碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱设计探讨
公路２００５年９月第９期ＨＩＧＨＷＡＹＳｅｐ２００５Ｎｏ．９文章编号：０４５ｌ—０７１２（２００５）０９０１９ｌ０４中图分类号：ｕ４１７．１２文献标识码：Ｂ
碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱设计探讨
唐玉斌１’２，（１．广西壮族自治医桂柳高速公路管理处柳州市张俊岭２
５４５００５；２．长沙理』二大学长沙市４１∞７６）
摘要：汽车与公路指示牌立柱的碰撞是极其危险的交通事故。本文分析了汽车与公路指示牌立柱碰撞事故中车辆受损的原因，提出了碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱，并利用有限元方法对汽车碰撞指示牌立柱进行仿真模拟试验，根据研究结果证明结构合理正确，能够在碰撞中减少车辆和乘员的的损伤程度。
关键词：指示牌立柱；脱离；碰撞；有限元仿真模拟试验
随着我国公路通车里程的不断增加，交通事故的绝对数量也呈上升趋势，造成的生命财产的损失非常巨大。据统计，２００４年全国共发生道路交通事故５６７７５３起，造成９９２１７人步Ｅ亡、４５１８１０人受伤，直接财产损失２７．７亿元。其中有１／３的死亡事故发生在汽车与路侧碰撞的单车事故中。指示牌作为公路上保证车辆正常行驶的最重要的警示设施，其结构的设计与位置的设置已经被众多道路设计部门广泛重视。经研究表明一部分公路交通事故是由于无设置或设置不合理的公路安全和警示设施所引起的，例如我国公路两侧和中央隔离带中的指示牌位置的设置存在问题，易造成汽车高速碰撞刚度巨大的指示牌立柱，造成严重的生命和财产损失。因此大力开展汽车与路侧有可能发生碰撞的安全和警示设旎的研究，例如汽车高速碰撞指示牌立柱、路灯立柱、红绿灯立柱、紧急求救电话亭等，从而降低交通事故中车辆和乘员的损伤程度，使我国的公路行驶环境更加人性化，已经成为急需解决的问题。
ｌ指示牌立柱存在的问题
我国现在所使用的公路交通警示设施的设计大多为引进国外先进成熟的技术和产品，基本上都是按照相关的技术规范设计和施工，未充分考虑到汽车高速碰撞刚度巨大的指示牌立柱所带来的严重危害。如图１所示，一辆敞篷轿车高速碰撞指示牌立柱，由于立柱刚度巨大、接触面狭窄而造成车辆报废和乘员重伤，但在整个碰撞过程中立柱却只有轻微
收稿日期：ｚ００５—０４—１９变形，因此立柱与汽车刚度相差太大，不符合碰撞相容性的要求。
图ｌ汽车碰撞指示牌立柱
我国公路指示牌大致分为单柱式、双柱式和龙门式，其立柱材料主要为钢材和混凝土，随着时代的发展，混凝土立柱已经基本被淘汰。现安装使用的指示牌立柱多为利用钢管和工字钢加工而成，其中单柱式和双柱式（如图ｌ所示）立柱由钢管制成，设置在路侧的路基上；龙门式立柱由工字钢制成，设置在两侧的路基上，或一根设置在中央分隔带中另一根设置在一侧路基上。钢管立柱的直径为≠２００～３５０ｍｍ，厚度为４～８ｍｍ；工字钢立柱截面为（１５０～２５０）ｍｍ×（２８０～３５０）ｍｍ，厚度为４～８ｍｍ，立柱具体尺寸参数根据公路实际情况而定。指示牌主要承受风载，根据技术规范要求所设计和安装的指示牌均能抵抗１２级大风。
因为指示牌立柱的刚度巨大、并且汽车碰撞立
柱时两者接触面狭窄，致使汽车和乘员损伤程度要
万方数据
２００５年第９期
大ｆ同等碰撞条件下被碰撞护栏的损伤程度。如图
２所示，国外某公司进行了汽车碰撞混凝土立柱的
试验，汽车碰撞速度仅为３０ｋｍ／ｈ，根据平均加速度
公式：
“２１万
式中：ｎ为汽车减速度，ｇ；矶为碰撞后速度
ｍ／ｓ；”。为碰撞前速度，ｍ／ｓ；ｇ为重力加速度
９．８ｍ／ｓ２；５为碰撞减速距离，ｍ。
田２汽车碰撞混凝土立柱试验
由于汽车碰撞立柱的碰撞距离仅为ｏ．１ｍ，代入公式（１）可得乘员减速度高达３５ｇ，远远超过表１中美国标准建议的人体最大许用减速度值，碰撞必将给乘员造成严重伤害。
表ｌ美国标准建议的人体最大许用减速度值
最大减速度旭
熏员约束条件
横向纵向合成值无约柬情况６
腰带式安全带５１２
：占击寄牟带２５
作者曾参加了我国某高速公路上发生的一起轿车碰撞护栏再碰撞立柱的事故鉴定工作，发现事故次要原因就是指示牌立柱位置设置不合理和立柱的剐度过大，碰撞庳车辆出现甩尾，车辆和乘员严重受伤，如图３、图４所示。
图３轿车碰撞指示牌事故鉴定模型
圈４轿车碰撞立柱时轿车运动图
为了减小碰撞对车辆和乘员的损伤程度，国外一些研究机构设计出ｒ铝制的指示牌立柱（如图５所示），利用桁架结构使立柱具有足够的刚度抵御风载；在碰撞过程中由于铝的抗拉强度“仅为钢的３０％，立柱根部断裂，可大幅降低车辆和乘员的损伤程度。指示牌立柱刚度的变化使碰撞过程从原来的“柱强车弱式”变为“车强柱弱式”，符合碰撞相容性的要求。
圉ｓ国外新型的铝制指示牌立柱
虽然铝制的指示牌立柱碰撞性能良好，但铝材的价格昂贵，必然大幅增加公路建设成本，因此铝制的指示牌立柱不能作为我国指示牌立柱研究和发展方向。根据对我国大量此类交通事故的研究，作者认为可在碰撞过程中快速脱离的新型立柱才是我国指示牌立柱以及其他类似立柱的研究和发展方向，其应具有结构合理，安装使用方便等优点，有利于在碰撞中降低车辆和乘员的损伤程度。
２新型指示牌立柱研究
根据以上分析可知，降低碰撞过程中车辆和乘员的损伤程度的措施，大致可分为３种：（１）减小指示牌立柱的厚度；（２）增大碰撞接触面积；（３）立柱与基础在碰撞过程中快速脱离。根据以上指导思想，结合作
者多年实际设计和安装使用的经验，设计出了一种碰 万方数据
２００５年第９期唐玉斌张俊岭：碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱设计探讨一１９３
撞后快速脱离的新型指示牌立柱，如图６所示。
图６碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱新型指示牌立柱厚度为２ｍｍ，在碰撞过程中立柱发生弹塑性变形吸收车辆动能，从而做到双向吸收，符合碰撞相容性的要求；立柱形状为正方形，截面尺寸为３００ｍｍ×３００ｍｍ，可增大碰撞接触面积，防止汽车局部变形严重；立柱下端安装了底座，再将底座安装在混凝土基础上，底座与立柱采用８个铆钉联接，在碰撞时通过剪切铆钉的方法来实现两者快速脱离。根据不同地区公路的实际要求，可微量调整立柱的尺寸参数，以上所设计的立柱拥有足够的刚度，可抵抗１２级台风。
为了检验碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱的碰撞性能，利用有限元模拟仿真软件进行两次汽车碰撞指示牌立柱试验。碰撞车辆选用目前公路上的主流车型：中级轿车和重型货车；碰撞角度参照防撞护栏的设计要求；碰撞速度为公路最高允许行驶速度的８０％，具体数据如表２所示。
表２试验碰擅参数
碰撞车型质量碰撞速度碰撞角度
中级轿车２ｔ９６ｋｍ／ｈ２０５
重型货车２０ｔ７２ｋｍ／ｈ１５。
指示牌立柱、底座和铆钉的材料选择ｌｏｌ８号钢，选择ｐｌａｓｔｉｃｋｉｎｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌ（塑性随动弹塑性材料）模型，具体参数见表３。
表３ｐｌａｓｔｉｃＪ‘ｉⅡｅｍａｔｉｃａＩ材料模型参数
项目单位数值
弹性模量ＥＧＰ０００
密度ｋｇ／ｍ３７８６５
泊松比无单位Ｏ．２７
屈服应力以ＧＰＯ．３１
切向模量ＢＧＰ０．７６Ｓ失效时的等效塑性应变无单位
Ｃ１／ｓ４０
Ｐ无单位５
中级轿车碰撞指示牌立柱的有限元模型如图７所示，整个有限元模型共划分为３６２９４个节点和３５２４３个壳单元，在Ｐｅｎｔ｜ｕｍ４计算机上花费２ｈ１２ｍｉｎ，模拟仿真结果如图８～图１０所示。
图７中级轿车碰撞指示牌立柱模型
２６７５
２６６２５
２６５
２６－３７５
窖２６２５
ｇ
＝２６１２５
剖
蚓
２６
２５８７５
笛７５
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２５５
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时间／ｍｓ
图８碰撞后轿车速度变化
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０４８１２１６２０２４２８
时间／ｍｓ
图９碰撞后轿车加速度变化
７
６
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芒毯蹭爱 万方数据
公路２００５年第９期
图１０轿车碰撞立柱时立柱变形
重型货车碰撞指示牌立柱的有限元模型如图１１
所示，整个有限元模型共划分为１１６２４５个节点和圈１４重型货车碰撞立柱时立柱变形
１２９５８６个壳单元，在Ｐｅｎｔｉｕｍ４计算机上花费根据以上有限元模拟仿真试验分析，汽车碰撞６ｈ３４ｍｉｎ，模拟仿真结果如图１２～图１４所示。立柱时实现了立柱快速脱离的功能，在ｓｏｍ。内立
柱就在碰撞力的作用下剪断铆钉与底座分离；根据
速度和加速度图分析，两次碰撞最大加速度分别为
６．３ｇ和３．８ｇ，参照表１，可证明乘员在安全带的保
护作用下，碰撞不会对乘员造成严重的伤害。根据以
上试验证明该设计对车辆和乘员有良好的保护作
用，值得进一步研究推广。
图ｌｌ重型货车碰撞指示牌立柱模型
２００４
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图１３碰擅后重型货车加速度变化３结语
随着我国高等级公路和普通公路的迅猛发展，公路设计提出了人性化的新理念，体现以人为本的思想。因此大力开展汽车与路侧有可能发生碰撞的安全和瞽示设施的研究，也是公路设计与研究的新潮流。根据试验证明新型指示牌立柱能够在碰撞过程中通过剪切铆钉的方式来实现立柱与底座的分离，有利于在碰撞中降低车辆和乘员的损伤程度，有一定的研究价值和市场推广价值。新型指示牌立柱还需要进行以下研究进行完善：
（１）统计并分析近５年汽车碰撞路侧安全和警示设旋的事故，确定不同等级公路中指示牌立柱与路缘石的距离；
（２）对工程塑料进行深入研究，并将其利用在路倒安全和警示设施上，从而节约成本，工程塑料是路侧安全和警示设施研究的新方向；
（３）进行实车碰撞试验，对尺寸参数进行修改，进一步提高新型指示牌立柱的性能。
参考文献：
［１］ＪＴＪ０７４—９４，高速公路交通安全设施设计及旋工技术规范［ｓ］．
［幻唐波，雷正保，林骥．高速公路半剐性护栏端头研究ｒＪ］．公路，２００４，（１
０）． 万方数据
万方数据
碰撞后快速脱离的新型指示牌立柱设计探讨
作者：唐玉斌， 张俊岭， TANG Yu-bin， ZHANG Jun-ling
作者单位：唐玉斌,TANG Yu-bin(广西壮族自治区桂柳高速公路管理处,柳州市,545005;长沙理工大学,长沙市,410076)， 张俊岭,ZHANG Jun-ling(长沙理工大学,长沙市,410076)
刊名：
公路
英文刊名：HIGHWAY
年，卷(期)：2005(9)
参考文献(4条)
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2.唐波;雷正保;林骥高速公路半刚性护栏端头研究[期刊论文]-公路 2004(10)
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