(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 汽車與機(jī)械工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)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(xiǎn)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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及檢測(cè)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(jì)制造技術(shù)的不斷變革進(jìn)步，在公路交通越來(lái)越便利的同時(shí)，人們對(duì)速度、效率的追求更加重視，車輛朝著速度越來(lái)越快、體型越來(lái)越大的方向提升[2]。在全世界范圍內(nèi)，各個(gè)國(guó)家的新車評(píng)價(jià)程序(NCAP)要求的車輛安全碰撞速度最高不超過(guò)64 km/h，以我國(guó)為例，中國(guó)新車評(píng)價(jià)程序(C-NCAP)的碰撞項(xiàng)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(duì)最高限速為60 km/h的城市道路而設(shè)定，而對(duì)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(wú)法由自身提供保障。因此有必要大力開(kāi)展道路安全保障技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)出相應(yīng)的交通安全設(shè)施來(lái)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(guò)程中的碰撞安全，降低乘員的受傷風(fēng)險(xiǎn)。

為保證公路安全防護(hù)設(shè)施的有效性，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(jì)者和測(cè)試者必須確定它們的現(xiàn)實(shí)設(shè)計(jì)和測(cè)試條件；其次，國(guó)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(lái)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(duì)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(shí)，針對(duì)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(lái)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(jì)、交通穩(wěn)靜化措施、安全審計(jì)、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(duì)道路安全意識(shí)的提高，不同國(guó)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(jì)開(kāi)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(lái)容忍人們的駕駛失誤至關(guān)重要[4]。

通過(guò)從交通安全防護(hù)設(shè)施護(hù)技術(shù)的角度出發(fā)，對(duì)護(hù)欄設(shè)計(jì)技術(shù)、樁基檢測(cè)技術(shù)、控速減速車道等幾個(gè)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(wèn)題總結(jié)如下：具備多次防撞能力的護(hù)欄設(shè)計(jì)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(dòng)控速方面研究不足、立柱樁基約束條件檢測(cè)等虛擬儀器有待開(kāi)發(fā)、護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)、法規(guī)不完善等；最后對(duì)公路安全防護(hù)設(shè)施現(xiàn)有的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了相應(yīng)的探索，并對(duì)未來(lái)設(shè)施技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了展望總結(jié)。未來(lái)公路安全意識(shí)的提高，將推動(dòng)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(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及檢測(cè)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(shí)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(huì)大大增加，因此針對(duì)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(jì)方面進(jìn)行了大量研究工作，主要研究方向集中在對(duì)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(jì)，以及對(duì)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(jí)[7-10]。雖然我國(guó)開(kāi)展柔性護(hù)欄研究工作的時(shí)間并不長(zhǎng)，但已有學(xué)者在新型柔性護(hù)欄的開(kāi)發(fā)、耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法在立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guó)應(yīng)用比較廣泛的道路安全設(shè)施，針對(duì)其梁板結(jié)構(gòu)的研究，長(zhǎng)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(guò)PVC材料與耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化相結(jié)合的方法，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范的指導(dǎo)，我國(guó)現(xiàn)有針對(duì)可移動(dòng)護(hù)欄的研究并沒(méi)有很好的體現(xiàn)出可移動(dòng)護(hù)欄靈活、安裝簡(jiǎn)便的優(yōu)勢(shì)。

可移動(dòng)式活動(dòng)護(hù)欄是潮汐車道的重要組成部分，同時(shí)也是重要的道路臨時(shí)隔離設(shè)施，是一種對(duì)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(duì)可移動(dòng)式活動(dòng)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要成果有：組合型波形板活動(dòng)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(dòng)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(dòng)護(hù)欄[20]。

c.現(xiàn)有針對(duì)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(guò)大，不具備輕量化和小型化，導(dǎo)致使用現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有足夠的安裝空間。

針對(duì)護(hù)欄端頭和防撞墊的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，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(jì)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(guó)內(nèi)新出臺(tái)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用耐撞性拓?fù)鋬?yōu)化方法，對(duì)新型柔性護(hù)欄端頭設(shè)計(jì)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(guó)新法規(guī)的新型柔性護(hù)欄端頭[23]。

d.現(xiàn)有針對(duì)避險(xiǎn)車道的研究及設(shè)計(jì)思路大多局限在車輛失控后如何避險(xiǎn)，而針對(duì)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(xiǎn)車道存在對(duì)車輛損傷大、重復(fù)使用率低等諸多不足之處。

避險(xiǎn)車道是設(shè)置在連續(xù)長(zhǎng)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(duì)修筑避險(xiǎn)車道的基本條件、避險(xiǎn)車道的整體設(shè)計(jì)、車輛的減速過(guò)程、不同制動(dòng)方式對(duì)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(guò)程是一個(gè)瞬時(shí)動(dòng)態(tài)過(guò)程，由于分別在靜態(tài)和動(dòng)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(cè)立柱的樁基約束條件。

有學(xué)者在護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)方面進(jìn)行了大量研究工作，在針對(duì)公路護(hù)欄立柱埋深檢測(cè)中，各學(xué)者分別基于導(dǎo)波技術(shù)和彈性波法對(duì)其進(jìn)行了研究，分析了各種相關(guān)因素對(duì)立柱埋深檢測(cè)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(cè)要求[27-29]。在針對(duì)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(dòng)態(tài)沖擊載荷對(duì)立柱樁基約束條件的影響，確定了對(duì)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(lái)對(duì)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(guò)彈性擺錘撞擊埋入地基的立柱對(duì)其約束條件進(jìn)行檢測(cè)[33]。

綜而言之，現(xiàn)有不少學(xué)者針對(duì)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(gè)方面的問(wèn)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(jì)還存在缺陷，且由于我國(guó)針對(duì)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(jì)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(dòng)護(hù)欄主要應(yīng)用于臨時(shí)性的道路施工，潮汐車道等場(chǎng)所，需要頻繁的移動(dòng)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(jiǎn)單，方便拆裝。由于我國(guó)沒(méi)有完善的針對(duì)可移動(dòng)護(hù)欄的法規(guī)及設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，因此在可移動(dòng)護(hù)欄的研發(fā)設(shè)計(jì)上存在較大缺陷。

③ 護(hù)欄端頭防撞和獨(dú)立樁防撞的問(wèn)題一直以來(lái)都沒(méi)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(méi)有預(yù)留太大空間來(lái)進(jìn)行大型高防護(hù)等級(jí)防撞端頭的安裝，而現(xiàn)有的小型低防護(hù)等級(jí)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(jì)出具備輕量化和小型化的高防護(hù)等級(jí)的護(hù)欄防撞端頭及防撞墊的問(wèn)題急需解決。

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

⑤ 在仿真模擬設(shè)計(jì)的過(guò)程中，針對(duì)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(shí)也是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室即有條件對(duì)立柱進(jìn)行樁基約束，兩者都無(wú)法實(shí)現(xiàn)和護(hù)欄立柱安裝使用現(xiàn)場(chǎng)一致的樁基約束條件。因此，在護(hù)欄推廣使用前需要對(duì)立柱樁基約束條件進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。但由于在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷的作用下，樁基土對(duì)力的消散程度具有很大差別，從而導(dǎo)致這兩個(gè)過(guò)程中樁基土的力學(xué)性能也會(huì)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(cè)?，F(xiàn)在亟需研究開(kāi)發(fā)出一種動(dòng)態(tài)載荷下的立柱樁基約束條件檢測(cè)技術(shù)，以填補(bǔ)這方面的空白。

3 重點(diǎn)研究方向

針對(duì)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(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了初步的探索。但仍然需要從以下幾個(gè)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(guó)的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)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(duì)柔性護(hù)欄的設(shè)置要求也會(huì)不同，因此我們有必要根據(jù)我國(guó)道路的實(shí)際情況，有針對(duì)性的設(shè)計(jì)出多種柔性護(hù)欄以備選擇。以美國(guó)國(guó)家公路合作研究組織(NCHRP)第771號(hào)文件為例，這是專門針對(duì)如何選擇、使用以及維護(hù)柔性護(hù)欄的一個(gè)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(duì)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(shuō)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(guó)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(guó)的推廣使用。

可移動(dòng)護(hù)欄方面，我國(guó)交通部頒布實(shí)施的2013法規(guī)第5.3.3條細(xì)則對(duì)我國(guó)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(dòng)護(hù)欄所需遵循的碰撞等級(jí)；在美國(guó)MESH法規(guī)中，對(duì)于護(hù)欄試驗(yàn)共制定了6個(gè)碰撞等級(jí)，并對(duì)可移動(dòng)護(hù)欄進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。在沒(méi)有特殊要求的情況下，其防撞等級(jí)一般不超過(guò)3級(jí)，即TL-1、TL-2、TL-3，如表1所示。三種防撞等級(jí)均采用小型乘用車和小型載貨車(簡(jiǎn)稱皮卡)做為碰撞車型來(lái)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(jí)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(dòng)護(hù)欄試驗(yàn)條件Table 1 Mobile Barriers test conditions防護(hù)等級(jí)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(guó)針對(duì)可移動(dòng)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)的研究工作開(kāi)展較早，制定的標(biāo)準(zhǔn)也相對(duì)比較完善，但根據(jù)我國(guó)道路車輛的組成和交通情況和美國(guó)存在一定差異，不能完全照搬美國(guó)的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)，因此需要從我國(guó)道路交通實(shí)際情況出發(fā)，研究制訂出符合我國(guó)道路交通安全條件的可移動(dòng)護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)法規(guī)。

3.2 基于動(dòng)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(duì)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(guò)高問(wèn)題的有效方法，而傳統(tǒng)的解決形貌設(shè)計(jì)問(wèn)題的方法是基于靈敏度分析，它只能簡(jiǎn)單解決線性靜態(tài)問(wèn)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(dòng)態(tài)分析中的敏感性推導(dǎo)非常困難。而動(dòng)態(tài)形貌優(yōu)化方法則可很好地解決這個(gè)問(wèn)題，動(dòng)態(tài)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法是通過(guò)在優(yōu)化目標(biāo)附近能識(shí)別的半徑內(nèi)，用戶定義一個(gè)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(jì)的目標(biāo)是獲取一個(gè)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(jì)變量，U為與設(shè)計(jì)變量Xi相關(guān)聯(lián)節(jié)點(diǎn)所在的設(shè)計(jì)區(qū)域，Utarget為設(shè)計(jì)領(lǐng)域的目標(biāo)值。

在動(dòng)態(tài)形貌優(yōu)化中，迭代是通過(guò)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(gè)變量的場(chǎng)變量，是通過(guò)對(duì)其前三次迭代的場(chǎng)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(jì)變量。

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

(3)

優(yōu)化過(guò)程的終止條件有兩個(gè)：

① 迭代的數(shù)量已經(jīng)超過(guò)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(jì)算式如下：

(4)

圖1為長(zhǎng)沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室，利用動(dòng)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(jì)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(zhǎng)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(jì)的護(hù)欄端頭，該護(hù)欄端頭整體長(zhǎng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，與同防護(hù)等級(jí)同材料的同類產(chǎn)品比較而言，其長(zhǎng)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(guò)增減吸能單元的數(shù)量來(lái)改變其防撞等級(jí)以滿足不同場(chǎng)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(shí)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(cè)技術(shù)

由于現(xiàn)在沒(méi)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(cè)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(kāi)發(fā)一種操作簡(jiǎn)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(cè)技術(shù)。與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合的反演識(shí)別法則可以通過(guò)在動(dòng)態(tài)分析中對(duì)立柱與樁基結(jié)合面進(jìn)行參數(shù)識(shí)別，從而對(duì)該立柱樁基約束條件進(jìn)行檢測(cè)。其操作簡(jiǎn)單，檢測(cè)結(jié)果精確，無(wú)疑是實(shí)現(xiàn)樁基約束條件檢測(cè)技術(shù)智能化的優(yōu)選途徑。

首先，需要通過(guò)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(duì)淺埋薄壁短樁進(jìn)行錘擊試驗(yàn)，來(lái)獲取提供邊界條件和初始工況以及演化過(guò)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(lái)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(duì)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(guò)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(duì)有限元數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)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(wèn)題轉(zhuǎn)化為特定的優(yōu)化問(wèn)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(cè)應(yīng)用中，系統(tǒng)的輸出向量Y為通過(guò)錘擊實(shí)驗(yàn)觀測(cè)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(shì)條件的限制在我國(guó)西部道路的建設(shè)中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)較多的連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段，在這樣的路段行駛，車輛需要長(zhǎng)期制動(dòng)，很容易發(fā)生車輛制動(dòng)失效的情況，從而導(dǎo)致嚴(yán)重的交通事故。因此，連續(xù)長(zhǎng)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(shí)，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(xiǎn)路段無(wú)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(zhǎng)沙理工大學(xué)大型結(jié)構(gòu)碰撞實(shí)驗(yàn)室針對(duì)連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段等危險(xiǎn)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(zhǎng)大下坡路段對(duì)車輛進(jìn)行控速，還可以應(yīng)用于隧道入口對(duì)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(xiǎn)場(chǎng)所。圖4為路肩避險(xiǎn)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(xiǎn)路段自動(dòng)限制車輛速度，從源頭防止事故的發(fā)生。

圖4 路肩避險(xiǎn)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(guó)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(guó)外存在較大差距，隨著我國(guó)道路交通日益發(fā)達(dá)，道路行駛車輛不斷增長(zhǎng)，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(kāi)發(fā)與應(yīng)用、安全效果評(píng)價(jià)和各種實(shí)施手冊(cè)的制定、樁基檢測(cè)技術(shù)、控速車道等幾個(gè)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(guò)高的問(wèn)題，這對(duì)提高護(hù)欄對(duì)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(dòng)護(hù)欄相關(guān)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)計(jì)規(guī)范，大力發(fā)展可移動(dòng)式護(hù)欄使用靈活性提升技術(shù)，增加可移動(dòng)式護(hù)欄的使用靈活性，使其能夠適應(yīng)各種臨時(shí)道路場(chǎng)所的防護(hù)需要，這對(duì)我國(guó)潮汐車道的發(fā)展及道路臨時(shí)施工現(xiàn)場(chǎng)的安全防護(hù)具有突出意義。

c.通過(guò)對(duì)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)不統(tǒng)一的矛盾，這在推動(dòng)試驗(yàn)研發(fā)產(chǎn)品在道路現(xiàn)場(chǎng)的推廣使用方面具有重大意義。

e.通過(guò)對(duì)新型吸能式安全控速車道的研究，大力發(fā)展連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段控速技術(shù)，從源頭防止事故的發(fā)生，這對(duì)避險(xiǎn)車道的研究設(shè)計(jì)提供了新的思路，對(duì)推動(dòng)新型安全控速車道的發(fā)展具有開(kāi)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(guò)建立完善交通安全防護(hù)設(shè)施來(lái)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(xiǎn)目的。