂，桿柱實現(xiàn)解體。為確保事故車輛碰撞時桿柱發(fā)生解體，其固定器處的連接件分為3種設(shè)計方式，一種是將選擇易斷裂的材料作為連接件，如木栓、鋁制品；另一種方式是將連接件設(shè)計成顯著變化式的截面形式，(見圖3(a))；第3種方式是在固定器上預(yù)留孔口，使之成為受力后的承

力薄弱截面，(見圖3(b))。上述底部易斷裂型聯(lián)接受到各個方向的撞擊時均能產(chǎn)生解體。即：無論哪個方向來的撞擊都能觸發(fā)解體聯(lián)接件發(fā)生作用。(a)(b)圖3易斷裂型聯(lián)接示意圖3.2.3滑動底座聯(lián)接滑動底座由2塊平行的鋼板，在鋼板四角用螺栓連接構(gòu)成。當(dāng)車輛碰撞時，連接2個平行滑板的螺栓受到外力被拔出，滑板自然分離，達(dá)到解體的目的。這種設(shè)計可以是單方向受力可解體型，也可以是多方向受力可解體型。單方向受力可解體桿柱底座的基本類型分為水平和傾斜2種滑動底座。圖4是這種設(shè)

計的典型類型。傾斜的設(shè)計利用4個鉚接的滑動底座與水平方向夾角為10°?20°。這個角度確保車輛在通過時不會撞到擋風(fēng)玻璃或者車頂。FIGURSX8Uni-drecliohd，lipL)aKMr勺iqng圖4傾斜的單方向受力可解體的滑動底座聯(lián)接多向受力可解體的滑動底座，其底座被設(shè)計成三角形，以便在受到不同方向撞擊時都能產(chǎn)生解體。這種可解體的桿柱底座類型在理論上適合運用在中央、渠化島、丁字路口、匝道末端和其他標(biāo)志容易受到多方向撞擊的地點。FIGUREL9MuItidirectlanalalipbei5efarsn^llsignA圖5多向受力可解體的滑動底座聯(lián)接3.3照明設(shè)施解體消能裝置的結(jié)構(gòu)解體消能裝置主要應(yīng)用于標(biāo)志牌的支撐，也可以用于或其他各種管線桿柱。照明設(shè)施由于其功能的要求，桿柱高大，而且有供電線路，因此，失控車輛撞擊此類設(shè)施時，不僅需要保障照明桿柱能有效實現(xiàn)解體消能的目的，同時，還需要進行有效設(shè)計來防止失控車輛撞擊此類設(shè)施而引發(fā)火災(zāi)和觸電事故。因此，在進行照明設(shè)施的解體消能裝置設(shè)計時，需要注意如下幾個方面。1） 照明設(shè)施的桿柱最高高度不能超過18.5m，這個高度值是目前經(jīng)過美國解體裝置試驗認(rèn)可的最大高度值，這個高度也能滿足現(xiàn)代照明設(shè)計應(yīng)用要求。為了防止桿柱跌落砸到車輛上造成嚴(yán)重后果，可解體照明桿柱最大質(zhì)量不能超過450kg。2） 解體桿柱內(nèi)的電線在可拆卸的底座上，其拆離位置應(yīng)盡可能接近基座。照明的解體桿柱要注意有效地減小起火或觸電傷亡事故發(fā)生。一般將其設(shè)計為：當(dāng)照明設(shè)施桿柱解體后，電路也自行中斷，以避免上述情況發(fā)生。3） 一般在中央分隔帶內(nèi)的照明桿柱不使用解體裝置。主要原因是：如果中央分隔帶內(nèi)的照明設(shè)施桿柱發(fā)生解體后，會落在對向行車道內(nèi)，影響對向車道的行車安全和交通通暢。4） 盡量減少各種管線桿柱在路側(cè)凈區(qū)的總數(shù)量，可以考慮將各種管線改為地下敷設(shè)，增大間隔或一桿/柱多用等方法。這些方法才是減少交通事故的根本方法，而解體消能裝置只是減輕事故嚴(yán)重程度的對策。4解體消能裝置的影響因素解體消能裝置位置的選擇和其置放的方向、方式很關(guān)鍵。這是保證解體消能裝置正常工作的基本前提。如果位置選擇不當(dāng)，會使解體消能裝置不能發(fā)揮其解體機制，無法達(dá)到減輕事故的嚴(yán)重程度的目的，有時甚至?xí)l(fā)更為嚴(yán)重的傷亡。4.1土壤與桿柱的埋深土壤的特性會影響一些可解體立柱的觸發(fā)性能。支撐立柱材料的斷裂(比如：高碳鋼材、U型槽桿柱、壓縮管(Telescopingtube)、木質(zhì)支撐物等)能擠過松軟的或濕的土壤，吸收能量也可能會對立柱支撐的斷裂機理有影響。米通常對于埋深不足1m的桿柱來說，這不是個問題，因為支撐物有可能從土壤里直接拔出來，除非是進行了錨固處理。但是，對于防止拔出的錨固來說，支撐物的埋土深度大于1m，或者其他的支撐物對底座活動很敏感，就必須按照NCHRP350報告進行標(biāo)準(zhǔn)土壤碰撞試驗以外的軟土壤碰撞試驗，NCHRP350第二章的備注對此問題有專門說明［2］。4.2解體消能裝置的位置4.2.1平面距離盡量使解體消能裝置遠(yuǎn)離邊坡，最好距離邊坡起點7m以上，確保解體消能裝置的正常工作。4.2.2地面坡度將解體桿柱置于坡度等于或緩于10：1的地面。主要原因有2點：其一，能夠保證發(fā)生碰撞的車輛不與解體裝置的底座部分發(fā)生刮蹭，使車輛可以安全地通過桿柱底座底部。其二，研究發(fā)現(xiàn)汽車在坡度大于6：1的地面上行駛時，車會飛起來，從而使車輛撞在桿柱的中部或上部，使解體消能機制失效。4.2.3安全高度美國的研究顯示，在車速較高的情況下，解體消能桿柱的分解部分會砸到車的頂部或擋風(fēng)玻璃上。比較矮的桿柱上的標(biāo)志牌很可能打碎擋風(fēng)玻璃，插入車身內(nèi)。美國大量試驗表明：標(biāo)志牌頂距地面2.7m以上時，牌子會砸到車頂而不會砸到擋風(fēng)玻璃上，這有利于小汽車的安全。然而，最近通過計算機模擬中型汽車或輕型卡車以100km/h的速度撞上2.7m高的桿柱時，桿柱也有可能破壞擋風(fēng)玻璃插入車身內(nèi)。4.2.4禁設(shè)區(qū)域在絕大多數(shù)消能裝置設(shè)計時，均將桿柱的被撞擊點設(shè)計在汽車的保險杠處，大約距地面500mm高度。如果撞擊位置發(fā)生在明顯高于此高度時，在立柱底部會產(chǎn)生很大的彎距，桿柱具有很強的抗彎能力，從而阻止解體消能設(shè)施功能的有效發(fā)揮。因此，解體消能裝置不能設(shè)置在溝渠的底部。4.3解體消能桿柱的聯(lián)接構(gòu)造4.3.1解體消能桿柱的上部鉸接構(gòu)造解體消能桿柱的上部鉸接構(gòu)造必須設(shè)計為鉸接聯(lián)接方式，其目的在于失控車輛撞擊到此類桿柱時，桿柱發(fā)生解體，其上部構(gòu)造與底座結(jié)構(gòu)分離，從而減少撞擊對乘客的傷害。4.3.2解體消能桿柱的上部鉸接的位置為防止分解開的上部結(jié)構(gòu)物在落下時插入到車身內(nèi)，易造成人員傷亡的事故發(fā)生，美國路側(cè)安全設(shè)計指南中對其高度及質(zhì)量均作出了詳細(xì)規(guī)定:上部鉸接必須設(shè)置在距地面大于或等于2.1m的位置；桿柱受車輛撞擊后解體的部分重量不應(yīng)大于67kg/m，總重不能超過270kg。如果解體部分重量過大，解體部分會垂直砸落在車身上，引起車身嚴(yán)重變形，造成人身傷亡。4.3.3解體消能桿柱的聯(lián)接構(gòu)造的牢固性要確保標(biāo)志板與支撐桿柱聯(lián)結(jié)的牢固性。對于底部彎曲型和底部斷裂型解體裝置而言，應(yīng)該特別注意標(biāo)志薄板與支撐桿柱的聯(lián)接要牢固，避免在受到外力沖擊時，標(biāo)志板與桿柱發(fā)生脫離，插入駕駛艙內(nèi)，造成人員傷亡。4.4單向解體消能桿柱的方向性美國大量的事故檢測發(fā)現(xiàn)，當(dāng)車輛在較為平緩的區(qū)域正面撞上解體消能裝置時，該設(shè)備發(fā)揮的作用比較明顯。當(dāng)車輛與解體裝置發(fā)生刮蹭，或車輛在發(fā)生旋轉(zhuǎn)時與解體裝置發(fā)生碰撞，解體消能裝置都不能充分發(fā)揮效用。因此，在安裝解體消能裝置時，尤其是單向解體的裝置，一定注意裝置方向的擺放。對于單向解體裝置，車輛在其他方向撞上解體消能裝置時，裝置是不會發(fā)生解體的。4.5慎用滑動底座聯(lián)接當(dāng)采用滑動底座聯(lián)接的解體消能裝置時，需要保障螺栓具有一定的抗扭性能。如果滑動底座和保險金屬板的螺栓聯(lián)接太緊，螺栓抗扭力過大，兩金屬板間的摩擦力會阻止在預(yù)定方向的解體發(fā)生（兩板不會發(fā)生滑動）。如果螺栓抗扭力不足，在風(fēng)力和其他震動力的作用下，兩板會自行滑動。并且當(dāng)螺栓使用時間較長時，也會引起滑動裝置失效。因此，在實際應(yīng)用中，建議滑動底座聯(lián)接盡量慎用。5結(jié)束語目前，在我國解體消能裝置的應(yīng)用還不是很廣泛。但是，隨著寬恕道路理念的深入，解體消能裝置會有非常廣泛的應(yīng)用前景。本文簡單地介紹了解體消能裝置的設(shè)計思想以及國外的一些經(jīng)驗。隨著我國對道路交