防撞垫基本简介

概述

随着我国经济的高速发展, 基础建设投资的增加, 我国的高速公路通车里程有了一个的突破, 据统计, 我国的高速公路通车里程到2002 年末已达到2.52 万 km , 仅次于美国, 居世界第二位 ;但高速公路的安全问题也越来越突出 , 由于高速公路的特点:车速较高, 因此事故严重度比较高,造成大量的人员伤亡和财产损失 ;据统计, 我国2002 年发生交通事故 77.3 万起, 死亡 10.9 万人, 交通事故致死率约 1/4 强, 是日本的 28.2 倍, 韩国的10 倍! 为降低事故严重度 , 各个高速公路管理部门加强了高速公路管理 , 加大了道路监控力度 , 完善了交通安全设施, 在比较危险、 事故频发的地方设置了一些防撞垫系统。

防撞垫是通过吸收车辆碰撞能量使车辆安全停止, 并使车辆改变行驶方向避免乘员受到严重伤害的设施 , 它的主要功能是降低事故严重度 , 另一方面也通过其表面颜色和图形符号起警告和诱导作用。

防撞垫的原理和分类

防撞垫种类很多 ,按照防撞原理,可分为动能原理和动量守恒原理两大类。动能原理防撞垫是通过设置在防撞物前的可破坏的或产生塑性变形的材料或结构, 通过缓冲或吸能从而吸收行驶车辆的动能, 这种结构需刚性支撑或阻挡, 使吸能材料或结构产生变形以减少对车辆的撞击力。另一种是按照动量守恒定律, 通过设置在防撞物体前的一些装砂、装水容器转移失控车辆的动量, 起到缓冲作用的结构。这种结构施工机动性强, 应用较为方便。

防撞垫的结构

动能原理防撞垫一般由端头、 吸能材料、 两侧护梁, 横隔板和后背支撑组成, 车辆碰撞防撞垫后, 通过端头部分的变形、 吸能材料来吸收碰撞车辆的能量, 后背支撑用来抵抗车辆的冲力。吸能材料一般是泡沫材料或橡胶材料, 这种原理的防撞垫对于车辆的正面和侧面碰撞均有良好的吸能效果和导向作用, 并且该系统在被碰撞后, 主要部件均可重复使用, 维修方便快捷且费用低, 缺点是初装稍微复杂且成本较高。

动量守恒原理一般是由不同质量的填砂或装水防撞筒(墩)按照一定的顺序排列而成, 车辆冲撞防撞垫后, 车辆的动量依次传递给防撞筒, 使车辆和防撞筒的速度依次降低, 最后使车辆的速度降到15km/h以下 。

防撞垫的设计

防撞垫在设计时主要要考虑以下因素:

(1)因防撞垫暴露于外界环境中 , 因此, 其材料要满足耐高低温 , 耐腐蚀等要求。

(2)防撞垫要设计成碰撞中没有碎片飞出, 在正面、侧面的碰撞试验后, 防撞垫产生的碎片要保留在防撞垫中, 不能对碰撞车辆、周围的行人及其他车辆产生伤害。

(3)车辆碰撞防撞垫后, 司机的加速度要小于12g , 最后 10ms 的平均加速度要小于 20g , 并且在失控车辆撞到防撞垫后 , 车辆不能穿越防撞垫 ;也不能反弹, 进入相邻的行驶车道, 以免和后面来车相撞,发生二次事故。

(4)防撞垫的高度不易过高或过矮;太高容易遮挡驾驶员的视线 ;太矮, 车辆容易爬上防撞垫。动量守恒原理防撞垫在设计时 , 为经济考虑 , 在失控车辆与防撞垫碰撞结束后, 车辆一般不会停止,所以要在防撞垫与被保护的障碍物之间设置一定的安全缓冲距离, 一般为60cm左右。动量守恒原理型式的防撞垫在使用防撞筒组合时, 确定布置后, 可以通过试算来确定所需筒的个数, 由于碰撞过程较为复杂, 一般采用实验或经验数值及布设顺序, 一般用不少于5个防撞筒进行组合。

防撞垫型式选择和应用地点

防撞垫型式选择要综合考虑以下因素:

(1)现场条件(包括障碍物尺寸, 可用空间大小、交通流情况等);

(2)可选择防撞垫系统的结构和安全特性;

(3)防撞垫工程费用(包括材料和安装);

(4)维护及维修难易。

防撞垫选择和设计时, 防撞垫尺寸要符合现场情况, 在正面碰撞和侧面碰撞时, 对障碍物都能进行有效防护, 并不能侵入道路净空。防撞垫可根据地形条件和发生冲撞事故时可能造成的伤害程度, 选择不同结构形式和使用方法。国内高速公路采用防撞垫多为玻璃钢制做的圆形防撞筒, 组合形防撞墩等制品。

防撞筒多设计为中空形式, 产品本身重量轻, 便于移动和更换。加水或细砂, 可增加产品质量, 很好地和碰撞车辆进行动能转换, 加上玻璃钢(或塑料)自身的优良弹性性能, 能起到很好的缓冲作用, 有效地减少了对碰撞车辆和司乘人员的伤害。尤其是将防撞垫设于护栏端头时, 有效地防止护栏端板插入高速行驶的失控车辆内, 避免恶性事故发生。我国在高速公路上安全护栏设施多采用波形梁钢护栏和混凝土防撞护栏, 实践证明, 这两种形式能够比较有效地起到防撞效果, 对于防止车辆越出路外、减缓事故严重度方面效果很好, 但这些护栏的一些特殊地方存在着严重的安全隐患, 应采取特殊的防护措施。例如驶出高速公路的三角地带, 分离式立交的桥墩, 桥梁护栏端头和波形梁护栏起点等;传统的钢质和混凝土防撞设施在发生事故时, 常常会给事故车辆和司乘人员造成严重伤害, 并且不易及时修复,影响交通流的畅通, 这些危险地带应设防撞垫。还有一些地方需要保护但无法设置波形梁护栏或设置不经济, 这些地方也可设置防撞垫。

结语

虽然防撞垫系统的经济效益和社会效益显著, 但我国高速公路上应用的却很少, 主要由于我国新建道路很多是实行一路一公司的管理, 我国高速公路很多是贷款修建的, 因此, 高速公路的管理部门的一个很重要的任务是收费还贷, 由于防撞垫系统对于高速公路管理公司没有直接的经济效益, 又没有明确的法律和技术法规对防撞垫设置进行规定, 因此, 管理单位对增设防撞垫系统积极性不高, 所以建议国家从制度和技术法规上进行规定, 可以选择一些具有政治意义, 经济效益比较好的高速公路进行试点, 另外也要增进在这方面的研究。当然, 由于建设资金限制,是修建更多的路还是增进已有的公路的安全情况, 是一个更为复杂的问题。

防撞垫吸能型防撞垫

概述

实践证明，现有高速公路护栏标准段基本能够有效减弱交通事故的严重程度，但高速公路交通分流处的护栏端部发生碰撞事故，常会给事故车辆和司乘人员造成严重伤害，因此需要在公路交通分流处或障碍物前端设置防撞垫，车辆碰撞时通过防撞垫变形吸收碰撞能量，从而降低乘员的伤害程度。

本文首先提出了一种高吸能型防撞垫结构，然后通过有限元仿真技术对防撞垫结构进行计算分析和结构优化，并最终经小型客车正碰、偏碰、斜碰和正向侧碰等4 次实车足尺碰撞试验评价，验证所研究提出的高吸能型防撞垫结构可以达到《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －01 －2013)TS 级防护等级，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。

1防撞垫结构碰撞条件与评价标准

2013 年12 月1 日《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －01 －2013)作为基础类、强制性标准颁布，其中严格规定应用在公路上的防撞垫必须要经实车足尺碰撞试验验证，其安全防护性能满足评价指标要求，并对防撞垫的实车足尺碰撞试验提出严格要求。对于 TS 级防护等级的防撞垫结构，必须采用1. 5t 的小型客车，以100km /h 的碰撞速度，进行正碰、偏碰、斜碰、正向侧碰等4 次实车足尺碰撞试验，同时规定防撞垫的安全性能评价指标包括3 个方面:阻挡功能、缓冲功能、导向功能。基于《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －1－2013)的规定，可以总结出12 个安全评价指标，其中最大加速度和最大速度均取纵向和横向分量中较大的数值。防撞垫结构主要依据这12 个评价指标进行研究。

2新型防撞垫结构的提出

防撞垫应同时具有正碰压缩吸能功能和侧碰阻挡导向功能，为了实现侧碰时的阻挡导向功能，防撞垫侧面设置导向板，增强防撞垫侧向刚度; 底部设置导向滑轨，控制防撞垫在车辆碰撞后可沿着一定轨迹移动，同时防止偏离太远对正常运行车辆造成干扰; 为了实现正碰时压缩吸能功能，防撞垫设置成多节结构，每节内部设置吸能桶，减少瞬时碰撞对小客车以及乘员的伤害程度; 同时导向板设置滑槽，使其在受到正面碰撞时可顺利压缩。

3结构优化

3.1 初步仿真计算

首先对新型防撞垫结构进行了初步仿真计算。根据仿真计算结果，正碰满足评价标准要求，但正向侧碰时小客车发生绊阻，不满足评价标准要求。根据分析，其原因主要是防撞垫侧向刚度不足。

3.2 侧向刚度优化

根据新型防撞垫结构初步仿真计算结果，需提高其侧向刚度。将原竖向放置的吸能桶改为平面放置 ，一方面不影响防撞垫正面碰撞的吸能性能，另一方面可以增加其侧向刚度。根据仿真计算结果，优化后防撞垫侧向刚度明显增加，解决了小客车正向侧碰绊阻的问题，同时正碰性能基本没有改变，但在斜碰过程中，小客车跃起较高，有翻车的风险。根据分析，其原因是防撞垫较宽，碰撞接触面积较大，作用力不集中，于是考虑减小防撞垫宽度。

3.3 斜碰性能优化

将双排吸能桶改为单排吸能桶，得到减宽结构防撞垫。根据仿真计算结果，将防撞垫的宽度减小，有效减小了小客车的跃起，但同时，防撞垫宽度的减小，又造成了防撞垫侧向刚度的减弱，导致正向侧碰不满足安全指标。

3.4 侧向刚度二次优化

为了增加防撞垫侧向刚度，将吸能桶内折板改为加强肋板结构 ，以起到增强防撞垫侧向刚度的目的。可见加强肋板结构防撞垫完全满足12 个评价指标，具备进行实车足尺碰撞试验的条件。

4 结语

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －1－2013)规定的防撞垫安全性能评价标准，总结出12项安全性能评价指标，整个结构研发均是以满足这12项指标为目标。优化过程复杂繁琐，且各项指标相互制约，每一阶段的改进，都是以减少不满足指标的个数为目的，最后得出满足所有评价指标要求的防撞垫最优结构。优化过程中主要结论如下:

(1)对于宽度较大的防撞垫结构，用平桶结构代替立桶结构，可以增强防撞垫横向刚度，有效地防止小型客车正向侧碰过程中出现绊阻现象。

(2)适当减小防撞垫宽度，可以降低斜碰和偏碰过程中防撞垫对小型客车的作用宽度，防止小型客车发生飞起翻车现象。

(3)对于宽度较窄的防撞垫结构，吸能桶内部设置加强肋板结构，可以增强防撞垫侧向刚度，有效地防止小型客车正向侧碰过程中出现绊阻现象。

在防撞垫结构优化完成后，进行了防撞垫结构的加工、施工并进行了正碰、偏碰、斜碰和正向侧碰等4 次实车足尺碰撞试验，验证了所研发的防撞垫结构达到《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －01 －2013)规定的TS 级防护等级，各项指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05 －01 －2013)要求。

防撞垫非导向防撞垫

1 碰撞试验条件与评价标准

小型车碰撞不同护栏端部的事故形态，可以看出，碰撞直立式波形梁护栏端头，波形梁板易插入车体，危及乘员生命；碰撞直立式混凝土护栏端头，车头粉碎，乘员生存空间被破坏；碰撞地锚式护栏端头，车辆沿坡面爬升，引起翻车甚，大型车碰撞分流处护栏端部事故形态．可以看出，大型车碰撞护栏端部后未造成严重伤害，这是因为大型车速度低，同时底盘高且乘员所坐的位置高于护栏端部高度，即使端头插入车体也不会对乘员造成直接伤害．通过事故形态研究得出小型车碰撞护栏端部易造成严重伤害，根据最不利原则，采用小型车碰撞来评价可导向防撞垫安全性能．结合我国小型车辆特点，参考国内护栏碰撞试验规范，确定防撞垫碰撞试验车辆质量为1．5t ；参考国外规范规定的防撞垫最低等级，确定防撞垫的碰撞速度为60kmh．

根据事故形态和国内外相关规范确定非导向防撞垫安全评价标准为：（1）防撞能力_．车辆碰撞时，应有效吸收碰撞能量，使车辆停车；防撞垫或护栏端部不得侵入车体；防撞垫脱离部件和碎片不得大面积侵入相邻车道；（2）缓冲能力．乘员碰撞后车体重心X，Y，Z三方向加速度均不得大于20_g．其中：X方向指行车方向；Y方向指车宽方向；Z方向指车高方向；（3）车辆姿态．车辆不得横转、翻车，不得骑跨护栏端部．

2 研究开发

2.1 防撞桶性能

防撞桶作为常用护栏端部防护设施，有必要通过碰撞试验对其安全性能进行客观评价，指出影响防撞桶安全防护性能的主要因素，为提出新型防撞垫单元构件奠定基础．以3个充沙玻璃钢式防撞桶为一组，摆放形式同公路常用方式，防撞桶被完60kmh．全撞碎，沙子和玻璃钢碎片散落在约10m的区域内，侵入相临车道；车辆骑跨上护栏，护栏端部插入车体，车辆损坏严重．

结合吸能表达式，防撞桶刚度k_（x）不足是影响其防撞能力的主要原因，材料性能是影响其刚度的最主要因素：玻璃钢易碎且吸能效果差，沙子等填充物易抛洒，这2种材料组合达不到有效吸收车体动能的效果．

2.2 防撞垫单元结构

在玻璃钢式防撞桶试验的基础上，提出新型防撞垫单元结构：结构高90cm，由直径100cm的外圆桶、直径25cm的内钢桶、连接内外钢桶的叶片式封装装置构成．结构外部全部由3mm钢板制成，由于钢板是弹塑性材料，可以防止产生大量碎片引发二次事故；叶片封装装置里由PVC材料填充，增加单元结构吸能效果．

防撞垫单元结构能够有效吸收碰撞能量，使车辆停车；防撞垫单元结构和护栏端部没有侵入车体；没有脱离部件和碎片侵入相邻车道；车体X方向加速度最大值为31．9_g；车辆没有横转、翻车，没有骑跨护栏端部．通过防撞垫单元试验可知，钢铁和PVC材料组合使用有效增强了结构吸能效果，降低或消除抛洒物的产生；车体X方向加速度最大值达到了31．9_g，不满足评价标准要求．结合吸能表达式，分析缓冲距离过短是引起加速度超标主要原因．

2.3 防撞垫组合结构

在防撞垫单元结构碰撞分析基础上，提出单元组合型防撞垫结构，有效增加缓冲距离．

组合型防撞垫由3个消能圆桶组成，其中消能桶I直径为1．2m，2个消能桶II的直径为0．8m，防撞垫总长度1．83m，最宽处宽度1．6m．

车辆 X方向加速度最大值为21．7_g，缓冲能力仍不满足评价标准要求；其他指标满足评价标准要求．通过防撞垫组合结构试验可知，由于缓冲距离的增加，车体碰撞方向加速度有了大幅度下降，但仍不满足要求．根据碰撞结果分析，可以通过降低刚度的方法得到防撞垫优化组合结构．

2.4 防撞垫优化组合结构

通过去除防撞垫组合中II型桶的PVC填充物来降低防撞垫刚度，在此基础上组织碰撞试验．车体加速度最大值X方向为18．9_g，Y方向为4．2_g，Z方向为6．1_g，缓冲能力满足评价标准要求；防撞垫压缩最大动态变形为1234mm，有进一步变形空间，对车辆动能的吸收留有一定安全系数，其他各项指标均满足评价标准要求．

3 结束语

通过事故形态和国内外相关规范确定非导向防撞垫碰撞试验条件与评价标准，具有客观性和较强针对性．文中提出防撞垫吸能表达式，指出充分变形空间和合理的刚度结构是防撞垫结构合理性的必要条件．通过多次碰撞试验结果证明该表达式对设计开发具有指导意义．新型非导向防撞垫各项性能指标均满足评价标准要求，可弥补护栏端部安全防护漏洞．研究成果为进一步开发高防护等级防撞垫奠定了基础，亦为国内规范修订完善提供一定参考．

1 总则

2 术语与符号

2.1 术语

2.2 符号

3 交通调查

4 总体设计

4.1 一般规定

4.2 总体设计要点

4.3 总体设计界面

4.4 设计界面

5 交通安全设施

5.1 一般规定

5.2 标志

5.3 标线

5.4 视线诱导标

5.5 隔离栅

5.6 防护网

5.7 号眩板

5.8 护栏

5.9 防撞垫

5.10 特殊交通安全设施

6 服务设施

6.1 一般规定

6.2 服务区

6.3 停车区

6.4 公共汽车停靠站

7 管理设施

7.1 一般规定

7.2 管理机构

7.3 监控系统

7.4 收费系统

7.5 通信系统

7.6 配电照明

7.7 房屋建筑

附录A 交通工程及沿线设施各专业间设计界面

本规范用词说明

附件 高速公路交通工程及沿线设施设计通用规范（JTG D80—2006）条文说明

1 总则

2 术语与符号

3 交通调查

4 总体设计

5 交通安全设施

6 服务设施

7 管理设施