第１０卷第２７期２０１０年９月１６７ｌ一１８１５（２０１０）２７．６６７９—０６
科学技术与工程
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．１０Ｎｏ．２７
Ｓｅｐ．２０１０
ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＠２０１０
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．
交通运输
收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
高
忠
（河南中原高速公路股份有限公司，郑州４５００５２）
摘要针对收费站频发车辆撞击收费亭伤人和撞击水泥岛头侧翻造成严重交通事故的现实，提出了缓冲护栏和单波梁防撞垫等新型安全设施的设计理念，并将单波梁防撞垫、水泥岛头、缓冲护栏和防撞柱合理布局组成了收费站交通安全防护体系。经过实车碰撞实验，验证了产品的可靠性和设计的可行性。关键词单波梁
防撞垫
缓冲护栏
碰撞
安全防护
事故
中图法分类号Ｕ４１７．１２；文献标志码Ａ
护栏和防撞垫是收费站车辆安全防护体系的主要组成部分，是保证公路和桥梁快速、安全运营必不可少的安全防护设施，在减少交通事故数量和减轻事故严重程度方面发挥着重要作用。
１．２
车辆冲上安全岛撞击收费亭
由于防护栏设置简单，防撞和导向能力差，车
辆冲上安全岛后撞坏护栏，撞击收费亭。
２００９年６月１８日上午，一辆超长大挂车，行驶到贵黄公路金关收费站时突然失控，将停在出口处
１我国收费站的事故类璎
１．１车辆撞击水泥岛头
水泥安全岛岛头为刚性设置，车辆碰撞时易于造成侧翻事故，威胁车内乘员安全。如图ｌ所示。
２号收费亭正在交费的一辆营运大客车撞飞１０多Ｉｎ，之后冲上２号收费亭，如图２所示。
图２车辆撞击收费亭
为了保护司乘人员和收费人员的生命安全和
社会财产安全，必须设置有一定防撞等级的、有导
图１车辆碰撞水泥安全岛而侧翻
向作用的防撞护栏及有吸能作用的防撞垫。
２００８年７月１７日下午，一辆小型货车侧翻在昆玉高速收费站出口处是由刹车失灵而撞上水泥安全岛岛头所发生的侧翻事故。
２新型安全防掩没施的设计
２．１单波梁防撞垫的设计
由单波梁和单元桶组合成的单波梁防撞垫，在碰撞过程中吸收大量的能量。变形以单元桶为主，
２０１０年８月１３１３收到
作者简介：高忠，河南人，高级工程师。
单波梁由于刚度较大及结构特殊等原因，变形很
小，可以重复使用。即恢复碰撞过后的单波粱防撞
万方数据
６６８０
科学技术与工程
１０卷
垫只需更换单元桶，从而节省大量钢材。由弧形钢板和单波梁架立板组成的吸能单元所含弧形钢板数量从碰撞端头到防撞垫尾部，由少到多布置，第四单元桶布置四块弧形钢板，第五单元桶布置六块弧形钢板；吸能单元所含弧形肋板的弧形钢板数量从碰撞端头到防撞垫尾部由少到多布置，第五单元桶含弧形肋板的弧形钢板数量为两块，第六单元桶含弧形肋板的弧形钢板数量为四块，如图３所示。
图３防撞垫模型
单波梁防撞垫尾部的吸能单元桶与地面预埋钢管松散连接固定，当车辆发生碰撞时，从碰撞端头到防撞垫尾部各单元桶依次发生变形，吸收车辆动能。当车辆动能大于设计值时，预埋钢管倒伏，防撞垫完全变形吸能后失去作用，车辆减速后与单波梁防撞垫和被保护物体发生二次碰撞后停下…。缓冲护栏的设计原理是缓冲、防撞和导向的统一。缓冲（算盘型景观）护栏由立柱、横梁、滚轴、滚珠和连接套管等组成，如图４所示；其中横梁分为顶梁、中梁和底梁三部分。三根横向平行设置的横梁与纵向平行设置的数根滚轴形成算盘型框架，如图５所示。
图４缓冲护栏
万方数据
图５缓冲（算盘型景观）护栏及算盘型结构图
滚轴中心距为２００ｍｍ，立柱的间距为２
０００
ｍｍ。每根滚轴上有上、下两部分滚珠，滚轴与横梁连接，横梁与立柱和同定垫块连接，立柱与桥面预埋螺栓固定连接。滚轴两端分别插入或穿过顶梁和底梁，用钢筋依次穿过所有滚轴两端预留孔，并在每段钢筋的端部进行螺栓封固。
算盘型框架单元每根滚轴上穿有五个滚珠，滚珠由聚氨酯橡胶制作成圆柱体，表面设置徽标纹形。其中两个滚珠分布在顶梁与中梁之间，为黄色，三个滚珠分布在中梁和底梁之间，红色黄色相
间。当车辆发生碰撞时，滚珠围绕滚轴转动，算盘型活动框架单元微小变形，起到很好的导向、缓冲
消能的防护作用。
３新型防撞安全设施试验与实验
３．１单波梁防撞垫试验与实验
３．１．Ｉ
不可倒伏立柱设计与试验
对单波梁防撞垫进行数值模拟试验，采用１．５
ｔ
小车进行６０ｋｍ／ｈ速度的正面碰撞旧１。碰撞模型分析如下：如图６所示，其中小轿车长度为２．８
ｍ，
宽为１．７４ｍ，高１．４ｍ，车辆重量为１．５ｔ，轮胎气压为２．５×１０３Ｐａ（ｂａｒ）。
图６碰撞模型
小车正面碰撞过程如图７。
２．２缓冲护栏的设计
２７期高忠：收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
６６８ｌ
图７碰撞过程
车辆碰撞防撞垫前端后，单元桶压缩变形，车辆动能全部转化为单波梁防撞垫变形能。单波梁防撞垫最大动态变形１
８９６
ｉｎｔｏ，此后单波梁防撞垫
开始反弹，单波梁防撞垫的部分变形能又转化为车辆动能，最大永久变形１
６５０
ｍｉｌｌ，如图７所示。
小车加速度整体变化均匀，没有大的起伏，速度上升比较平稳，没有出现大的波动；每个桶的实际吸能值都在设计范围之内，完全达到了设计要求。与传统防撞桶相比，单波梁防撞垫更能保护车内人员的安全。
从图５中可以看出，第五个单元桶没有完全压扁，第五个和第六个单元桶内的异型波形梁也没有完全压扁。说明所设计的单波梁防撞垫具有一定的吸能空间。
结论：有异型波形梁的单波梁防撞垫加速度值整体较低、波动幅度较小、速度曲线平稳。第一、三、五桶吸能作用明显增加，每个桶的吸能配置合理。其他各项指标符合设计要求，设计达到了预期目的。表１给出了单元桶吸能计计值与实际值的对比值。
表１单元桶吸能设计值与实际值对比
单元桶吸能值ＡＢ
ＣＤＥＦ总计
设计值／ｋＪ５０３０６０５０３０２０２４０
实际值／ｋＪ
４３．７
２４．７
５３．０
４８．７
２５．２
１２．６
２０８
３．１－２可倒伏立柱设计方案
由试验得知在：６０ｋｍ／ｈ时本产品完全可以满
万方数据
足防护要求，并且还有一定的吸能空间。为了应对特殊情况，即当有大于６０ｋｍ／ｈ的车辆撞击单波梁防撞趣时，单波梁防撞垫依然能起到保护作用，而不会成为障碍物；特设计可倒伏立柱，当有大于
６０
ｋｍ／ｈ的车辆撞击防撞垫时，立柱发生倒伏，防撞
垫往前推移，发生第二次碰撞，最大限度发挥防撞垫的防护功能。其６０ｋｍ／ｈ仿真试验过程如下：
使用的小车和防撞垫模型如下。单波梁防撞垫与算盘珠护栏有ｌ
０００
ｍｍ的间隙。为立柱的倒伏留
有空间。可倒伏立柱高度为９００ｍｍ直径１１４ｍｌｎ如图８。
图８防撞垫及小车模型
小车正碰过程，如图９所示。
图９小车碰撞过程
小车碰单波梁防撞垫以后立柱发生倒伏，运行
２４７１
ｍｉｌｌ开始后退，由于立柱的倒伏，双波梁并没
有完全变形，只有第五、六个桶的双波梁有很少变形，即单波梁防撞垫仍有进一步吸能的空间。立柱发生倒伏以后防撞垫开始前移，使用可倒伏立柱时车辆的加速度最大值为９．６ｇ，加速度与优化前（最大值为１２．３ｇ）降低２．７ｇ，立柱处于倒伏的临界
状态。
３．１．３
单波粱防撞垫的最大防护能力
单波梁防撞垫安装在水泥岛头前小车以
８０
ｋｍ／ｈ时速碰撞单波梁防撞垫时；如图１０，图１ｌ
所示。
科学技术与Ｉ程１０卷
一
≥写墨
目１０
碰
虢
≥和
酗¨防掩垫和小车变形
圉ＩＯａ为车辆碰撞单渡肇防撞垫模型，在图ｌｏｂ中立柱开始倒伏，加速度达到最大值１４
０９ｇ．
速度为５４ｋｍ／ｈ。围ｌＯｄ防撞垫发生完全变形，脱离小中和立柱，此后单波粱肪撞垫不再发挥缓冲和吸能作用；车辆驶上安全岛，速度剩余２４８ｋｍ／ｈ，
单波粱防撞垫实际最大可吸能值为３３４６”．最大
设计碰撞时速为８０ｋｍ／ｈ时的能量为３７０４
Ｕ，能
量残余值为３５
４
ｋＪ。图ＩＯｄ、ｆ小车加速度保持很
小的值，速度缓慢下降。在整个碰撞过程车辆完好尤搠，小会倒市柱过强而加重车辆和乘员的损坏程度，防撺挚完全发挥了缓冲和暇能作用。
６０ｋｍ／ｈ为车辆碰撞单波粱防撞垫的临界状态
（设计吸能值２０８Ｕ），此时缓冲和吸能作用明显。太于６０ｋｍ／ｈ单波繁防撞垫实际最大防护能力
３３４
６
ｋＪ，单波梁防撞垫不会起到障碍物的作片Ｊ，在
吸收完能量后离开原位置。
为了验证单涟粱防撞垫的吸能功能，对单波梁防撞垫做正碰宜车实验。实验采用八个单元桶，眦验证六十啦元桶能开完全吸收能量，如罔１２所示。
实车碰撞宴验川单渡粱防撞挚世所使州的牟辆冀车碰撞结论
万方数据
曩一譬圉ｆ２实车碰艚图片
第七、八个单元桶役有压扁，说明六个单无桶
可以完全吸收能量。单渡梁不变形．可以重复使用。各项指标满足捡测要求。
３．２缓冲护栏试验与实验
３
Ｚ１仿真试验
大客车６０ｋｍ／ｈ、２０度角撞击缓冲（算盘型景观）护栏的撞击过程，如图１３，躅１４所示。
圈１３大客车撞击过程
秘霹
２７期高忠：收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
６６８３
在两次模拟过程中大客车头部和尾部均发生３．２．２实车碰撞实验
损坏，损坏最严重的部位处于大客车车头下方，不会对司乘人员造成伤害。本次模拟中大客车撞击护栏以后驶回原来轨道，护栏结构没有大幅度损坏，所测试的算盘型护栏起到了很好的导向和阻挡车辆作用。碰撞时没有出现翻越跨出等现象。所设计护栏符合规范要求。
缓冲（算盘型景观）护栏１．５ｔ小客车１００ｋｍ／ｈ、
２０度角仿真试验，如图１５所示。
小客车撞击过程：
图１５小车碰撞过程
图１６碰撞完成后护栏和客车变形情况
小客车以２０度角撞击护栏，首先前部开始撞击，完成后小车前部只有保险杠处发生损坏，如图
１６所示，不会对司乘人员造成伤害。护栏发挥很好
的导向作用使小车改变行驶方向进入原来轨道。小车开始尾部撞击。此时小车由于动能减小，碰撞时尾部损坏不大，碰撞完成后小车驶出角减小，驶入原来运行轨迹。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横粱发生了变形，但保持原来结构，起到阻挡车辆作用。头部和尾部两次撞击由于护栏的导向作用，小车驶入原来轨道。同时小车只有保险杠处发生损坏，不会影响车内人员的安全。
万方数据
缓冲（算盘型景观）护栏与碰撞完成后护栏和实验用大客车的变形情况如图１７所示。
图１７缓冲（算盘型景观）护栏与碰撞实验车辆
碰撞实验结果：
此次碰撞实验采用大客车进行。实验结果：缓冲（算盘型景观）护栏起到了导向和阻挡车辆的作用，车体最大加速度值达到评价标准要求。在本次客车碰撞护栏过程中，大客车虽然有重心高、车速慢、质量大的特点，但是并没有产生外翻现象，也没有对护栏造成较大的损坏，只是损坏部分滚珠（在碰撞过程中有部分滚珠被正常挤裂掉落。缓冲护栏加工厂对聚氨酯橡胶滚珠进行了材料优化，提高
了抗裂能力），碰撞完毕后大客车又驶回原来的轨迹。可见本次实验中缓冲（算盘型景观）护栏起到了很好的阻挡和导向作用。车辆的驶出角度小于碰撞角度的６０％；护栏的变形主要集中在碰撞段之间，横梁向外弯曲呈拱形，但是并没有发生断裂，立柱有不同程度的向后倾斜情况，其中倾斜最严重立柱也没有发生断裂。该护栏防护系统对大型车的
防护性能、乘员风险、驶出角度、动态变形等七项性能符合《高速公路护栏安全性能评价标准》（ＪＴＧ／Ｔ
Ｆ’８３珈ｌ—２００４）和《公路交通安全设施设计规范》
（ＪＴＧ
Ｄ８ｌ＿００６）的相关要求Ｈ１。
４收费站车辆安全防护新体系组成与布局
我国现有收费站车辆安全防护新体系主要由防撞桶、水泥岛头、简易护栏和防撞柱组成。收费。站只有收费亭两侧设置护栏，部分收费站在建站时因缺乏安全意识，致使收费亭两侧没有设计防护
栏；多数收费站在收费亭两侧设置简单的钢管结
科学技术与工程
ｌＯ卷
构，护栏没有经过实车碰撞实验，防撞能力低。当
小车发生车辆撞亭事故时有一定防护能力，但当大车发生车辆撞亭事故时防护能力差。
单波梁防撞垫代替了传统的玻璃钢防撞桶设
置在水泥安全岛岛头前用于防止小车正碰和侧碰；
图１８收费站安全防护设施立面布局图
缓冲（算盘型景观）护栏设置在安全岛两侧用以防止车辆上岛撞亭。由单波梁防撞垫、水泥岛头、缓
冲（算盘型景观）护栏、防撞柱等组成了收费站车辆安全防护新体系（见图１８），对于车辆安全、司乘和
参考文献
１黄世霖，张金换，等．汽车碰撞与安全．北京：清华大学出版
社，２０００
２朱毅．欧盟理事会机动车型式认证指令中文译本．北京：中国
汽车技术研究中心，２００３
３雷正保．汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法．长沙：湖南
大学出版社，２００１
收费人员的生命安全起到了屏障作用，在工程上的
应用将会产生巨大的社会效益。
４刘会学，李爱民。杨久龄，等．公路交通安全设施设计规范．北京：
交通部．２００６
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＳｅｃｕｒｉｔｙＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
ＳｙｓｔｅｍａｂｏｕｔｔｈｅＴｏｌｌｉｎｇＳｔａｔｉｏｎＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅ
ＧＡＯＺｈｏｎｇ
（ＨｅｎａｎＺｈｏｎｇｙｕａｎＥｘｐｒｅｓｓｗａｙＣｏｍｐａｎｙＬｉｍｉｔｅｄ，Ｚｈｅｎｓｚｈｏｕ４５００５２，Ｐ．Ｒ．Ｃｈｉｎａ）
［Ａｂｓｔｒａｃｔ］Ａｉｍｉｎｇａｔｔｈｅｒｅａｌｉｔｙｔｈａｔｔｈｅｔｒａｆｆｉｃａｃｃｉｄｅｎｔｈａｐｐｅｎｅｄｉｎｔｈｅｔｏｌｌｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｓｕｃｈ鹊ｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｃｒａｓｈ
ｖｅ－
ｔｈｅｔｏｌｌｉｎｇｓｔａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｉｎｔｈｅｐｅｏｐｌｅｈｕｒｔａｎｄｔｈｅｖｅｈｉｃｌｅｃｒａｓｈｔｈｅｃｅｍｅｎｔｉｓｌａｎｄｈｅａｄｌｅｄｔｏｔｈｅｒｏｌｌｏｖｅｒｏｆｔｈｅ
ｈｉｄｅ．Ｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｉｓｐｒｏｐｏ，ｓｅｄａｂｏｕｔｔｈｅｎｏｖｅｌｓｉｎｇｌｅ—ｗａｖｅｂｅａｍｃｒａｓｈｃｕｓｈｉｏｎａｎｄｂｕｆｆｅｒｂａｒｒｉｅｒ，ｃｏｍｐｏｓｅｔｈｅｓｉｎ—ｓｌｅ－ｗａｖｅ
ｂｅａｍ
ｃｒａｓｈ
ｃｕｓｈｉｏｎ，ｂｕｆｆｅｒ
ｂｅａｍ
ｂａｒｒｉｅｒ，ｃｅｍｅｎｔｉｓｌａｎｄｈｅａｄａｎｄｆｅｎｄｅｒｐｏｓｔ
ｔｏ
ＴｒａｆｆｉｃＳａｆｅｔｙＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎＳｙｓ・
ｔｅｒｎ．Ｔｈｒｏｕｓｈｔｈｅｆｕｌｌｓｃａｌｅｖｅｈｉｃｌｅｃｏｌｌｉｓｉｏｎｔｅｓｔｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄ
ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ
ｏｆｔｈｅ
ｐｒｏｄｕｃｔ眦ｐｒｏｖｅｄ．
ｓｅｃｕｒｉｔｙｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ
［Ｋｅｙｗｏｒｄｓ］
ａｃｃｉｄｅｎｔ
ｓｉｎｇｌｅ－ｗａｖｅ
ｃｒａｓｈｃｕｓｈｉｏｎ
ｂｕｆｆｅｒｂａｒｒｉｅｒ
ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ
万方数据
收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
高忠， GAO Zhong
河南中原高速公路股份有限公司,郑州,450052科学技术与工程
SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING2010,10(27)
参考文献(4条)
1. 刘会学;李爱民;杨久龄 公路交通安全设施设计规范 20062. 雷正保 汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法 20013. 朱毅 欧盟理事会机动车型式认证指令中文译本 20034. 黄世霖;张金换 汽车碰撞与安全 2000
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxjsygc201027016.aspx
第１０卷第２７期２０１０年９月１６７ｌ一１８１５（２０１０）２７．６６７９—０６
科学技术与工程
ＳｃｉｅｎｃｅＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０１．１０Ｎｏ．２７
Ｓｅｐ．２０１０
ａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ＠２０１０
Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈ．Ｅｎｇｎｇ．
交通运输
收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
高
忠
（河南中原高速公路股份有限公司，郑州４５００５２）
摘要针对收费站频发车辆撞击收费亭伤人和撞击水泥岛头侧翻造成严重交通事故的现实，提出了缓冲护栏和单波梁防撞垫等新型安全设施的设计理念，并将单波梁防撞垫、水泥岛头、缓冲护栏和防撞柱合理布局组成了收费站交通安全防护体系。经过实车碰撞实验，验证了产品的可靠性和设计的可行性。关键词单波梁
防撞垫
缓冲护栏
碰撞
安全防护
事故
中图法分类号Ｕ４１７．１２；文献标志码Ａ
护栏和防撞垫是收费站车辆安全防护体系的主要组成部分，是保证公路和桥梁快速、安全运营必不可少的安全防护设施，在减少交通事故数量和减轻事故严重程度方面发挥着重要作用。
１．２
车辆冲上安全岛撞击收费亭
由于防护栏设置简单，防撞和导向能力差，车
辆冲上安全岛后撞坏护栏，撞击收费亭。
２００９年６月１８日上午，一辆超长大挂车，行驶到贵黄公路金关收费站时突然失控，将停在出口处
１我国收费站的事故类璎
１．１车辆撞击水泥岛头
水泥安全岛岛头为刚性设置，车辆碰撞时易于造成侧翻事故，威胁车内乘员安全。如图ｌ所示。
２号收费亭正在交费的一辆营运大客车撞飞１０多Ｉｎ，之后冲上２号收费亭，如图２所示。
图２车辆撞击收费亭
为了保护司乘人员和收费人员的生命安全和
社会财产安全，必须设置有一定防撞等级的、有导
图１车辆碰撞水泥安全岛而侧翻
向作用的防撞护栏及有吸能作用的防撞垫。
２００８年７月１７日下午，一辆小型货车侧翻在昆玉高速收费站出口处是由刹车失灵而撞上水泥安全岛岛头所发生的侧翻事故。
２新型安全防掩没施的设计
２．１单波梁防撞垫的设计
由单波梁和单元桶组合成的单波梁防撞垫，在碰撞过程中吸收大量的能量。变形以单元桶为主，
２０１０年８月１３１３收到
作者简介：高忠，河南人，高级工程师。
单波梁由于刚度较大及结构特殊等原因，变形很
小，可以重复使用。即恢复碰撞过后的单波粱防撞
万方数据
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科学技术与工程
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垫只需更换单元桶，从而节省大量钢材。由弧形钢板和单波梁架立板组成的吸能单元所含弧形钢板数量从碰撞端头到防撞垫尾部，由少到多布置，第四单元桶布置四块弧形钢板，第五单元桶布置六块弧形钢板；吸能单元所含弧形肋板的弧形钢板数量从碰撞端头到防撞垫尾部由少到多布置，第五单元桶含弧形肋板的弧形钢板数量为两块，第六单元桶含弧形肋板的弧形钢板数量为四块，如图３所示。
图３防撞垫模型
单波梁防撞垫尾部的吸能单元桶与地面预埋钢管松散连接固定，当车辆发生碰撞时，从碰撞端头到防撞垫尾部各单元桶依次发生变形，吸收车辆动能。当车辆动能大于设计值时，预埋钢管倒伏，防撞垫完全变形吸能后失去作用，车辆减速后与单波梁防撞垫和被保护物体发生二次碰撞后停下…。缓冲护栏的设计原理是缓冲、防撞和导向的统一。缓冲（算盘型景观）护栏由立柱、横梁、滚轴、滚珠和连接套管等组成，如图４所示；其中横梁分为顶梁、中梁和底梁三部分。三根横向平行设置的横梁与纵向平行设置的数根滚轴形成算盘型框架，如图５所示。
图４缓冲护栏
万方数据
图５缓冲（算盘型景观）护栏及算盘型结构图
滚轴中心距为２００ｍｍ，立柱的间距为２
０００
ｍｍ。每根滚轴上有上、下两部分滚珠，滚轴与横梁连接，横梁与立柱和同定垫块连接，立柱与桥面预埋螺栓固定连接。滚轴两端分别插入或穿过顶梁和底梁，用钢筋依次穿过所有滚轴两端预留孔，并在每段钢筋的端部进行螺栓封固。
算盘型框架单元每根滚轴上穿有五个滚珠，滚珠由聚氨酯橡胶制作成圆柱体，表面设置徽标纹形。其中两个滚珠分布在顶梁与中梁之间，为黄色，三个滚珠分布在中梁和底梁之间，红色黄色相
间。当车辆发生碰撞时，滚珠围绕滚轴转动，算盘型活动框架单元微小变形，起到很好的导向、缓冲
消能的防护作用。
３新型防撞安全设施试验与实验
３．１单波梁防撞垫试验与实验
３．１．Ｉ
不可倒伏立柱设计与试验
对单波梁防撞垫进行数值模拟试验，采用１．５
ｔ
小车进行６０ｋｍ／ｈ速度的正面碰撞旧１。碰撞模型分析如下：如图６所示，其中小轿车长度为２．８
ｍ，
宽为１．７４ｍ，高１．４ｍ，车辆重量为１．５ｔ，轮胎气压为２．５×１０３Ｐａ（ｂａｒ）。
图６碰撞模型
小车正面碰撞过程如图７。
２．２缓冲护栏的设计
２７期高忠：收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
６６８ｌ
图７碰撞过程
车辆碰撞防撞垫前端后，单元桶压缩变形，车辆动能全部转化为单波梁防撞垫变形能。单波梁防撞垫最大动态变形１
８９６
ｉｎｔｏ，此后单波梁防撞垫
开始反弹，单波梁防撞垫的部分变形能又转化为车辆动能，最大永久变形１
６５０
ｍｉｌｌ，如图７所示。
小车加速度整体变化均匀，没有大的起伏，速度上升比较平稳，没有出现大的波动；每个桶的实际吸能值都在设计范围之内，完全达到了设计要求。与传统防撞桶相比，单波梁防撞垫更能保护车内人员的安全。
从图５中可以看出，第五个单元桶没有完全压扁，第五个和第六个单元桶内的异型波形梁也没有完全压扁。说明所设计的单波梁防撞垫具有一定的吸能空间。
结论：有异型波形梁的单波梁防撞垫加速度值整体较低、波动幅度较小、速度曲线平稳。第一、三、五桶吸能作用明显增加，每个桶的吸能配置合理。其他各项指标符合设计要求，设计达到了预期目的。表１给出了单元桶吸能计计值与实际值的对比值。
表１单元桶吸能设计值与实际值对比
单元桶吸能值ＡＢ
ＣＤＥＦ总计
设计值／ｋＪ５０３０６０５０３０２０２４０
实际值／ｋＪ
４３．７
２４．７
５３．０
４８．７
２５．２
１２．６
２０８
３．１－２可倒伏立柱设计方案
由试验得知在：６０ｋｍ／ｈ时本产品完全可以满
万方数据
足防护要求，并且还有一定的吸能空间。为了应对特殊情况，即当有大于６０ｋｍ／ｈ的车辆撞击单波梁防撞趣时，单波梁防撞垫依然能起到保护作用，而不会成为障碍物；特设计可倒伏立柱，当有大于
６０
ｋｍ／ｈ的车辆撞击防撞垫时，立柱发生倒伏，防撞
垫往前推移，发生第二次碰撞，最大限度发挥防撞垫的防护功能。其６０ｋｍ／ｈ仿真试验过程如下：
使用的小车和防撞垫模型如下。单波梁防撞垫与算盘珠护栏有ｌ
０００
ｍｍ的间隙。为立柱的倒伏留
有空间。可倒伏立柱高度为９００ｍｍ直径１１４ｍｌｎ如图８。
图８防撞垫及小车模型
小车正碰过程，如图９所示。
图９小车碰撞过程
小车碰单波梁防撞垫以后立柱发生倒伏，运行
２４７１
ｍｉｌｌ开始后退，由于立柱的倒伏，双波梁并没
有完全变形，只有第五、六个桶的双波梁有很少变形，即单波梁防撞垫仍有进一步吸能的空间。立柱发生倒伏以后防撞垫开始前移，使用可倒伏立柱时车辆的加速度最大值为９．６ｇ，加速度与优化前（最大值为１２．３ｇ）降低２．７ｇ，立柱处于倒伏的临界
状态。
３．１．３
单波粱防撞垫的最大防护能力
单波梁防撞垫安装在水泥岛头前小车以
８０
ｋｍ／ｈ时速碰撞单波梁防撞垫时；如图１０，图１ｌ
所示。
科学技术与Ｉ程１０卷
一
≥写墨
目１０
碰
虢
≥和
酗¨防掩垫和小车变形
圉ＩＯａ为车辆碰撞单渡肇防撞垫模型，在图ｌｏｂ中立柱开始倒伏，加速度达到最大值１４
０９ｇ．
速度为５４ｋｍ／ｈ。围ｌＯｄ防撞垫发生完全变形，脱离小中和立柱，此后单波粱肪撞垫不再发挥缓冲和吸能作用；车辆驶上安全岛，速度剩余２４８ｋｍ／ｈ，
单波粱防撞垫实际最大可吸能值为３３４６”．最大
设计碰撞时速为８０ｋｍ／ｈ时的能量为３７０４
Ｕ，能
量残余值为３５
４
ｋＪ。图ＩＯｄ、ｆ小车加速度保持很
小的值，速度缓慢下降。在整个碰撞过程车辆完好尤搠，小会倒市柱过强而加重车辆和乘员的损坏程度，防撺挚完全发挥了缓冲和暇能作用。
６０ｋｍ／ｈ为车辆碰撞单波粱防撞垫的临界状态
（设计吸能值２０８Ｕ），此时缓冲和吸能作用明显。太于６０ｋｍ／ｈ单波繁防撞垫实际最大防护能力
３３４
６
ｋＪ，单波梁防撞垫不会起到障碍物的作片Ｊ，在
吸收完能量后离开原位置。
为了验证单涟粱防撞垫的吸能功能，对单波梁防撞垫做正碰宜车实验。实验采用八个单元桶，眦验证六十啦元桶能开完全吸收能量，如罔１２所示。
实车碰撞宴验川单渡粱防撞挚世所使州的牟辆冀车碰撞结论
万方数据
曩一譬圉ｆ２实车碰艚图片
第七、八个单元桶役有压扁，说明六个单无桶
可以完全吸收能量。单渡梁不变形．可以重复使用。各项指标满足捡测要求。
３．２缓冲护栏试验与实验
３
Ｚ１仿真试验
大客车６０ｋｍ／ｈ、２０度角撞击缓冲（算盘型景观）护栏的撞击过程，如图１３，躅１４所示。
圈１３大客车撞击过程
秘霹
２７期高忠：收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
６６８３
在两次模拟过程中大客车头部和尾部均发生３．２．２实车碰撞实验
损坏，损坏最严重的部位处于大客车车头下方，不会对司乘人员造成伤害。本次模拟中大客车撞击护栏以后驶回原来轨道，护栏结构没有大幅度损坏，所测试的算盘型护栏起到了很好的导向和阻挡车辆作用。碰撞时没有出现翻越跨出等现象。所设计护栏符合规范要求。
缓冲（算盘型景观）护栏１．５ｔ小客车１００ｋｍ／ｈ、
２０度角仿真试验，如图１５所示。
小客车撞击过程：
图１５小车碰撞过程
图１６碰撞完成后护栏和客车变形情况
小客车以２０度角撞击护栏，首先前部开始撞击，完成后小车前部只有保险杠处发生损坏，如图
１６所示，不会对司乘人员造成伤害。护栏发挥很好
的导向作用使小车改变行驶方向进入原来轨道。小车开始尾部撞击。此时小车由于动能减小，碰撞时尾部损坏不大，碰撞完成后小车驶出角减小，驶入原来运行轨迹。从实验结果可以看出在碰撞过程中护栏碰撞段横粱发生了变形，但保持原来结构，起到阻挡车辆作用。头部和尾部两次撞击由于护栏的导向作用，小车驶入原来轨道。同时小车只有保险杠处发生损坏，不会影响车内人员的安全。
万方数据
缓冲（算盘型景观）护栏与碰撞完成后护栏和实验用大客车的变形情况如图１７所示。
图１７缓冲（算盘型景观）护栏与碰撞实验车辆
碰撞实验结果：
此次碰撞实验采用大客车进行。实验结果：缓冲（算盘型景观）护栏起到了导向和阻挡车辆的作用，车体最大加速度值达到评价标准要求。在本次客车碰撞护栏过程中，大客车虽然有重心高、车速慢、质量大的特点，但是并没有产生外翻现象，也没有对护栏造成较大的损坏，只是损坏部分滚珠（在碰撞过程中有部分滚珠被正常挤裂掉落。缓冲护栏加工厂对聚氨酯橡胶滚珠进行了材料优化，提高
了抗裂能力），碰撞完毕后大客车又驶回原来的轨迹。可见本次实验中缓冲（算盘型景观）护栏起到了很好的阻挡和导向作用。车辆的驶出角度小于碰撞角度的６０％；护栏的变形主要集中在碰撞段之间，横梁向外弯曲呈拱形，但是并没有发生断裂，立柱有不同程度的向后倾斜情况，其中倾斜最严重立柱也没有发生断裂。该护栏防护系统对大型车的
防护性能、乘员风险、驶出角度、动态变形等七项性能符合《高速公路护栏安全性能评价标准》（ＪＴＧ／Ｔ
Ｆ’８３珈ｌ—２００４）和《公路交通安全设施设计规范》
（ＪＴＧ
Ｄ８ｌ＿００６）的相关要求Ｈ１。
４收费站车辆安全防护新体系组成与布局
我国现有收费站车辆安全防护新体系主要由防撞桶、水泥岛头、简易护栏和防撞柱组成。收费。站只有收费亭两侧设置护栏，部分收费站在建站时因缺乏安全意识，致使收费亭两侧没有设计防护
栏；多数收费站在收费亭两侧设置简单的钢管结
科学技术与工程
ｌＯ卷
构，护栏没有经过实车碰撞实验，防撞能力低。当
小车发生车辆撞亭事故时有一定防护能力，但当大车发生车辆撞亭事故时防护能力差。
单波梁防撞垫代替了传统的玻璃钢防撞桶设
置在水泥安全岛岛头前用于防止小车正碰和侧碰；
图１８收费站安全防护设施立面布局图
缓冲（算盘型景观）护栏设置在安全岛两侧用以防止车辆上岛撞亭。由单波梁防撞垫、水泥岛头、缓
冲（算盘型景观）护栏、防撞柱等组成了收费站车辆安全防护新体系（见图１８），对于车辆安全、司乘和
参考文献
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应用将会产生巨大的社会效益。
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万方数据
收费站车辆安全防护体系设计与实验研究
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：
高忠， GAO Zhong
河南中原高速公路股份有限公司,郑州,450052科学技术与工程
SCIENCE TECHNOLOGY AND ENGINEERING2010,10(27)
参考文献(4条)
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本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_kxjsygc201027016.aspx