↑↑高速公路金属护栏的选材与改进↑↑↑ ↑

↑↑毛丰昕↑↑↑ ↑

↑↑↑↑ ↑(↑↑↑北京大学附属中学↑↑↑)↑↑↑↑ ↑

↑↑摘↑↑↑↑  ↑↑↑↑要：随着经济的发展，中国的民用汽车保有量明显增多，导致交通事故频繁发生，死亡人数居高不下。高速公路是主要的行驶道路，也是事故多发路段，其护栏作为保护车辆行驶的设施决定着道路的安全性。本文研究了护栏的作用原理，了解护栏如何将车辆动能转化为自身塑性变形能，并利用物理原理计算出了相关的塑性耗能。本文分析表明，目前高速公路护栏还不能在车辆发生意外时完全满足车辆安全的要求。随着经济的进一步发展，护栏材料面临更高的安全要求，并会得到不断的改进。↑↑↑ ↑

↑↑关键词：高速公路；交通安全；护栏；钢板↑↑↑ ↑

↑↑高速公路是我国重要的交通设施。近几年来，高速公路的建设迅猛发展，因此高速公路的安全尤为重要。护栏作为高速公路安全的重要设施，其选材及结构设计直接涉及到它所能够提供的安全保障作用。↑↑↑ ↑

↑↑↑↑    ↑↑↑↑改革开放以来，我国经济水平有明显上升。与此同时，我国的民用汽车保有量也迅猛上升。进入↑↑↑21↑↑↑世纪后，我国民用汽车保有量的增长率明显加快，↑↑↑2004↑↑↑年已达到↑↑↑2700↑↑↑万辆以上。而↑↑↑1994↑↑↑年却不足千万辆。按照这样的发展速度，预计到↑↑↑2020↑↑↑年中国汽车保有量有可能超过↑↑↑1↑↑↑亿辆。随着车辆的增多，交通事故的发生也愈加频繁。我国每年交通事故死亡人数已经由↑↑↑1950↑↑↑年的几百人到↑↑↑2004↑↑↑年超过十万。面临这样的趋势，人们迫切希望增强道路行驶的安全性。尤其是当车辆面临紧急情况而躲闪、失控冲出道路，导致事故不可避免地发生时，道路保护设施的安全性至关重要。金属护栏虽然不能减少事故的发生，但可以大大减少事故引起的人员伤亡。↑↑↑ ↑

↑↑↑1↑↑↑．护栏发挥安全作用的原理↑↑↑ ↑

↑↑↑↑    ↑↑↑↑高速行驶的车辆具有很大的动能。当出现紧急状况，车辆会出于躲闪、失控等原因冲向护栏。此时护栏的作用便是避免发生车辆剧烈冲撞和人员伤亡。设想一辆汽车高速撞向一堵钢筋混凝土墙，车会在瞬时间停止，与此同时，其巨大的动能会大部分转化为破坏车辆的能量，导致极大的损伤。如果将钢筋水泥墙换为一堵类似于硬橡胶般的金属墙，则车辆减速的过程会得到大幅减缓，其大部分动能会转变为金属塑性变形的能量而被逐步消耗掉，从而减少了对车辆和人员造成的损毁。高速公路的金属护栏就是发挥这种缓冲作用的安全设施。↑↑↑ ↑

↑↑↑↑    ↑↑↑↑当金属护栏在一临界外力↑↑↑F↑↑↑s↑↑↑↑作用下发生塑性变形时，其屈服强度↑↑↑δ↑↑↑s ↑↑↑↑为↑↑↑F↑↑↑s↑↑↑↑／↑↑↑A↑↑↑s↑↑↑↑，其中↑↑↑A↑↑↑s↑↑↑↑是开始发生塑性变形时护栏的截面积。当外力继续增大达到一极限值↑↑↑F↑↑↑e↑↑↑↑时，护栏便会断裂；护栏断裂时的应力则称为抗拉强度↑↑↑δ ↑↑↑b↑↑↑↑，且有为↑↑↑F↑↑↑b↑↑↑↑／↑↑↑A↑↑↑b↑↑↑↑，其中↑↑↑A↑↑↑b↑↑↑↑是护栏断裂时的截面积。设长度为↑↑↑L↑↑↑s↑↑↑↑的护栏材料在外力作用下发生塑性延伸变形直至↑↑↑L↑↑↑b↑↑↑↑时断裂，此时护栏的塑性总延伸率↑↑↑δ↑↑↑为↑↑↑δ↑= (L↑↑↑b↑↑↑↑—↑↑↑L↑↑↑s↑↑↑)/L↑↑↑s↑↑↑↑=↑↑↑△↑↑↑L↑↑↑s↑↑↑↑／↑↑↑L↑↑↑s↑↑↑↑。↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑↑    ↑↑↑↑可把金属护栏在塑性变形过程中所承受的平均应力近似地假设为↑↑↑↑  ↑σ ↑= (σ ↑↑↑s↑↑↑↑／↑↑↑σ ↑↑↑b↑↑↑)↑↑↑／↑↑↑2↑↑↑。设↑↑↑e↑↑↑为护栏材料单位体积所能消耗的最大塑性变形能，称为塑性耗能率，则↑↑↑e↑↑↑等于外力对护栏所做的功↑↑↑w↑↑↑除以变形护栏的体积↑↑↑V↑↑↑，计为：↑↑↑ ↑

↑↑↑↑         ↑e ↑= ↑W↑↑= ↑F↑ ↑↑↑↑△↑↑↑L↑↑↑↑↑ ↑=σ x δ ↑↑↑e↑↑↑↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑↑            ↑V↑  ↑A↑  ↑L↑↑↑↑↑↑ ↑

↑↑↑↑ ↑↑   ↑↑↑↑因此，金属护栏的塑性耗能率↑↑↑e↑↑↑等于护栏变形时所承受的平均变形应力与其最大塑性延伸率的乘积。由此可见，提高护栏的强度或延伸率均可以提高其塑性耗能率，进而提高金属护栏的安全性。↑↑↑ ↑

↑↑↑2↑↑↑．护栏钢板的安全设计↑↑↑ ↑

↑↑↑↑    ↑↑↑↑车辆的动能与其质量和速度有关。表↑↑↑1↑↑↑给出了目前常见的小型轿车的车型、质量以及时速分别在↑↑↑80km↑↑↑和↑↑↑120km↑↑↑时所具有的动能。这些小轿车的质量大致相等，车辆所能达到的最高时速是决定车辆的动能的主要因素。↑↑↑ ↑

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↑↑↑↑    ↑↑↑↑表↑↑↑1↑↑↑车辆整备质量及相应时速下的动能↑↑↑ ↑