高速公路强制减速设施的研究

摘 要：针对山区高速公路连续长下坡路段制动失灵车辆的现状，需要采取必要的被动设施起到减速的效果，主要是从强制减速带材料及基本结构试验研究、强制减速带的减速机理、减速带结构形式的初步设计等进行了研究，并进行了计算机仿真模拟，得出减速单元构件连续设置的减速带的阻尼系数能够达到10%以上，能够起到减速作用，最终采用这一设施以保证车辆安全减速，最大限度的降低事故死亡率。

关键词：公路；强制减速；制动失灵

从表1 可以看出，橡胶减速垄能够为强制失控车辆提供足够的阻尼力，利用其优势，以橡胶减速垄作为进一步研究路侧强制减速带的基础。

引言

随着我国经济的快速发展，高速公路的重心逐渐向山区转移，为车辆提供了便捷，同时提高了经济效益。与此同时，由于较高的车速，在高速公路上发生的交通事故也随之提高，且这一情况受到广大人民的关注。然而针对这一现状，通过采取被动减速设施来降低事故的发生率，以此对强制减速带的材料、结构、减速机理、结构形式进行了研究。

1.强制减速带材料及基本结构试验研究

强制减速带是布设在连续长下坡方向的道路两侧，与行车道路相平行，通过改变路面特性增大对行车阻力的影响，为制动失灵车辆提供的一种强制减速设施。

1.1减速带材料的选择

通过对阻尼路床（砾石材料，橡胶地板材料）、橡胶减速垄（橡胶条、废旧轮胎）等材料及各种布设形式进行实车试验和仿真模拟计算结果进行分析，得到各种材料的阻尼系数及主要性能见如下表1。

1.2强制减速带基本结构的试验研究

橡胶减速垄由于在纵向上设置了一定间距，在试验中车辆有明显振动，且方向不易控制，使得车内驾乘人员感觉不舒适。为了消除这些影响，设计了两组试验，验证成带状布置的橡胶单元的减速效果及驾乘人员的安全性是否达到目标要求。

1.2.1试验一

以废旧轮胎代替橡胶减速垄(路侧强制减速带模型试验)，在横向上成双排设置如下图，试验车辆采用四轴大货车，车重为43t。试验数据见表2。

从表2 可以看出，这种布设方式的阻力系数平均值为4.97%，不满足要求，但是能够看出车辆的振动较小。证明了这种布设方式对车辆的损害及驾乘人员的舒适性有了明显改善。

1.2.2试验二

以废旧轮胎上铺设一层柔性橡胶材料，将轮胎上部盖住，减少轮胎中间的空隙，增大轮胎与减速带之间的作用面积，试验车辆仍采用车重为43t的四轴大货车（见图6），试验数据见表3。

由上表可以看出，加铺柔性材料后的结构平均阻尼系数为7.54%，阻尼系数随着车速的增加而增大现象明显，并且车辆的振动明显减小，驾驶员感觉舒适性可以接受。
综上两种试验结论可知，在橡胶减速垄上加铺连续柔性材料这种结构方式，能够对车辆起到减速作用，且乘员的舒适性也较好，可到达到本项目要求，因此将要对这种结构方式进行深入研究。

2.强制减速带的减速机理

（1）橡胶减速带的阻力做功消能

经研究分析，通过改变路面的不平整度，如修建弹石路面、在路面上修建减速带或设置减速垄，可以增大车辆轮胎在这种路面行驶时的变形情况，从而增大车辆行驶时的减速效果。

（2）车辆轮胎及橡胶减速带在变形过程中弹性迟滞吸能

在失控车辆从橡胶减速带上经过的过程中，会经历一次加载与卸载的过程，与轮胎弹性迟滞消能的机理相同，由于在加载和卸载的过程中，产生的能量与释放的能量是不等的，这便产生了能量差，此能量差会通过轮胎各组成部分相互间的摩擦以及橡胶、帘线等物质的分子间的摩擦，经过转化为热能而消失在大气中。

（3）橡胶减速垄与路面之间滑移摩擦消能

经试验，滑移的条件下的滚动阻力系数远远小于没有滑移条件下的滚动阻力系数，因此减速垄与路面之间的滑移消能作用十分显著。

3.强制减速带结构形式的初步设计

3.1 基本断面形式的确定

强制减速带需要最终布设在减速专用车道上，如果选择横向满铺专用车道的方式则造价较高，为降低工程造价，考虑橡胶减速单元构件按分离式双排设置。根据对3轴～6轴大货车后轴单侧双轮胎宽度的调查测量，可知其双排轮总宽度约为540mm～580mm，两侧轮胎横向中心间距约为1800mm左右，为保证车辆行驶在橡胶减速单元构件上有一定的富余宽度，橡胶减速单元构件的设计宽度尺寸暂定定为850mm，横向中心间距为1800mm。

考虑消除视觉障碍的影响，实际工程中强制减速带的顶面应尽量与路面标高保持一致，最大高差应控制在5cm以下。

3.2 单元构件结构、材料组成及技术要求设计

3.2.1单元构件上部橡胶层厚度的确定

单元构件自身结构也分为上部橡胶层和内部填充结构两部分，橡胶材料可以通过设计胶层结构来随意调整其结构强度，其强度与橡胶材料厚度、重量大体上都成正比关系，考虑到橡胶材料造价较高，根据以往经验，单体构件上部橡胶层初步设计最大厚度可确定为30mm，最小厚度可确定为20mm，上部橡胶层不同厚度对单体构件强度的影响只能通过模型试验确定。

3.2.2上部橡胶层的材料组成

上部橡胶层主要有内胶层、挂胶帘布层、缓冲胶层以及表面胶层四部分组成。规格为30mm、25mm、20mm、15mm。  

3.2.3单元构件内部填充结构的高度

内部填充物高度及结构形式的确定主要考虑以下两点：其一，为上部橡胶层提供足够的支撑力，能够实现车辆通过减速单元构件后上部橡胶层迅速恢复原状，继续为后面的轮胎提供阻力；其二，能够形成相对封闭的空间，车辆高速行驶在上面时压缩空气形成气阻，增大阻力系数。内部填充结构最大厚度暂定为25mm，最小厚度暂定为15mm，其断面结构形式将根据模型试验的结果进行专门设计。

4.计算机仿真模拟

4.1仿真模拟有限元模型

计算机仿真所建立的拖头车模型如图8所示。

拖头车模型主要有限元参数见表5。车辆模型坐标:车辆行驶方向为x方向，地面由x、y坐标构成，z轴垂直于xy平面。

仿真所建立的外部橡胶构件和内部立置半轮胎模型如图10和图11所示，均采用体单元（solid），单元边长取为20mm，外部橡胶构件宽900mm，高250mm，沿行车方向长度为3.5m，内置半轮胎间距0.6m，仿真所建立的强制减速车道模型如图12所示。
包括车辆、减速车道及接触单元，仿真计算模型单元总数量约为30万，需要双CPU的服务器计算约80小时。

4.2仿真计算

4.2.1仿真计算条件

本次计算机仿真模拟计算条件见表6。

4.2.2计算结果

经过计算车辆在行驶距离为3.5m时，车辆重心处速度为21.84m/s，根据能量守恒公式计算出此橡胶减速构件的阻尼系数为23.1%，车辆重心处速度变化曲线如图15所示。

通过对橡胶减速带单元构件的计算机仿真模拟结果可以看出，由减速单元构件连续设置的减速带的阻尼系数能够达到10%以上，且能够起到减速作用，我们将采用这一结构形式的橡胶减速构件作为强制减速路面的材料。

0.结论

强制减速设施在高速公路连续长下坡路段具有重要的作用，通过对强制减速带材料及基本结构的试验研究、强制减速带的减速机理、结构形式的初步设计以及计算机仿真分析，可以得到这种结构形式的减速带，在车辆制动失灵的情况时能够起到强制减速的效果，使车辆在较短的时间内停止下来，尽可能降低事故的严重程度，减少人员的伤亡和经济损失。

参考文献

1）期刊文献 [J]

[1]谢春磊,赵晓亮,王宁.连续长大下坡路段失控车辆强制减速设施应用研究[J].内蒙古公路与运输,2016(06):48-53.DOI:10.19332/j.cnki.1005-0574.2016.06.013.

[2]李浩然,彭理群,吴超仲,褚端峰.基于聚类分析的重型载货车辆长大下坡路段交通事故分析[J].科技导报,2016,34(02):71-75.

[3]刘计柱.道路减速带现状分析[J].交通世界(运输.车辆),2013(08):150-152.DOI:10.16248/j.cnki.cn11-3723/u.2013.08.060.

[4]禹彦荣.废旧橡胶减速带强制减速设施的应用探讨[J].山西交通科技,2012(05):69-70+85.

[5]彭敏,郭沛,赵晨,刘晨.山区高速公路长大下坡路段安全保障措施研究[J].交通标准化,2012(13):157-160.DOI:10.16503/j.cnki.2095-9931.2012.13.046.

[6]陈荫三,魏朗.公路强制控速安全措施研究[J].公路交通科技,2005(10):140-143.

2）会议文献 [C]

[7]Eck,R,W. Technique for identifying problem downgrades[C]．Ed．by Paul M.

3) 专著 [M]

[8]Institute of Transportation Engineers. Truck escape ramps[M]．

4）学位论文 [D]

[9]闵强. 道路减速设施应用技术研究[D].重庆交通大学,2014.

[10]肖宁. 山区高速公路长大下坡路段交通安全保障设施研究[D].长安大学,2009.

作者:袁晓兰 单位:山西应用科技学院 建工学院