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道路複合材料防撞護欄研究

作者:admin 發布日期:2019/4/11 關注次數: 二維碼分享

随着我國高速公路的迅速發展,防撞護欄作為道路安全的一種有效方式,引起廣泛關注。傳統防撞護欄在碰撞過程吸能較差,在設計上對乘員的安全考慮較少,造價及維護費用偏高,以及難于回收利用,難以滿足防撞護欄發展的需求。防撞護欄除了結構上不斷優化設計,還可以通過采用新材料及其複合新技術提高護欄材料性能[1]。因此,複合材料應用于道路防撞護欄的研究與應用越來越受到廣泛地關注。




1 防撞護欄的分類及防撞機理

防撞護欄一般是安裝在公路兩側或中央分隔帶内與公路平行設置的攔阻設施,通過自體變形或車輛爬高來吸收碰撞能量防止汽車司機失誤或其他原因造成的非正常行駛車輛越出公路或穿越中央分隔帶而闖入對向車道的交通事故發生,保護路側行人、建築物、汽車司機和車上乘員安全,同時兼有誘導駕駛員視線、增加行車安全感和美化公路環境的作用[2]。根據碰撞後的變形特征,可以分為剛性護欄、半剛性護欄、柔性護欄[3]。

剛性護欄是一種基本不變形的護欄結構,以混凝土護欄為主(圖1)。碰撞時護欄基本不變形不移動,碰撞過程中的能量主要是依靠汽車與護欄面接觸并沿着護欄面爬高和轉向來吸收,同時碰撞汽車也恢複到正常行駛方向。剛性護欄主要設置在需要嚴格阻止車輛越出路外,以免引起二次事故的路段,對保障乘員安全性要求較低。

半剛性護欄是一種連續的梁柱結構。通過車輛與護欄間的摩擦、車輛與地面的摩擦及車輛、土基和護欄産生一定量的的彈、塑性變形來吸收碰撞能量,延長碰撞過程的作用時間來降低車輛速度,并迫使失控車輛改變行駛方向,回複到正常的行駛方向。半剛性護欄對乘員保護較好,梁柱式的半剛性護欄分為W型波形梁護欄、三波波形梁護欄、管梁護欄、箱梁護欄等。國内外對波形梁護欄的應用廣泛。如圖2所示。

柔性護欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護欄結構,圖3。主要依靠纜索的拉應力來抵抗汽車的碰撞,吸收碰撞能量。護欄的形式美觀,汽車行駛時沒有壓迫感,但視線誘導效果差。此種護欄适用于我國的北方地區,春季風沙、冬季大雪,使用柔性護欄可以減少清掃工作量,具有社會和經濟效益。

2 複合材料護欄

複合材料是指由兩種或兩種以上不同物質以不同方式組合而成的材料,它可以發揮各種材料的優點,克服單一材料的缺陷,擴大材料的應用範圍。相比傳統材料,複合材料具有重量輕、強度高、加工成型方便、彈性優良、耐化學腐蝕和耐候性好等特點,使其成為新一代公路防撞護欄的理想選材,代表了護欄研制的發展方向。

2.1 玻璃鋼護欄

玻璃鋼又稱為纖維增強塑料,具有輕質高強、耐老化、工藝性好、維修費用低、易着色等優良特性,但剛性較差,是道路護欄的理想材料,同時性價比的提高,使玻璃鋼護欄擁有良好的前景[4]。

國外在20世紀出開發了玻璃鋼并将其應用于道路護欄,R.P.Bligh[5]等總結了了美國W-玻璃纖維增強HDPE等可回收塑料制作的護欄立柱。國外也有一些關于玻璃鋼護欄的專利和文獻[6-7]。

國内發展起步較晚,但發展速度迅速,2004年我國玻璃鋼産量已接近世界産量第一的美國達到了174t,陳紅霞[8]等,采用玻璃纖維增強複合塑料制備護欄材料,比較了第一代玻璃纖維增強的乙烯樹脂護欄(CGR1~CGR6)與鋼波形梁材料的靜态試驗(圖4),以及第二代産品(CGR10、CGR12)的碰撞穩定性試驗(圖5),發現纖維增強塑料護欄承載能力與鋼波形梁護欄接近。目前,玻璃鋼材質的防撞護欄在上海外環線浦東段得到了應用,該成果獲得上海市市政工程金獎、中國市政工程金杯獎[9]。

2.2 PVC護欄

PVC護欄是90年代初從韓國首先發展起來的護欄系列産品,近幾年迅速風靡歐、美、日、澳等國,大有取代傳統鋼、鐵護欄的趨勢[10]。PVC護欄也叫做塑鋼護欄,是以PVC塑料外殼與其内置鋼筋、鋼絞線組成的複合材料,共同參與受力。PVC護欄具有以下特點:堅固耐用,終身不需維護;性價比高,由于PVC原料來源豐富,價格低廉,成型性能良好,相比與傳統護欄具有價格優勢;極強的裝飾和美化功能。

國外PVC護欄的應用比較廣泛,涉及道路、建築等領域。國内PVC護欄應用于道路護欄的研究較晚,王林[11]對17種不同截面的塑鋼護欄和W形波形梁鋼護欄的對比有限元靜力分析,生産出2種塑鋼護欄樣品,通過實驗能替代W形波形梁鋼護欄,進行結構靜力實驗。通過兩種不同截面的塑鋼護欄和W型波形梁鋼護欄的對比靜力實驗,得出相對于W型波形梁鋼護欄,塑鋼護欄的破壞荷載較大,并且柔度好,具有市場推廣價值。在實際應用中,直接将PVC護欄應用于道路防撞護欄較少,其材料組分從國外進口,主要應用于市政工程中對攔護要求不高的道路護欄中,其裝飾美化的作用;同時也應用于社區、學校、工廠等建築方面以及公園、河濱等公共場所。PVC護欄在我國具有廣闊的市場,具有很好的研究和應用價值。但是目前取得的成果還不能滿足實際生産和生活需要。

2.3 PE護欄

PE護欄應用早,一般采用高密度聚乙烯(HDPE)和低密度聚乙烯(LDPE)。PE雖然具有良好的沖擊性,但強度偏低,在實際應用中往往需要添加增強相。

K.Dutta Piyush[12]等研究了木纖維增強PE護欄的力學性能。采用可回收利用HDPE制備的公路護欄具有良好的吸收碰撞能量的能力,減少了車輛翻車的概率[13]。碳纖維含量對複合材料PE的強度、拉伸、疲勞等性能的極限值都有提高[14]。李漢初[15]研究結果表明PE護欄的沖擊性能與溫度、風冷時間和模具有關,當溫度為250 ℃、風冷時間為30 min、模具連接處為圓弧時制的的護欄符合要求。   2.4 PP護欄

PP具有很好的抗彎曲疲勞能力,其剛度、強度相比PE高,但溫度對其沖擊強度影響較大,溫度低時沖擊強度也低[16]。

為提高其抗沖擊強度,普遍是将造紙廢漿泥作為填充制備PP塑料護欄。該技術是以PP為基體,填充劑采用造紙廢漿污泥,通過配方改性、熔融聚合制成環境友好的新材料,是解決造紙污染的一種有效方法。。這種複合新材料強度與傳統鋼、鐵護欄相近,耐久性、抗沖擊性等指标較好,可回收利用,可應用于道路護欄[17]。

2.5 其他複合材料護欄

除了以上幾種研究和應用較多的複合材料護欄外,其他複合材料護欄還有聚碳酸酯(PC)、PS和聚對苯二甲酸乙二酯(PET)護欄。這幾種護欄在應用方面很少,國内在相關文獻和專利幾乎沒有,國外對這方面的成果也不多,因此亟待開發研究。

3 結語

複合材料護欄作為一種新型的護欄,相比傳統護欄具有較大的塑性、抗腐蝕能力強、節約資源、性價比高等特點。複合材料雖然性能優越,但是也存在缺陷,所以在應用中不要局限單一複合材料護欄,可以在一定條件下,實現多種複合材料組合,彌補單一材料的缺陷,達到設計要求。如可以将PP與PE共混來改善PE護欄的力學性能。開發和推廣新型複合材料道路護欄将是未來道路護欄的發展方向。

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