萬濤 暴怡軒 馬可凡

摘要 隨著智慧交通、新基建等新興概念的提出，交通基礎(chǔ)設(shè)施結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)的創(chuàng)新愈發(fā)重要。目前，我國各城市道路、高速公路所使用的車輛限高裝置存在攔截方式被動、設(shè)施結(jié)構(gòu)剛性強、超高預(yù)防困難等問題。文章針對現(xiàn)有限高裝置存在的問題，基于交通安全與經(jīng)濟(jì)理論，提出一種采用可轉(zhuǎn)動橫梁的新型交通限高裝置，以解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，提升交通管理效率。

關(guān)鍵詞 交通限高;限高裝置;交通管理;新基建

中圖分類號 U495 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0047-03

收稿日期：2022-04-02

作者簡介：萬濤（1979—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：機場道路工程及交通管理。

0 引言

近年來，中國進(jìn)入了新基建時代，交通運輸業(yè)不斷向生態(tài)化、數(shù)字化、智能化方向轉(zhuǎn)型發(fā)展。隨著運輸需求的增加，以及基礎(chǔ)設(shè)施和運輸裝備的不斷完善，大型客車、大中型載重汽車保有量迅速增加。為保證橋隧等基礎(chǔ)設(shè)施運行安全，常在城市高架路匝道出入口、公鐵跨線橋等位置設(shè)置限高門架。

限高門架為用于橋梁、涵洞、隧道入口處的門型構(gòu)架，一般為鋼結(jié)構(gòu)焊接而成，起防護(hù)橋梁、涵洞、隧道的作用?，F(xiàn)在普遍使用的限高門架為固定門架式結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)由兩根立柱與一根橫梁組成，橫梁上安裝有限高標(biāo)志，以提醒超高車輛，防止超高車輛未按交通標(biāo)志要求行駛或強行通過時與限高門架發(fā)生碰撞，從而實現(xiàn)保護(hù)橋體、涵洞、隧道的目標(biāo)。

然而，隨著交通流量的迅猛增長及貨運物流的發(fā)展，現(xiàn)有固定式限高門架在保護(hù)橋體、涵洞及隧道的同時，也面臨著被超高車輛頻繁撞毀的風(fēng)險，不僅增加了交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)成本，而且降低了交通系統(tǒng)的安全性。據(jù)統(tǒng)計，2019年全國有報道的限高架碰撞事故累計49起，2020年初至同年11月期間累計發(fā)生37起[1]。

因此，針對現(xiàn)有限高裝置設(shè)計缺陷，優(yōu)化、改進(jìn)限高裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，對降低事故風(fēng)險、減少事故損失尤為重要。

1 研究現(xiàn)狀

針對目前限高裝置存在的問題，多數(shù)學(xué)者主要從裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計、限制高度調(diào)節(jié)、限高預(yù)警系統(tǒng)開發(fā)等角度開展研究。Lu等[2]基于非線性有限元模擬，通過利用MSC有限元軟件包、在有限元模型中采用MARC增強模擬的真實性，以探究超高車輛與橋梁上部結(jié)構(gòu)的碰撞損傷。Zhang等[3]針對城市內(nèi)超高車輛與橋梁上部結(jié)構(gòu)頻繁發(fā)生的碰撞事故，基于高精度有限元模擬，探討了超高車輛對橋梁上部結(jié)構(gòu)沖擊機理和損傷模式。Wang等[4]基于ANSYS/LS-DYNA非線性軟件，對超高車輛與防護(hù)架碰撞過程進(jìn)行了仿真，從變形、應(yīng)力、載荷等方面分析了防護(hù)架的失效機理。何江斌等[5]針對高頻率發(fā)生的超高車輛與橋梁限高架刮撞事故，通過對橋梁限高架進(jìn)行緩沖碰撞的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，增大其提醒面積，從而有效降低超高車輛與橋梁限高架刮撞概率。吳寒等[6]為解決現(xiàn)有限高桿不能調(diào)節(jié)的弊端，設(shè)計了一種利用限高裝置調(diào)節(jié)高度的道路交通限高桿，增大通過性，保證緊急過高車輛安全通過。梁靖茹等[7]則采用激光技術(shù)對車輛高度進(jìn)行超高預(yù)測，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，利用單片機實現(xiàn)無線傳輸，使得超高車輛改變線路避免事故。另外，尹京[8]基于纖維增強復(fù)合材料具有抗拉強度高、質(zhì)量輕等特點，提出并論證采用玻璃纖維與聚氨酯拉擠成型工藝加工鐵路橋限高防護(hù)架的方案的可行性，并基于復(fù)合材料實際參數(shù)，設(shè)計橫梁結(jié)構(gòu)，提升了裝置穩(wěn)定性。韓佳彤等[9]通過技術(shù)依托、系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)功能、智能限高監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)施樣式設(shè)計等，進(jìn)行呼和浩特市快速路建設(shè)中智能限高監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，從而為快速路建設(shè)以及道路智能限高監(jiān)控系統(tǒng)的實施提供技術(shù)指導(dǎo)。章文等[10]針對公共限高系統(tǒng)的交互設(shè)計，從服務(wù)提供者與接收者間的契合關(guān)系、系統(tǒng)外觀融入城市形象體系、近場事故管理與遠(yuǎn)程導(dǎo)航服務(wù)兩個交互場景三方面，構(gòu)建基于先進(jìn)技術(shù)的系統(tǒng)交互方式，營造更加人性化、安全和精準(zhǔn)的公共限高系統(tǒng)交互體驗。馬陽冉[11]分析超限車輛強行通過被交路造成橋梁底板被刮蹭、損壞的情況，證實在被交路設(shè)置限高架能有效防止梁板遭受撞擊，更好地保護(hù)橋梁梁板安全，保障高速公路車輛行駛的安全性。李金剛等[12]針對中國限高桿設(shè)置亂象，通過對比分析國內(nèi)外限高設(shè)施設(shè)置情況，指出了中國限高桿設(shè)置存在的主要問題，并從完善限高桿管理制度、規(guī)范限高桿設(shè)置、定期排查維護(hù)、加強科技應(yīng)用四方面提出針對性的對策建議。史菲帆等[13]為降低傳統(tǒng)剛性限高架造成的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失，提出了一種基于樹莓派的智能限高系統(tǒng)及智能安全限高架，該系統(tǒng)由車輛高度監(jiān)測系統(tǒng)、預(yù)警系統(tǒng)、車輛信息記錄系統(tǒng)和闖崗處理系統(tǒng)組成，通過聲音、文字、警示燈等途徑，向超高車輛發(fā)出警示。限高架采用裹覆彈性材料的軟性阻攔可開合橫桿，可有效避免車桿相撞造成的慘劇，同時在該限高架后方一定距離處設(shè)置超高車輛返回路線及傳統(tǒng)剛性限高架，保證交通設(shè)施及駕乘人員的安全，對有效降低車和限高桿相撞導(dǎo)致的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡具有重要的社會價值及意義。

分析已有研究資料發(fā)現(xiàn)，較少有針對交通限高裝置中的橫梁進(jìn)行改造、減輕碰撞事故對限高裝置損毀程度的相關(guān)研究。因此，該文通過分析總結(jié)現(xiàn)有交通限高裝置存在的技術(shù)不足，提出一種新型交通限高裝置。

2 新型交通限高裝置

2.1 裝置構(gòu)成與工作原理

該文針對現(xiàn)有限高裝置存在的不足，提出一種新型交通限高裝置優(yōu)化設(shè)計理念。該裝置的創(chuàng)新之處在于其采用可轉(zhuǎn)動的橫梁，在碰撞時可避免裝置撞毀，并且通過兩個反方向的扭簧實現(xiàn)橫梁與立柱間的彈性連接，使得橫梁在碰撞事故發(fā)生后可以自動復(fù)位，以恢復(fù)正常使用。

裝置功能的實現(xiàn)決定于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)間的連接方式，如圖所示，圖1表示裝置結(jié)構(gòu)示意圖，圖2表示其正向與側(cè)向放大剖視結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中各序號所表示的含義如表1所示。

該裝置各結(jié)構(gòu)間的連接關(guān)系為：

（1）立柱。使用過程中，立柱1應(yīng)設(shè)置在道路一側(cè)，并需在頂部設(shè)置轉(zhuǎn)軸2。

（2）橫梁。橫梁3的一端將轉(zhuǎn)動套設(shè)在立柱1頂部的轉(zhuǎn)軸2上，另一端懸臂。同時，整個橫梁結(jié)構(gòu)上方設(shè)置有限高標(biāo)志4，以提醒過往車輛。

（3）扭簧。扭簧包括第一扭簧5和第二扭簧6，分別設(shè)置在橫梁3一端的上、下兩側(cè)。兩扭簧的一端與轉(zhuǎn)軸2連接，另一端均與橫梁3連接，且兩扭簧方向相反以便于橫梁3復(fù)位。

（4）緩沖層。緩沖層7為包裹在橫梁3外側(cè)的橡膠層結(jié)構(gòu)，用以減小沖擊力，避免碰撞對橫梁3和車輛造成損壞。

（5）攝像頭。攝像頭8嵌設(shè)在緩沖層7內(nèi)多個凹槽16的底部，以防止碰撞對攝像頭造成損壞。橫梁3的兩側(cè)均設(shè)置有攝像頭8，用以拍攝過往車輛的車牌號。

具體而言，橫梁的一端需套設(shè)在轉(zhuǎn)軸上與立柱形成轉(zhuǎn)動的連接形式，當(dāng)超高車輛與橫梁發(fā)生碰撞時，橫梁憑借可轉(zhuǎn)動性，將碰撞產(chǎn)生的沖擊力進(jìn)行緩沖，避免橫梁及立柱的損壞。同時，基于第一扭簧與第二扭簧的反向設(shè)計方式，橫梁與立柱在自然狀態(tài)下的相對位置得以保持不變。自然狀態(tài)下，道路橫梁呈懸臂狀態(tài)，當(dāng)車輛與橫梁碰撞時，第一扭簧和第二扭簧同時形變，產(chǎn)生大小相同而方向相反的扭力，使得橫梁轉(zhuǎn)動后可自動復(fù)位。

（6）轉(zhuǎn)動套。轉(zhuǎn)動套9是截面為矩形的環(huán)形結(jié)構(gòu)，設(shè)置在橫梁3的一端上側(cè)，其上、下表面分別與橫梁3的上、下表面平齊，同時內(nèi)周與轉(zhuǎn)軸2套合實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

（7）承托盤。承托盤10設(shè)置在立柱1上端，其上設(shè)置有多個第一滾珠11，以便與轉(zhuǎn)動套9下表面配合滾動，減小轉(zhuǎn)動套9與承托盤10之間的摩擦力。

（8）第一扭簧容納槽。第一扭簧容納槽12設(shè)置在承托盤10上方，第一扭簧5嵌設(shè)在容納槽12內(nèi)。

（9）轉(zhuǎn)軸蓋。在轉(zhuǎn)動套9上方設(shè)置有轉(zhuǎn)軸蓋13，轉(zhuǎn)軸蓋13與轉(zhuǎn)軸2連接，并且借助于第二滾珠14實現(xiàn)與轉(zhuǎn)動套9之間的滾動配合，以減小轉(zhuǎn)動套9與轉(zhuǎn)軸蓋13間的摩擦力。

（10）第二扭簧容納槽。第二扭簧容納槽15設(shè)置在轉(zhuǎn)軸蓋13下方，第二扭簧6設(shè)置在該容納槽15內(nèi)。

（11）壓力傳感器。在緩沖層7與橫梁3之間需設(shè)置多個壓力傳感器，該結(jié)構(gòu)的作用為檢測車輛與橫梁是否發(fā)生碰撞，進(jìn)而判斷車輛是否超高。

（12）控制單元?？刂茊卧ń邮?、處理、信號傳送三大模塊。其中，接收模塊與攝像頭8連接，用于接收攝像頭8的拍攝信息和壓力傳感器的壓力信息;處理模塊與接收模塊連接，用于根據(jù)拍攝信息和壓力信息判斷超高車輛與橫梁的碰撞并記錄超高車輛的車牌號;信號傳送模塊與處理模塊連接，用于將超高車輛的車牌號傳輸至交通管理系統(tǒng)。

以該裝置設(shè)置在橋梁端為例對其工作原理進(jìn)行說明。在實際交通運行環(huán)境中，立柱1下端通過鋼筋混凝土基礎(chǔ)埋設(shè)在道路一側(cè)，具有懸臂結(jié)構(gòu)的橫梁3位于道路中間，在第一扭簧5和第二扭簧6的作用下，橫梁3靜止。

當(dāng)有車輛駛來時，攝像頭8即時拍攝車輛的車牌信息，并將其暫時儲存在接收模塊內(nèi)。當(dāng)有超高車輛與橫梁3發(fā)生碰撞時，壓力傳感器能夠檢測到碰撞的發(fā)生，此時處理模塊記錄并儲存該車輛的車牌信息，通過信號傳送模塊發(fā)送至交通管理系統(tǒng)。經(jīng)受碰撞沖擊后，橫梁3轉(zhuǎn)動，繼而在第一扭簧5與第二扭簧6的彈力作用下自動復(fù)位，恢復(fù)正常使用，從而避免碰撞對該裝置造成損壞。而未超高車輛的車牌信息無需長時間存儲，車輛正常通過后裝置立即清除車牌信息的存儲記錄，以減小處理量，節(jié)省內(nèi)存。

2.2 技術(shù)優(yōu)勢

該文提出的一種新型交通限高裝置，相較于現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的傳統(tǒng)限高門架，其技術(shù)優(yōu)勢在于：

2.2.1 該裝置采用可轉(zhuǎn)動橫梁

通過兩個方向相反的扭簧在橫梁與立柱間建立彈性連接，實現(xiàn)橫梁自動復(fù)位。相較于現(xiàn)有固定式門架及剛性連接結(jié)構(gòu)，當(dāng)超高車輛駛過時，該文中的新型限高裝置可有效避免裝置被撞毀。

2.2.2 該裝置設(shè)置有攝像頭

攝像頭能夠清晰拍攝記錄與裝置發(fā)生碰撞的車輛的車牌信息，以有效解決現(xiàn)有裝置缺乏攝錄取證功能的不足，有利于強化警示作用，降低超高車輛與限高裝置的碰撞概率。

2.2.3 該裝置設(shè)置有壓力傳感器

通過該結(jié)構(gòu)的監(jiān)測，裝置能夠判斷車輛是否與橫梁發(fā)生碰撞，如果碰撞發(fā)生，處理模塊將相關(guān)車輛的車牌信息即時發(fā)送至交通管理系統(tǒng)。

3 結(jié)語

該文針對現(xiàn)有交通限高裝置中存在的問題提出了一種新型設(shè)計，該新型限高裝置由立柱、橫梁、扭簧、緩沖層與攝像頭等構(gòu)成。與目前廣泛應(yīng)用的固定式限高門架不同，該裝置創(chuàng)新性地采用可轉(zhuǎn)動橫梁。橫梁借助于第一扭簧與第二扭簧的反向彈力，與立柱建立彈性連接。當(dāng)超高車輛與裝置發(fā)生碰撞時，在緩沖層對沖擊力的緩和作用及扭簧的彈力作用下，橫梁可自動復(fù)位，從而降低碰撞沖擊力度，避免裝置被撞毀，并減少經(jīng)濟(jì)損失，提升交通管理效率與效益。

參考文獻(xiàn)

[1]林理科， 曾超， 劉享浚. 預(yù)警自修復(fù)式聯(lián)動救援限高系統(tǒng)研究[J]. 城市道橋與防洪， 2021（11）： 203-205.

[2]Lu X Z， Zhang Y S， Jiang J J， Ren A Z， Ning J. Nonlinear finite element simulation for the impact between over-high truck and bridge-superstructure[C]. //International Conference on Shock & Impact Loads on Structures; 20071017-19; Beijing（CN）. 2007： 387-394.

[3]Zhang Y S， Lu X Z， He S T， Lu X. Mechanism and damage modes of collision between over-high trucks and bridge superstructures[C]. //ISCM II and EPMESC XII. Part one.： American Institute of Physics， 2009： 255-260.

[4]Wang J T， Qu S Y， Hou X M， Ju A T. Collision analysis of protection frame for height limit and over-high trucks[C]. //Advanced Engineering Materials.： Trans Tech Publications， 2011： 1952-1957.

[5]何江斌， 陳國升. 橋梁限高架緩沖碰撞的結(jié)構(gòu)改造研究[J]. 鐵道建筑技術(shù)， 2020（11）： 27-30.

[6]吳寒， 江偉， 王金麗， 等. 一種可調(diào)節(jié)的道路限高桿[J]. 造紙裝備及材料， 2020（2）： 21.

[7]梁靖茹， 顧佳藝， 劉楊， 等. 基于道路超高事故預(yù)防的限高警報器設(shè)計[J]. 現(xiàn)代交通技術(shù)， 2020（2）： 70-73.

[8]尹京. 纖維增強復(fù)合材料用于鐵路橋限高防護(hù)架可行性研究[J]. 鐵道建筑， 2020（2）： 52-55.

[9]韓佳彤， 周建國， 郎世明. 快速路建設(shè)中智能限高監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 交通世界， 2020（23）： 162-164.

[10]章文， 陳金龍. 面向智慧城市的公路限高系統(tǒng)交互設(shè)計研究[J]. 工業(yè)設(shè)計， 2020（11）： 125-127.

[11]馬陽冉. 高速公路被交路增設(shè)限高架的設(shè)計[J]. 交通世界， 2021（Z1）： 84-85.

[12]李金剛， 閆星培. 關(guān)于優(yōu)化道路限高桿管理的研究[J]. 道路交通管理， 2021（2）： 38-39.

[13]史菲帆， 鄭元勛， 張茜， 等. 智能限高系統(tǒng)及限高架設(shè)計[J]. 產(chǎn)業(yè)與科技論壇， 2022（5）： 43-45.