解体消能交通标志设计理论研究 65页

Y97s3，7#女{u4‰"长安大学硕士学位论文沈艳松指导毂师蛙g鲤盟亟茎墨垂基璺盘墼申请学位墩剐——堕±—一学科名蒋玺堕堡生丝到当壁墨论文摄空日期—_窒螋显竖—一论立答辩日期——_星鲤垒篮墨L学位授予单位墨盘占鲎菩册委员会主席z芒室盎量莓学位论文评闻人t盎堕高三—三杰星J蚪虬 摘要道路交通安全是全社会关注的一个热点问题。路侧交通事故在总的交通事故站相当大的比例，本文从道路交通标志的结构设计设计角度来分析、解决道路交通安全问题，探讨通过改进标志支柱结构来提高路侧安全性、减小交通事故的严重程度，具有重要的理论价值和现实意义。本文首先在分析国内外研究成果的基础上，对解体消能装置的作用机理与该类型标志的使用场合进行研究，分析了解体消能交通标志设计的影响因素，提出了该类型标志的结构要求；对比我国现有标志和解体消能标志的不同之处，结合道路上车型组成，风载对结构的影响、材料等因素，参照我国现有标志的结构设计方法，提出解体消能交通标志的设计计算理论。然后利用前面对解体消能标志支撑的受力分析，首先用静力学方法，计算标志在日常使用状态下结构薄弱面的受力，根据结构力学、材料力学知识确定两处薄弱面的尺寸；采用有限元数值仿真分析方法，对解体消能交通标志支撑在受到汽车撞击时候的几个主要术参数进行进一步优化设计，得出满足标志在日常使用和汽车撞击两种极限状态的结构计算方法。最后，应用前面的研究成果，结合陕蒙高速的环境条件，对以标志板进行结构计算，并将计算结果过于国外相关数据进行对比，证明了本文研究理论的正确性。关键词：路侧安全交通标志解体消能设计理论仿真分析 AbstractThe锄伍cs疵tyofmemadisahotquestiontlla_tthewholesocietypaysclose甜册tionto．Roadside廿娟caccidenthasstoodsizablepmportioni11thetotaltmmcaccldentoftllehil；hway．nljstextanalysesands01vesthetra衢csaf色typroblemofthemadintcⅡnsofdesignoft11en刮强csignof也eroad，discllssaIldiInpmve廿leroadsidesafet)rofthehi曲way，reducingt}le∞Verityof仃afficaccidemthrou曲“chaIlgetlle蛐mctIlI。eof也esignpillar，the也eoryValue谢tllimportallcea11drealisticmeaIljng．Thjste：Ktisonthebasisofa11alyzingdomesticaIldiIIteⅡlatlonaIresearchresultsatfh：st，吣ing也e如nc日dn瑚ec矗戚smofbre乱岛way妊啦csign缸通u咖g龇locationofthis钾吧伽csig也Have姐alyzcdtl碡砌uence蠡lctorofⅡledesi醪ofbreakaway由础ic《gn，hasproposedtlle蛐mctll∞reql舱stofthis锣pesigmContrastbreal硌way仃桶csignt0ol玎锄csignatpresent-Considcringtllec01npo豳gtypeof缸娟cnow，tllew砌load，matcrial，托细∞cedmesmlctllredesi萨memod耐stingsi印ofoIlrco眦仃y，prop0∞t11edcsi印也coryofh：al∞啪y锄csi盟．n吼lIcili血gin也e缸eofc0砸gurationamlysisbreak；删ay仃amcsi弘pill码usesta：tic’smethodat血．st，calcula：tctlleg廿e蟠ofbl般Il【away倘csignc嘲ponent．Desi弘sectiondimension∞cormIlgtome虹owledgcofs咖魄砌mechaIlics锄dmechallicsofmaterials；AdoptmemlmberValuesilIlulati∞锄alyticaloffinite·element，flIntleroptmlizationmaillpammetersofbrealmwaytmmcsigncomponemwhent量1ebreal(away倘csignb啪pingbyautomobile．Obtainmes咖ctI|recomp曲gm劬odoftwo虹池ofl劬stat鹤．FiIlall弘u∞the雎c酣ingresearchresIll协，c砌bine髓lvir0岫emalcondmonofShamncllg台eeway’tocalclll础g也e蛐∽tIl∞bymarkiIlgmeboard，∞i119foreignreleVamdatacomparewi也ourregllltofcalculation，锄dp】．oVethisdesignme0叮ofthispap钟iscxactitllde．Keyword：Roadside豫fbty劬伍csi印BreakawayDesi驴theo巧s酬ation卸_a1州cal 论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名：沌拉罩j伽辞_}月。f尽论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：盹杜摹乞扣f年善月zf曰导郝签名：飓予。占年j聃曰 第一章概述1．1研究背景道路交通运输在社会和经济发展中起着重要作用，交通安全自然成为人们比较关心的社会话题。自从1886年德国人卡尔·本茨研制出世界上第一辆汽车“奔驰”，以后就开始出现车祸。迄今为止，全世界死于车祸的人数已超过3200万，而死于战争的人数约为2350万。而同期我国的道路交通安全状况则更不容乐观，虽然我国的机动车数量在世界上仅占1．6％，但车祸死亡人数却占世界的14．13％。据我国公安交通管理部门统计“1：2005年，全国共发生道路交通事故450254起，造成98738人死亡、469911入受伤，直接财产损失18．8亿元；全国公路上发生交通事故272840起，造成76689人死亡，分别占总数的60．6％和77．7％。城市道路上发生交通事故177414起，造成22049人死亡，分别占总数的39．4％和22．3％。我国交通事故的万车死亡率为7．6。大大高于许多发达国家的同类数据，例如美国、日本等国的交通事故万车死亡率均低于2人／万车。由此说明，我国公路的交通安全状况形势十分严峻，交通安全保障工作面临很大的挑战。随着我国国民经济的发展，人民生活水平日益提高，人们的生活要求，已经由基本阶段向更高的要求过渡，在交通方面，人们已经不满足于现状，而是希望走得更畅通、更安全。安全、便捷与舒适，是现代化道路建设的目标，也是用路人的期望，如今“保护人身安全”已明确地写入道路交通安全法，充分体现了尊重生命、以人为本的原则。确保人民群众生命财产安全是坚持以人为本的内在要求，是构建和谐社会的重要基础，也是交通部门头等重要的工作，并对进一步做好交通安全工作提出明确要求。美国、加拿大、英国、德国、日本、韩国等国家自五、六十年代起，各自经历了经济高速发展，交通安全状况严重恶化的时期。通过综合运用3E策略(Enforcement、EngineeringandEducation)，完善交通安全法律体系，调整交通安全政策，明确交通安全责任，强化政府的交通安全管理职能，大力推广和使用新技术、新方法，全面提高道路、车辆的安全性，交通安全状况大为改观。在最近二、三十年内，交通事故总量下降并渐趋稳定。据相关资料统计“儿”，目前，每年欧洲公路交通事故达130万次，致伤人员约170万人，死亡人数约4万人，美国今年平均每年发生交通事故6316000起， 死亡人数42000多人，而我国2005年共发生交通事故450254起，死亡人数却达98738人，我国发生的交通事故数远小与西方国家，而死亡人数却是西方国家的数倍，这说明我国道路交通事故严重性远大于其他国家，我们有必要通过改善交通设施来减小交通事故的严重程度。交通事故是不可避免的，但是我们可以通过改善交通设施，让交通参与者在发生交通事故时有一个可以改正错误的机会，这就是目前国外交通安全研究领域提倡的宽容设计。为此，在2004年年初的全国交通工作会议上，交通部党组提出了从2004年开始，用3年时间，在全国实施以“消除隐患、珍视生命”为主题的公路安全保障工程，重点改善国省道干线公路的交通安全状况。但由于我国对交通安全的研究还比较落后，经验积累不足，如何有效地开展公路交通安全工作，目前仍处于探索阶段，尤其如何针对国情特点，构造我国交通安全的体系、标准与技术方案，还需要做大量的实质性分析研究工作。1．2．国内研究概况1．2．1国内研究概况目前我国参与交通标志研究的单位并不是很多，对交通标志的研究也主要局限于标志版面的可视认研究，而对于标志的结构设计研究较少，没有相关的文献阐述交通标志完整的结构设计理论，相关的产品种类更是缺乏。1986年编制完成的第一部标准开创了标志规范化的先河，使得原本混乱的标志设计变得有章可循。这个标准是在综合分析国外标准和有关研究成果的基础上，结合我国道路交通特点，通过对比、试验验证和调查评比编制完成的，但是，随着交通科技的发展以及交通复杂程度的不断增加，这部标准存在的问题日益显露出来，如标志设计的位置、尺寸、种类、颜色等均需做更详细的研究以满足交通的需求。1999年公布的标准在此基础上对标志的形状、尺寸、图形符号、材料、结构、设置等均作了更为详细的规定，尽可能使标志的种类齐全，图形形象直观，版面美观大方，结构合理。它对完善交通标志的标准化、规范化起到了重要作用，推动我国的交通事业向更高的层次发展。同年杨久龄、刘会学等人在《国标GB5768—1999<道路交通标志和标线>应用指南》一书中，对我国交通标志的发展进行了详细的介绍，分析了交通标志布设和设计各种影响因素，并对交通标志支撑结构2 的计算进行了详细的介绍：并以无缝钢管为例，给出了各种类型交通标志支撑的计算实例。2002年，在《交通标志世界》一书中，夏传荪以我国道路交通标志国家标准为主线详细介绍了我国道路和高速公路交通标志的运用实践，并以生动的文笔和现场实景图片介绍了一些发达国家交通标志运用的现实风貌。在本书中，详细介绍了装配式挤压成型铝合金标志的制作安装过程，并以H型钢为例，给出了适应不同标志板的H型钢支柱型号，以及对应的法兰盘尺寸。2004年11月，交通部公路科学研究所及路士安科技有限公司在北京联合举办了《道路交通安全技术》专题培训。为来自全国交通、公安、市政等部门从事道路交通安全管理、研究、设计、施工、生产技术人员和相关院校师生近一百余人参加了培训。其间来自美国联邦公路管理局的资深安全专家Stephens先生对宽容设计如何在路侧设施当中的应用作了深入细致的讲解，并详细介绍了解体消能式设施特点、适用范围与设置原则。2005年交通部公路科学研究所唐铮铮研究员在《标志设置的路侧安全性考虑及对策》一文中详细阐述了解体消能设施的分类，作用原理，以及相关的设置影响因素和性能评价方法。1．2．2国外研究概况在国外，日本和欧美许多国家都较早开始了交通安全研究工作。路侧立柱作为公路上的主要安全设施，自然受到了人们的广泛重视。目前国际上在路侧立柱设计研究中，以美国的研究成果较为先进和完善，他们借助大量实车足尺碰撞过程的验证实验和公路上的应用实践，积累了大量经验，制定了有关立柱形式选择、结构设计、实验验证的方法、手段以及支柱的生产制造、运输安装和维修等一系列的标准规范，为路侧设施的标准化、系统化设计奠定了基础。解体消能理论在路侧安全设施当中的应用最初是美国德克萨斯州交通运输研究所的EdWards，T．C．，Hirsch，T．J．，and01son，R．M．在1967年的公路执行情况报告(HP肛2)104页，《解体消能路侧标志支撑结构》一文中首次提出的。随后，EdWard等人在1968年对解体消能标志支撑进行了进一步的研究，在此研究的基础上提出了现在美国广泛应用的解体消能标志滑动基础(slipbase)的解决方案。他们的研究成果被联邦公路管理局FHWA和佛罗里达州交通运输局采纳，并应用于实践。 从SHTO在1974年发布了被他们公路界被誉为圣经的《HighWayDesignandoperationalPracticesRelatedto眦ghWaySafety》第二版，其中提出了宽容路侧设计最初的基本理论，将解体消能支柱作为宽容设计的具体实现写入了该设计手册。在以后的时间里，美国各州的交通安全研究机构，通过大量实车碰撞试验和数值仿真分析，对该类型立柱的各项设计参数进行标定，并对对解体消能支柱安全性能进行评价。其中又以Hallquist和JohnD．Reid等人的研究最具代表性。1995年Hallquist利用研究较大变形的、非线性有限元(F队)分析软件LS—DYNA3D引入解体消能支柱的安全性能评价领域，通过计算机的数值仿真模拟车辆撞击小型双柱支撑的解体消能标志的破坏形态。Paulaen和Reid在1996年通过实车足尺撞击试验验证了使用有限元模型模拟的准确性。1998年JohnD．Reid等人对在标志使用期间，如何提高大型的标志支撑系统上铰接钢片的抗风能力这个问题进行了研究。研究目的是确定以后设计大型标志系统增加抗风能力的方法，以维持更好的使用安全性能。研究方法是通过应用与小标志分析同样的建模技巧，对标志系统在受风载时的受力形态进行数值仿真分析，通过改变结构参数，得出两种实际可行的增加标志抗风能力的方法：增加铰接钢片的厚度和减小刚性铰接点与标志板中心的距离。并以钢柱的尺寸为基础，给出了适应于不同型号支柱的铰接钢片厚度和铰接点能够向目前的铰接点上方延伸的最小距离。结果如下表1一l所示：表1～1铰接钢片厚度(∞)铰接点最大上移距离支柱型号当前厚度改进后厚度(mm)W6×94．8OW6×156．47．9152W8×186．49．53．5W10×227．99．5457W10×267．911．1533W12×267．912．7610美国于1996年，出版了《路侧设计指导》(RoadsideDesignGuide)，并于2002年发行第二版，该书对路基坡度、排水设施、交通标志、防撞护栏、邮箱等的安全性进行分析，提出了公路设计应遵循的主要原则和应选用的交通工程设施种类，成为美国现在公路设计最重要的指导规范之一。将之用于公路建设的实践当中取得了较好的运行效果。4 总体来说，我国对道路交通标志的研究起步较晚，正处于不断探索与积累的阶段，研究成果还不是很完善，与发达国家相比还很欠缺。就解体消能式支撑的而言，国外通过大量的实车碰撞确定出一系列的标准，用计算机仿真对该设施的安全性能进行仿真分析，不断地仇化改进设计标准，而我国目前只是刚刚引进了宽容设计概念，解体消能支柱尚未在我国应用，相关的计算理论更是处于空白状态，本文正是建立在对国外资料的分析的基础上，提出解体消能标志支撑的设计方法与计算理论。1．3本文研究目的与意义在我国近年发生的道路交通事故中，单车事故的比例有所提升。其中路侧事故在公路事故中占了大约3096的比例，就是说，每3人死亡事故中，就有1人死于车辆驶离道路的事故。这个数据说明了路侧环境在伤亡和严重事故中起了很重要的作用。车辆驶出路外发生事故主要是两类，一是路堤高、边坡陡、边沟不合理造成车辆侧翻，二是车辆碰撞路侧障碍物，如大孤石、标志柱、灯杆、树、护栏等。为了让驾驶员看清楚，标志通常设在净区的范围内，就成为一种路侧障碍物；但是标志又是向驾驶者提供重要交通信息的设施。所以标志设置时，应在满足其提供指示、诱导、警告等信息的视认要求的前提下，尽量符合路侧安全要求。但是，不管车辆驶离道路的原因如何，如果路侧无固定障碍物、边坡平缓，则事故的严重度会大大降低。因此合理设置路侧设施对保证路侧安全有重大作用，本文从分析标志支柱的碰撞性能入手，阐述了解体消能交通标志的作用机理、影响因素、结构要求、设计要点等解体消能标志设计影响因素，希望对路侧安全设施的设计人员有所裨益。随着交通安全问题的不断出现，人们对交通外部环境给予了更多的关注与期望。在今后一段时期内，交通外部环境条件将成为交通管理研究和具体实施中要考虑的重点。如何结合不同道路的不同特征和不同环境去研究出满足交通出行需求的交通标志，从而合理有效的改善交通外部环境条件将是道路规划设计与管理工作者必须面临的挑战和难点。总之，本文的研究，既有理论方法的探索，又与当前我国的交通安全现状紧密结合，其研究结果具有重要的理论意义和实用价值5 1．4本文研究方法内容本文首先将通过收集、整理资料，综合国内外研究成果，在总结标志的一般设计、设置的基础上，通过分析解体消能装置的作用机理，对比我国现有标志和解体消能标志的不同之处，结合道路条件，车的问题、材料等因素，参照我国现有标志的结构设计方法，提出解体消能交通标志的具体设计方法，然后通过对解体消能标志支撑受力分析，首先用静力学方法，计算标志在日常使用状态下结构薄弱面的受力，根据结构力学、材料力学知识确定两处薄弱面的尺寸，然后采用有限元方法，通过构建模型和编辑数学计算公式的方法对解体消能交通标志支撑在受到汽车撞击时候的几个主要术参数进行进一步优化设计；得出满足标志支撑强度和稳定性的结构计算方法。最后以通过算例检验研究的可用性。本论文各章节研究内容如下：第二章：解体消能交通标志设计方法本章主要介绍了解体消能支撑的设计方法。首先分析解体消能设施的作用机理与设置场合，分析与现用标志的差异，提出内容主要集中在解体消能式交通标志支撑与我国现在使用的交通标志支撑不同的两个部位(即发生碰撞时的两个破坏面)，分析两个部位在风力荷载与汽车撞击两种条件下的受力，提出解决思路，综合理论力学与结构力学、材料力学的知识，提出解体消能支柱的计算理论。第三章：解体消能支柱计算方法本章主要包括四部分：首先对解体消能构造物需要承受的永久荷载与可变荷载进行计算；然后采手算与电算相结合的方法，计算标志在日常使用状态与受汽车撞击时结构薄弱面的受力；根据结构力学、材料力学知识，以第一强度理论为基础确定两处薄弱面的尺寸；最后介绍了有限元法的起源、原理，计算的基本思想，解体消能支柱的数值仿真分析方法。第四章：算例分析通过前面得出的结论，假设一个工况，计算出解体消能支柱的具体尺寸，根据前面所得出解体消能设施计算理论，计算出解体消能交通标志在日常使用状态下(即标志受风力荷载作用下)的结构参数，据此构建出的解体消能支柱的实体结构。用软件对该结构在失控车辆的冲击下的稳定性与强度进行模拟分析，优化计算结果，并通过与国外数据进行对比，从而验证所得出结论的有效性与可行性。6 第五章：结论对本文的研究成果和有待进一步完善的地方进行总结。本文研究的技术路线如图1一l所示：图1—1本文技术线路图7 第二章解体消能交通标志设计方法研究交通标志和其他路侧设施，作为具有特定功能的结构物，有别于道路、桥梁和各类工业与民用建筑。而在我国现有各类设计规范中没有专门提到有关交通标志的结构设计要求。传统的标志支撑刚性很大，在发生碰撞事故时使车辆速度迅速降低，因而大大加重事故的严重程度。国外对传统支柱研究显示：在发生支柱碰撞事故的时候31％的支柱被撞倒或是严重损坏，这说明汽车在碰撞支柱的时候吸收了相当大的能量，解体消能设施针对这种情况的一个很好的解决措施，在发生碰撞时，它通过自身的结构破坏吸收能量，汽车穿过支柱，从而保证了汽车和里面成员的安全。2．1解体消能设施消能方法及结构标准2．1．1解体消能式设施的消能方法解体消能结构在我国的应用非常少，在国外也大多是专利技术。其中以在美国的应用比较具有代表性，不但公路上的交通标志大量使用这种支撑结构，其他的路侧设施，例如：路侧护栏、邮箱、电线杆、广告牌都等都大量采用这种结构。解体消能装置可能是由一个滑动平面、一个塑性铰、一个断裂元件中的一个或几个构成。从支柱材料分主要有木质、钢质两种；从可适用的车辆的碰撞方向分为单方向、多方向两种。下面双柱式交通标志为例说明解体消能结构的作用机理。图2—1解体消能交通标志日常受力示意图姗1)在日常使用时：受到风力荷载或是其他荷载作用时标志板和横梁支柱受力，在两处结构薄弱面产生弯矩，此时标志整体处于平衡状态。8 2)在标志受到汽车撞击时：标志在受到汽车撞击的瞬间会以滑动基础为圆心，有一个瞬时的角位移，此时解体消能基础同时受到剪力和弯矩的双重作用，随着汽车向前移动，滑动基础受勇力破坏，在臂动基础破坏以后，标志支杠由于受到汽车冲击力的作用，而同时又受到标志整体的约束作用，支柱就会在刚性铰破坏，可以让汽车从标志板下穿过去，该过程如图2．2所示图2-2解体消能支柱受撞击破坏示意图”2．1．2解体消能式标志结构标准国外交通设施设计部门，根据解体消能标志在路的实际应用，结合道路交通流的车型构成，总结归纳出了以下解体消能交通标志结构尺寸标准嘲。通过对撞击事故的统计表明，以该尺寸设计交通标志，可以较好的的防护行驶在路的大部分车辆。(1)解体消能式立柱标志的7英尺原则：1)单个立柱(或复合立柱)之间至少分开7英尺；2)对于多个立柱的标志，解体消能支柱的基础墩部要距标志牌底部或者铰接处至少7英尺；如图2—3所示若所有支撑物之间间距为7英尺，则他们工作性能结合很好。这个标准的制定是基于将潜在的不可预见的行为对解体消能装置危害减至最低。在某些情况下，车辆可能以足够大的角度驶离车行道，以至于有2个间距7英尺的支柱受撞击。另外一些情况下，车辆在路旁偏行过度，间距为7英尺的支柱(2个或2个以上)也会受到撞击。在许多情况下，低速行驶车辆撞击解体消能装置会引起车速巨大的变化是因为低速车辆缺乏激活解体消能装置的能量。鉴于发生驶离车道或路旁偏行状况的车辆多以慢速行驶，因此采用7英尺的柱间距作为道路解体消能标志牌设计标准具有安全性。9 图2—3解体消能支柱高度示意图⋯(2)解体消能式立柱标志10cIn原则解体消能交通标志的典型特点是在受到汽车撞击后结构会破坏，而由于破坏产生的残留物，又会对失控车辆构成新的威胁，例如过高的残留物会挂住失控车辆的底盘，从而引发新的损害，因此，残留物的高度必需要控制在一个合理的范围之内，通过对大部分车辆外形轮廓与形式特性的统计分析，以及事故现场勘测，得出解体消能支撑碰撞后的残留物控制在10cm以下时，防护的安全效果最好，如图2—4所示。虽然大部分的道路条件下，提供这样的路侧是不现实也不可能的，例如在存在倾斜边坡，排水沟，路边石，还有其他排水设施和地形特征。但这些特征与车辆轨道和设施相互作用和影响的关系在设备安装之前必须被考虑。图2-4解体消能标志残留高度示意图”lO 2．2解体消能交通标志适用范围土莲腊穰旦。耍图2-5交通标志支撑方式“我国现用标志使用整根工字钢、无缝钢管或是矩形钢作为支撑，支柱与基础 通过法兰盘连接，保证标志的稳定的法兰盘分为上下部分。下法兰盘埋置于标志基础混凝土的表面，与混凝土中钢筋焊接成一体，以保证标志立杆的稳定。上法兰盘与工字钢立柱的根部焊接。上下法兰盘用高强螺栓紧固，形成整体，如图2—6所示。图2—6现用交通标志支柱结构示意图2)解体消能是标志支撑由于其自身特点限制，并不能应用于所有的支撑形式，我国目前可以采用该结构的支撑形式主要是柱式支撑，包括：单根立柱、双柱和三根立柱。单根立柱通常用于中小型尺寸的警告、禁令、指示等标志，双柱式解体消能支撑如下图2—7所示：而悬臂式和门架式由于标志和支柱自身比较重，在在日常使用过程中受力比较复杂，采用解体消能设置不一定能起到比目前更好的安全效果汹“删。图2-7双柱式解体消能支撑嘲 按照标志下部结构再受碰撞后的破坏形态来看，解体消能交通标志可分为滑动基础和断裂基础两大类。断裂基础：在受到汽车撞击时，连结支柱子混凝土基础的螺栓受力破坏，此类型的标志可对来自各个方向的撞击进行有效的防护。而且安装和维护相对来说比较简单，具体结构形式如图2—8所示。滑动基础：顾名思义，滑动基础就是在标志受到汽车撞击时，位于支柱底部两个锚固盘，克服摩擦力将固结螺栓从预留狭缝中推出，使基础破坏，此类型的标志在受到汽车从前面或后面撞击时，使用效果良好，但是对于侧面撞击的防护情况效果不是很好。属于比较典型的单向防护标志。如图2—9所示图2—8断裂式基础啪图2—9滑动式基础⋯解体消能支撑上部钢铰接点设计主要针对双柱式支撑和三根立柱的支撑方式，钢铰接点由连接支柱的上下两部分得特制钢片构成，为防护多个方向的撞击，应在标志立柱的两侧都设置这种连接。在这种特制钢片上存在着人为设置的结构薄弱面，设置方式主要有两种：挖槽和打孔，具体构造形式见图2—10。图2-10铰接钢片示意图” 2．2．2解体消能支撑设置场合解体消能交通标志主要用在不可能移走或从新设置标志花费比较达的高危险地区，这些地区是曾经发生过杆事故或是可能发生的地区，解体消能交通标志的应用可以有效的减小标志碰撞事故的严重性。解体消能式支柱必须设计的能支撑安置在上面的标志面板，并且能承受所在地区可能出现的最大风力荷载。而且解体消能标志必须被正确的设计，安装在恰当的位置上，以保证该标志发挥恰当的作用同时减小被失控车辆撞倒的可能。而且像排水沟这样容易受流水腐蚀和冰冻影响的地点，那儿的侵蚀、结冰等可能会影响解体消能支撑的性能发挥。因此，并不是所有的地点都适合设置解体消能交通标志，在布设解体消能式交通标志时必须遵循以下标准m1：≯支柱位于路侧净区以内。》因为路的限制条件，路侧环境或者经济原因，移除和重新布设支柱的选择不切实际。≯标志支柱不是太粗或是有很重的附属物。》在支柱后面有一个安全的恢复地区或是没有路侧危险时。>支柱不应位于一个明显的行人活动区域附近。≯支柱的位置和标志解体后的产物不应该对行人，其他车辆和临近的物体造成危险。2．3解体消能式交通标志影响因素分析2．3．1风力影响嗍‘伽风是建筑物的侧向荷载之一，它与地震荷裁一起是建筑物常遇的侧向荷裁。对于较高较长的建筑物侧向荷载引起的响应在总荷裁中占有相当大的比重，甚至于起着决定性的作用。1．风的特性风对构造物的作用是一种非常复杂的现象，它与风的特性、构造物的体型和动力性能以及风与构造物的相互作用三方面有关。风绕过建筑物时，会产生漩涡和流动的分离，形成复杂的空气作用力。当建筑物刚度较大，结构保持静止不动，这种空气力相当于静力的作用；当建筑物柔度较大时，结构的振动受到激发，这时空气力的作用不仅有静力，还有动力作用。风荷载一般包括顺风向力、横风向 力和扭转力矩，并具有以下特点：1)风荷载与空间位置及时问有关，受地形、地貌、建筑周围环境等因素影响；2)风荷载与结构的几何外形有关，结构不同部分对风敏感程度不同；3)对具有显著非线性特征的结构，可能产生赢体藕合效应；4)结构尺寸可能在多个方向比较接近，风荷载需要考虑空间相关性。2．风对结构的作用将高层结构表面上的风压沿表面积分，即使结构截面完全对称，由于水平风速在水平面内可以形成不对称的旋涡，所以也将得到顺、横风力及扭转力矩，相应的在风力作用下的响应【111有；顺风向响应：指平均风力产生的平均响应加上来流风中纵向紊流分量引起的与来流向一致的响应。横风向响应；指方向垂直于来流方向的响应。其发生机理非常复杂，迄今尚无公认的理论分析方法。一般可认为横风向平均风力为零，故横风向响应属于脉动响应，其激振振源包括①尾流；②伴生的湍流；③结构横风向运动引起的激励等，但主要由尾流激励引起，具体则表现为共振响应分量占主要地位，且其共振放大效应远大于顺风向的类似情况。对于低矮建筑乃至大部分高层建筑，横风向响应小于顺风向响应。随着高度的增加和单位质量的减少，建筑物变得越来越柔，横风向响应将占主导地位。因此高层建筑、尤其是超高层建筑的横风向响应日益受到重视。由于风对结构的作用会产生以下结果：1．在强风作用下，局部构件出现高应力，由于材料的强度不足而破坏；2．结构物或结构构件产生过大的挠度或变形，影响结构的正常使用；3．由反复的风振动作用引起结构或结构构件的疲劳损坏；4．气动弹性的不稳致使结构物在风运动中产生加剧气动力：2．3．2材料性能㈨工程上常常根据常温、静载在下的拉压试验的延伸率的大小，将材料大致分为塑性材料和脆性材料两大类，这两大类材料在力学性能有着很大的差异。从导致物体形变的角度看，在相同作用力下，物体形变的程度与其质量无关，与材料特性和结构关系很大。脆性材料构件在静拉伸时，当应力超过强度极限时，发生脆性断裂。几乎没有塑性变形(图2—11a)。断口平面垂直于应力轴，沿结晶解理面发生。断口具 有光泽的晶粒关特征。0o￡图2一”脆、塑性材料应力应变曲线⋯塑性材料在拉伸载荷下应力达到屈服极限‰时，产生塑性变形，(图2～11b)，塑性材料在受理达到屈服极限的时候有一个变形过程，在此过程中在受理不变的情况下，产生塑性变形，最后结果是结构破坏，由对前面的标志的破坏形式分析可知，我们需要设计的，立柱在受的力到达一定程度的时候，下部结构螺栓破坏，尽量减小从碰撞到开始的时间，减轻汽车所受的损坏，因此我们在进行结构设计时，推荐选用脆性材料，然后选取合适的设计准则来进行截面设计。2．3．3土壤类型不同类型的土壤可能会对解体消能支撑的作用机理发挥产生影响，由于不同面积的交通标志面板，要采用不同型号的支撑，支撑基础也相应的不同，脆性材料的支柱(高碳钢、u一钢支柱、木质支柱等等)解体消能支柱在受到撞击时可能使土壤产生变形吸收能量或是对支柱的断裂机制产生不利影响，通常这种问题对于埋深不超过1米的基础会产生影响，因为基础可能在受到撞击时被从土中推出来。除非经过特别的锚固设计来避免这种情况。2．4解体消能式交通标志结构要求为保证不同条件和荷载作用下，不影响标志的视认性和安全性，同时考虑经济因素，我们要求解体消能交通标志应满足以下三个要求：1．正常使用的稳定性性16 2．对失控车辆不造成大的损害3．标志易于养护维修结构要求1主要是考虑交通标志在日常使用时，标志可能会受除风载以外的偶然的外力撞击，这时标志应1幺保持稳定，不会影响标志的正常使用。结构要求2主要是考虑了以下几个因素：(1)消能结构应具有较好的应用效果，可提高车辆和乘员在碰撞时的安全性。在标志的使用功能不变的情况下，增设消能构件可提高整体结构的安全性。(2)解体俏能支柱在我国足一种全新的支撑结构，目前尚未取得完整的设计使用经验，结构在实际碰撞中的效果也尚待检验，因此在设计过程中，确保标志的稳定的同时，尽量减小消能构件的尺寸，以免出现设计强度过大，出现失控车辆撞不断的情况。(3)随着我国经济的发展和人民生活水平的提高，对结构的可靠度和出行的安全性提出了更高的要求。近年来随着“以人为本”口号的提出，交通设施的安全性越来越引起人们的重视。结构要求3主要是考虑标志在日常使用中的养护问题，以及受到失控车辆撞击后，对标志的修复问题，由于该型标志的独特设计，在受到撞击以后，只需要更换受损的消能构件，就可方便及时地使标志重新发挥作用。解体消能交通标志是为减少对车辆成员损伤而设计的，是直接与失控车辆接触的路设施。由于解体消能式支柱是允许汽车穿过支柱，不用吸收这么大的能量，因此他的设计应紧密联系车辆的重量、外形、尺寸，因此如何选用设计车型，是关系到标志设计是否合理的重要条件。2．5解体消能式支柱计算理论交通标志是通过一定的结构支撑方式、用图形符号和文字向道路使用者传递特定信息、用以管理交通的安全设施。而解体消能式交通标志作为一种新型的标志支撑形式，为使交通标志在各种自然环境下，都能固定不问断地发挥功能，在结构设计时，就要充分考虑到其在承受荷载时的力学强度、刚度和稳定性。同时，由于交通标志为道路的一部分，在进行结构设计时，还要兼顾其对道路美化所起的作用，在可能条件下，尽量使其结构雄伟、壮观，与道路沿线环境相协调。在标志结构设计时，首先要选择恰当的结构型式，然后进行合理的分组，最后17 根据设计理论设计出安全、雄伟而又经济的标志结构。2．5．1解体消能交通标志的总体设计解体消能交通标志与现有标志的不同支柱主要在于：解体消能标志的支柱比现有标志多出了两处人为设置结构薄弱面，当解体消能标牌受到车辆撞击时，其滑动基础受剪力破坏沿受撞击方向滑动，位于上部的铰接钢片受弯矩破坏以保证支柱下端能够沿着铰链端摆动，这样便可以让失控车辆从标志的下部穿过。以达到减轻碰撞损害的目的。本文的主要目的是通过理论计算，得出位于支柱上的两个结构薄弱面的具体尺寸。因此，本文设计的主要考虑方向为两个结构薄弱面的设计与计算分析，对于交通标志的版面设计，版面与支柱的连接构建强度，基础的设计都参照我国现行标准的相关规定。由于解体消能交通标志的类型有许多种，例如单柱式、双柱式和三根立柱的；单向防护和多向防护等等，因此他们的理论计算方法不可能完全一样，因此本文选择最具代表性的多向防护的双柱式断裂形基础进行理论计算，其它形式的支撑结构的计算可参照此计算方法。结构设计以钢柱的尺寸为基础。每一种设计都是根据结构所能承受的标志牌个数、标志牌长度和宽度已经标志牌距离地面的高度。一般说来，标志牌越大，结构要求要高。大型标志牌抗风载和受撞击时各部位按照预想运作都要比小型标志牌复杂得多。在本次设计中我们选择用H型钢作为交通标志支柱。相对于其他形式的钢材，H型钢具有以下优点：①、H型钢比普通工字钢力学性能好，相同单重时截面模数大，抗弯能力大。②、H型钢截面设计比普通工字钢合理，在承受相同载荷的情况下，H型钢比普通工字钢可节约金属10％～15％，在建筑上用H型钢可使结构减轻30％～40％，在桥梁上可减重15％～20％。③、H型钢具有造型美观、加工方便和节约金属等优点。④、规格多，尤其采用焊接方式可以生产出热轧方式难以达到的许多规格尺寸。因此H型钢是挤压成型标志立柱的最佳选择。装配的关键是向根H型钢必须在一个平面上，不允许前后错位或有角度偏移。出现错位或偏移后，挤压成型板条将无法安装，而且很难纠正。即使勉强安装，也会使标志板面与工字钢支柱底板不密合，出现扭曲，既影响标志寿命，也影响视认效果。2．5．2解体消能交通标志的受力分析解体消能交通标志在设计过程当中主要考虑保持日常使用的稳定和受到车18 辆撞击不稳定。在日常使用时，可能受到多种多样意外因素的影响，其中强度最大，对稳定起决定作用的就是标志所在地区的最大风荷载，标志在受到风力荷载时，整体的受力情况如图2一12所示：铰接汽车冲解体消力矩碰撞条件力力矩风荷载条件图2．12解体消能交通标志受力示意图图2—13为解体消能基础的四个螺栓的立体示意图，在日常使用和受到正面冲击时，螺栓的受力可分为两组，左面黄色一组同时受拉力(压力)、剪应力以扭矩的影响，右面绿色一组同时受压力(拉力)、剪应力以扭矩的影响，因此在进行静力计算时，我们可以将受力状态相同的两个螺栓合并成一个，从而可以将空问问题转换成平面问题来求解，降低了计算量。图2—13下部螺栓简化图2．5．3计算荷载组合在考虑结构计算的荷载组合时，应参考前面确定的标志结构要求，我们现19 在的结构通常都只考虑稳定性，即只要保证结构在各种荷载下保持稳定即可；而解体消能结构，由于其特殊性，不但要考虑在日常使用时的稳定性，也要考虑在受到汽车撞击时的不稳定性。1)日常使用在日常使用时，标志承受永久荷载和可变荷载。永久荷载包括：结构自重和附属物自重。结构自重的计算，一般先选定支柱和标志板的尺寸，然后根据其单位重量计算自重；可变荷载包括：风载和其他可能出现的偶然荷载，2)受撞击时标志在受汽车撞击的过程当中，受力十分复杂，在不同的荷载组合下，汽车冲击力解体消能支柱两个薄弱面的影响也是不同的，因此我们在计算支柱再受汽车撞击时的内力，要全面地考虑每一种可能的荷载组合。根据对实际工况进行分析，我们确定了，以下几种组：组合l：重力风载组合2；重力正面冲击组合3：重力20度角冲击组合4：重力风载正面冲击组合5：重力风载20度角冲击组合6：重力逆向风载正面冲击组合7：重力逆向风载20度角冲击2．5．4解体消能支撑计算依据解体消能支撑结构设计计算主要分两个部分：即维持标志在日常使用状态的稳定性分析和标志在受到失控车辆撞击时的结构强度分析。在进行稳定性和强度计算时，主要从标志的防护车型，外力对标志结构的影响两个方面来考虑。外力主要为风荷载与汽车的冲击力，在计算风载时我们采用等效静力风荷载，等效静力风荷载是联系风工程和结构工程的纽带；在计算外力对标志结构的影响时我们需参考结构力学的矩阵位移法。1．防护车型“”目前，我国的机动车性能较差，交通组成非常复杂。随着我国经济的发展．人民生活水平迅速提高，对公路交通的需求已从货运第一逐渐转向客运第一，公路的建设也进入了前所未有的发展时代；目前我国大部分国、省道上的车流量以小 客车为主，根据近年在广东、河南及河北等省进行的实地观测资料统计，分别为50．2％，28．5％和66％，都超过了微型车和中型客货车等其他车型。可以预计，随着我国社会经济进程和我国国道主干线公路网建设的加快，持别是高速公路通车里程的大幅增加以及汽车产业政策的不断调整，这种趋势会愈加明显．因此，选择小客车作为解体消能交通标志的标准车型不仅与国际研究接轨，而且也符合我国目前的经济现状和未来交通发展的趋势。图2—14车型比例图“”图2—14为我国《道路通行能力分析》中给出的我国某高速公路交通流中各车型比例图。从该图可以看出，超车道的小客车比例为80％左右，行车道上的小客车比例也高达60％；大型车和中型车在行车道上的比例仅为13％和10％左右；大型集装箱货车为3％左右；微型车的比例相对普通公路小得多，仅占6％左右。可见，采用小型客车作为标准设计车型是符合目前我国实际情况的。2．静力等效风荷载“”“。结构的风致响应包括平均分量和脉动分量。根据结构动力学的基本原理，结构的振动会对动力荷载产生一定的放大作用，应用运动方程和随机振动理论的谱分析方法可以很方便的解出位移响应。由于在实际工程应用中关心的响应类型众多，因此给出结构的静力等效风荷载是一种行之有效的方法。所谓静力等效风荷载的含义就是当把这个等效荷载作为静力荷载作用于结构上时，其对结构产生的效应与原有风荷载产生的峰值效应是完全一致的。由于静力计算方法和程序已经很成熟，因此结构设计人员可以很方便地求出结构各种类型的风振响应。风工程2l 研究的主要目的之一就是在给出合理的静力等效风荷载的基础上获得接近于实际的风致响应并应用到实际的生产实践中。所以，有必要深入研究静力等效风荷载的真实情况，进一步考察现有的响应计算方法的有效性。3．矩阵位移法本文在计算标志支柱受汽车撞击时采用《结构力学》嘲的矩阵位移法进行内力分析。矩阵位移法是以位移作为基本未知量．它又分为刚度法和直接刚度法两种。其中刚度法是利用位移变换矩阵．通过矩阵乘积公式获得总体刚度矩阵；而直接刚度法则直接从节点平衡方程出发，导出整个刚度矩阵。对于任何均匀的连续体，各个单元刚度矩阵可由能量原理确定，例如虚功原理。无论涉及什么型式或形状的单元，都包括了如下同样的基本步骤“”：①用v表示单元内任一点的位移，r表示节点位移，由表示假设的位移函数，用以下函数来近似表达连续体内单元的真实位移特性：(v)=[巾]{r}(2．1)②对(v)取相应的导数，得应变位移关系：{el=[明{r)(2．2)③为单元选择适当的应力应变关系：{o}=[明{e}(2．3)④以上公式经过代换得应力位移关系：{o}=[明[明(r}(2．4)⑤施加任何节点虚位移妒)且使外力虚功睨等于内力虚功彬⑥外力虚功：睨=伊)7斜(2．5)式中$}为广义结点力系。⑦内力虚功：彬=』#rp扮(2．6)将(2．2)(2．3)代入上式得形={-y(』陋r【DIB枷弦)(2．7)⑧令睨=形 伊)r$)=伊r(．f【8】r【Dp伽弦)(2．8)式中钭为任意设置的虚位移，可以从方程两边消掉，即：p}=(肛r【Dp协)(r)(2．9)或秘)=k。∽式中医。】称为单元刚度矩阵。2．5．5解体消能支撑截面设计对解体消能支撑的截面设计首先要确定该截面所受的内力，然后选定材料，根据相应的强度理论，确定截面的尺寸。要确定截面的内力，我们应进行如下的工作：1)确定构件的分类及需要进行的计算1．轴心受拉构件应进行强度计算。2．轴心受压构件应进行强度、整体稳定和局部稳定计算。3．对于结构体系，除组成杆件应分别按轴心拉压构件进行计算外，还应进行整体结构的挠度计算。2)确定构件计算内容构件的计算内容可以是构件长度、截面尺寸、某些点的坐标值等几何量，也可以是重量、惯性矩、力或力矩等物理量，还可以是应力、变形、固有频率、效率等代表工作性能的导出量。对某个结构进行优化设计，一些工艺、结构布置等方面的参数，或者某些工作性能参数，可以根据己有的经验预先取为定值，而除此之外的基本参数，则需要在优化设计过程中不断进行修改、调整，一直处于变化状态，通过前面对解体消能支柱结构进行的一系列分析，确定进行结构设计时应对以下内容进行计算：1．强度计算，所有受力构件均需满足强度，包括局部承压强度的要求。2．稳定计算，受压，受弯和压弯构件应满足稳定要求。稳定包括整体稳定和局部稳定。3．刚度计算，即为挠度计算，属正常使用极限状态。对受弯构件应进行挠度计算。4．对处于阵风多发区的标志还需要对螺栓进行抗疲劳应力分析。 3)计算方法在荷载作用下结构构件按原结构构件采用手算或电算分析方法，运用力学知识进行内力计算；在计算标志受风载时的稳定性，对结构进行简化，采用手算的方法；在计算标志受汽车撞击时，由于设计参数很多、且计算精度要求很高，为保证准确性，采用有限元软件进行电算，并将手算电算的结果进行对比分析，检验电算所用模型的合理性。2．5．6解体消能式支撑的性能评价方法对于交通标志的性能评价，主要有两种法可供选择，一是利用有限元软件建模进行接触性碰撞分析，还有就是进行实车足尺碰撞试验。这两种方法各有优缺点。有限元模型能够准确的模拟解体消能支撑在各种碰撞过程中的系统性能。由解体消能设计对很多设计参数很敏感，传统的利用实验和碰撞测试来设计和评价这些系统的安全性能的方法效率很低，同时花费也是很大的。车辆与标志支柱相撞时产生的冲击加速度是判定标志安全性的基本标准。冲击加速度的容许值取决于一系列条件，其中最重要的是冲击加速度的作用方向及持续时间、冲击加速度增长率及其最大值。汽车与标志立柱碰撞时产生的力及其与立柱相互作用的特点，取决于碰撞条件，其中最重要的是碰撞速度、碰撞角和车辆质量，上述条件及它们互相间的关系具有随机的特点，故确定车辆与立柱碰撞的计算条件是较困难的。足尺碰撞试验的结果最精确、最能反映实际情况，但最大的缺点是效率太低，费用太高。我们参照美国Ncm@报告350《公路设施安全性能评价推荐程序》，提出以下试验方法：碰撞条件：2000kg的车辆、碰撞车速35一lookⅡ此、迎面撞击(碰撞偏角为O)和偏角撞击。评价标准：标志以可预见的方式屈服、碰撞前后速度变化(据国外安全机构进行的碰撞测试显示：车速变化最适当的是在3m／s或者更少，车速允许最大的改变是5m／s)以不使车辆成员受到超过身体承受能力的过载为依据。另外标志柱屈服后残留结构高度最大不超过100mm，以减少支撑结构脱离后余下部分阻碍汽车底盘的可能性。 2．6小结解体消能式支柱是一种新的支撑形式，这种形式支柱在碰撞过程中，通过自身的结构破坏来吸收能量，可以有效地降低碰撞对车辆及乘员的伤害。本章在详细分析解体消能支柱的作用原理基础上，阐述了解体消能交通标志设计、安装使用、维护与评价的各项影响因素；通过对国外相关资料的分析，结合我国实际情况，提出解体消能交通标志的设计依据以及结构要求；在前面研究的基础上，对解体消能结构进行力学分析，结合结构设计原理的相关知识，提出了解体消能交通式支柱分析方法、计算依据、计算内容以及性能评价方法。 第三章解体消能支柱计算方法交通标志支架结构在自重和风压荷载作用和汽车撞击下的刚度和强度，必须通过工程验算加以控制。鉴于这类支架通常不需以很严格的结点设计来连接，精确建立实际结构的计算模型并非易事。而是采用一系列的偏于安全的简化来建立计算模型。经综合分析考虑后，我们作如下假设：1．风载方向交通标志在日常使用时所受外荷载主要为风载，假设仅考虑风载方向与标志板平面垂直的情况。2．双柱式标志假设两立柱分别承受一半的风载，据此双柱式标志的计算可简化为单柱式的型式。3．标志板与立柱连接假设标志板刚性很大，且与标志支撑的连接对计算无影响。3．1解体消能支柱设计计算原则解体消能式支撑是一种新型结构，在我国目前还处于起步研究状态，没有相应设计标准和规程，缺乏统一的科学标准与要求。只能以现行钢结构设计规范为依据考虑到解体消能式支撑的特点来进行。我国现行《钢结构设计规范》(GBJl7—88)采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数的表达式进行计算。则解体消能式支撑也分别按承载能力极限状态和正常使用极限状态进行设计与计算。解体消能式支撑日常使用时承受的荷载主要为永久荷载和可变荷载(主要为风荷载)。承载能力极限主要考虑标志在受到汽车撞击时，汽车以人所能承受的减加速度行驶时产生的冲击荷载为计算依据。交通标志的上部结构一般采用钢结构，应采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计，计算交通标志结构或构件的强度、稳定性以及连接的强度时可以不考虑螺栓连接与螺栓孔引起的截面削弱。(1)承载能力极限状态的计算：应使荷载效应不利组合的设计值小于或等于结构抗力效应的设计值“1，其表达式为：‰b甜+a倒)≤厶(3．1) 式中：‰——结构重要性系数，交通标志结构安全等级按二级考虑，该系数取1．0：盯。——永久荷载(结构重量)的设计值Gd在结构构件截面会连接中产生的应力效应，Gd按下公式计算Gd=％。G(3．2)YG——永久荷载(结构自重)分项系数，当永久荷载效应对结构购或连接的承载能力不利时，YG=1．2：当为有利时，YG=1．O，r计算柱脚螺栓时，YG=0．9)；G——永久荷载的标准值；盯。——可变荷载的设计值Qd在结构构件截面会连接中产生的应力效应，Qd按下公式计算仍=％·Q(3．3)Y厂可变荷载分项系数；Q——可变荷载的标准值；厶——结构构件和连接的强度设计值，根据不同情况选用。(2)正常使用极限状态的计算：应考虑荷载的短期效应组合，表达式为占=占G+60≤p】(3．4)式中：6——交通标志或构件中产生的变形值；&——永久荷载(结构自重)标准值在交通标志或构件中产生的变形值；如——可变荷载(主要是风载)标准值在交通标志或构件中产生的变形值；p】——结构或构件的容许变形值。3．2解体消能标志支柱荷载计算3．2．1计算图示简化实际结构是很复杂的，完全按照结构的实际情况进行力学分析是不可能的，对工程设计而言，也是不必要的。因此，对实际结构进行力学计算以前，必须对其加以简化，略去不重要的细节，显示基本特点，用一个简化的图形来代替实际结构，这就是结构计算简图。选择结构计算简图的原则是“”：1)从实际出发，计算简图要反映实际结构的主要力学性能．与实际结构尽可 能相吻合。2)分清主次，略去细节。计算简图要能够进行结构计算。根据不同的计算手段。采用相应的计算简图。如果采用手算方法，则一般只能采用平而结构计算简图；若采用电算，则可以采用空间结构计算简图或者采用实体模型进行有限元分析。3)正确判断计算简图与实际结构的差异，以便在后续的结构设计中做相应的调整。由于解体消能交通标志支撑实际结构复杂，分析前，将其实体结构加以简化，用一个简化的图形来代替实际结构。影响计算简图的主要因素“71有：1．结构的重要性——对重要的结构应采用比较精确的计算简图。2．设计阶段——在初步设计阶段可使用粗糙的计算简图，在技术设计阶段可使用比较精确的计算方法。3．计算问题的性质——般说来，对结构作静力计算的，可使用比较复杂的计算简图，对结构作动力计算和稳定计算的，由于问题比较复杂，可使用比较简略的简图。4．计算工具一一使用的计算工具越先进，采用的计算简图便愈精确。计算机的应用使许多复杂的计算简图得以采用。遵照上述原则，考虑多种因素的影响，我们选用计算简图进行实际结构的简化，简化内容如下：(1)支座的简化；(2)结点的简化；(3)构件的简化；(4)结构体系的简化。其中结构体系的简化又包括：将空间结构分解为平面结构；交叉体系的荷载传递方式简化；将体系分解为基本部分和附属部分，忽略次要变形；离散化和连续化，等等。3．2．2结构荷载计算在本节我们要确定结构计算相关的各种荷载计算方法，主要考虑风载、结构自重以及在撞击过程中汽车的冲击荷载。1)风载的计算当风以一定的速度向前运动遇到结构物的阻挡时，风的一部分动能将转化为力的形式作用在结构上，形成风荷载。风荷载是确定支撑结构稳定决定因素。确定风荷载时，应对本地区的基本风压值、设计风速频率换算系数、风载体型系数、风压高度变化系数和地形地理条件；系数等进行踪合计算，再确定标志的强度、 刚度和稳定性等。1．风速与风压的关系“”对工程结构设计计算来说，风力作用的大小常常直接以风压来表示。风速愈大，风压力也愈大。为此需导出风速与风皿的关系式。当速度为r的一定截面的气流冲击面积较大的构造物时，由于受阻雍塞，形成高压气幕，使气流外围部分改向，冲击面扩大，因此建筑物承受的压力是不均匀的，而以中心一束所产生的压力强度为最大，我们令它为风压”，如下图所示。如果气流原先的压力强度为w。，在冲击建筑物的瞬洲，速度逐渐碱小，当中心一束速度消失等于零时，产生最大压力wm，则建筑物受气流冲击的净压力％一％即为所求的风压Ⅳ。县∥图3—1风压示意图⋯。低速运动的空气可作为不可压缩的流体看待。对于不可压缩理想流体质点作稳定运动的伯努利方程，当它在同一水平线上运动时的能量表达式为w。矿+丢彬=c(3．5)式中：％y为单位面积上的静压能；三肼1，2为动能c为常数；％为单位面积上的静压力(1(N／m2)；y为空气质点的体积(呐；埘空气质点的质量；y为风谏(m／s)。罐 上式两边除以以因为埘=py，p为空气质点密度(t／m3)，则伯努利方程可变为％+三∥2=c1或％=一三_p"，2+c1(3．6)由上式可以看出，气流在运动过程中，它的压力将随流速变化而变化，流速加快，则压力减小；如流速减慢，则压力增大。这就是伯努利方程的一个特性。当v=O时％=％代入公式(2—5)得％=cl(3．7)式(2—5)变为％=一妻pv2+％(3．8)所以w=％一％=丢∥2=丢詈V2cs．。，这即为普遍应用的基本风速风压计算公式。设气压为76厘米水银柱、常温15℃和绝对于燥的情形下y=0．012018七Ⅳ，m3，在纬度45处，海平面上的重力加速度为g=9，8研／J2，代入(2—9)式得到w：!工，z：三。!：!!兰旦!!，：。立W=一二-V‘=一×——V‘≈一2g29．81630但是我们应当注意的是：上面给出的风速风压关系，但它只是空旷平坦地面处离地lom高某一极小面积上的风压力。由于结构物体型不同，实际结构受风面积一般较大，因而风压在其上的分布并不均匀且各有差异，通常在面积较大的情况下，主要取决于结构的体型。同时风的作用点高度和结构所处的地貌不同，也影响着风速风压值。故必须考虑体型的不同而乘上风载体型系数；以及考虑结构上的高度不同而乘上风压高度变化系数。乘上该两系数后，才可求出某具体结构某点的实际平均风压力。得到了结构各点实际平均风力后，则可按静力计算方法进行结构在平均风下的内力响应。2．风载的计算n町横向风荷载假定水平地垂直作用于标志各部分迎风面积的形心上，其标准值可按下式计算：j乙=‰后t岛_¨0彳“(3．10) ％：三上v。2zg(3．11)h：委上。1。2(3．12)2占％=☆2屯v10(3．13)y=0．012017P“”12(3．14)式中：，_——标志所受风载；w0——基本风压(单位：kN／m2)，全国各主要气象台站10年、50年、100年一遇的基本风压可参阅《公路桥涵设计通用规范(JTGD60—2004)》有关数据经实地核实后采用；％——设计基准风压(单位：kN／m2)；以。——横向迎风面面积，按标志各部分的实际尺寸计算；v。。——标志所在地区的设计基本风速(Ⅲ／s)，系按平坦空旷地面，离地面lom高。重现期为30年10min平均最大风速计算确定，当设计所在地区缺乏风速观测资料时，参考“全国基本风速图及全国各气象台站基本风速和基本风压值”的有关数据并经实地调查核实后采用；％——高度z处的设计基准风速(m／s)；Z——距地面或水面的高度(m)；Y——空气重力密度(kN／m3)；‰——设计风速重现期换算系数，对于解体消能交通标志‰取1．0，当设计地区是强台风多发地区时，可根据实际情况适度提高七。值；屯——地形、地理条件系数，可按照表3—3取用；屯——阵风风速系数，对A，B类地表毛=1．38，对c，D类地表瓦=I．7，A、B、C、D地表类别对应的地表状况见表3—2；j}，——考虑地面租糙度类别和梯度风的风速高度变化修正系数，可按表3—1取用；位于山问盆地、谷地或峡谷、山口等特殊场合的风速高度变化修正系3l 数七2按B类地表类别取值；毛——风载阻力系数，具体数值待定y——本地空气容重，单位：kN／m3g——本地实测重力加速度(单位：m／s2)在进行设计时，为提高计算精确度，应对g的值进行实地测量，如果实地测量有困难，可采用推荐值g=9．81胁／J2表3—1风速高度变化修正系数距地面或水平面地表类别高度(m)ABCD51．081．OO0．86O．7910L17L000，860．79151．231．07O．86O．79201．281．12O．92O．79301．341．191．000．85由于具体地貌的复杂性，至今还没有合理的理论来确定具体地方地貌的地面粗糙度指数，为了工程上应用，不同国家根据本国的实际情况在规范中规定了相应的粗糙度指数。值，加拿大规范中将地面粗糙度划分为三类，欧洲和日本规范中划分为五类，美国规范中划分为四类。近年来，我国学者对地貌分类和地面粗糙度指数作了详细研究，在最近的建筑荷载规范修订中将地面粗糙度从A，B，C三类修改为A’B’C，D四类，从而更加合理地反映地面建筑物对近地风的影响。如表3—2所示：表3—2地表分类地表粗糙度类别地表状况A海面、海岸、开阔水面B田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区树木及低层建筑物等密集地区、C中高层建筑物稀少地区，平缓的丘陵地D中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地表3—3地形、地理条件系数屯地形、地理条件地形、地理条件系数k3一般地区1．0山间盆地、谷地O．75—_o．85峡谷口、山口1．2—1．4 交通标志所承受的荷载主要包括两部分：永久荷载于可变荷载。永久荷载即交通标志结构的自重，在日常使用状态下可变荷载主要为风载。a．标志板的风载氏=钠屯％∑帆，×巩)(3．1j)，-l式中：只。——标志板所承受的风载既——第』块标志板的宽度％，——第j块标志板的高度b．立柱(横梁)所受的风载如=‰毛屯％眈×日，)(3．16)式中：j0——单根立柱所承受的风载弹——标志板的数量％——立柱(横梁)的迎风面宽度凰。——立柱(横梁)的迎风面高度，应扣除被标志板遮挡部分其他参数——意义同前2)标志的自重G=(4×p1+日×p2)×g(3．17)式中：卜标志总重量A——横向迎风面面积，按标志各部分的实际尺寸计算挣一标志支柱的高度n——标志板的单位面积质量(单位：kg／酌p：——标志立柱的理论值量(单位：kg／m)g——本地实测重力加速度(单位：m／s2)3)冲击荷载的确定汽车实际使用过程中发生碰撞时，汽车的运动轨迹以及车内乘员的运动状态往往十分复杂，因此运动方程式的建立和求解也都很复杂。由于碰撞过程中，人和车的运动规律不同，再加上碰撞激烈时车身发生大变形并引起仪表板、前围板等零部件缩入乘客室内，减少了人体与室内物体的距离，也使问题求解复杂化。目前我国公路设计中计算汽车冲击力的方法，主要是针对护栏的，但是解体 消能交通标志受撞击的破坏形态与护栏受撞击的破坏形态有所不同，因此采用汽车对护栏的冲击力对解体消能交通标志进行计算是不合理的。我们参考汽车对护栏冲击力计算的思想，用经典物理学的动量原理和动量守恒原理来近似求得汽车对标志的冲击力。经典物理学的动量原理和动量守恒原理仅适用于解决质点碰撞间题。虽然参与碰撞的汽车是具有一定尺寸的物体，但是，如果我们的着眼点不是计算碰撞力及其随时间的变化，而是碰撞力对汽车和其中乘员的伤害程度，根据动量定理，在碰撞过程中标志所受的冲量与汽车所受的冲量相等，在计算过程中，我们将任何车看成一个整体，不考虑人相对于车运动和安全气囊等的影响，汽车所受的冲量即为人所受的冲量，利用人所能承受的最大过载为汽车的减加速度，然后利用冲量定理，求解汽车对标志的冲击力。为此首先对实际碰撞进行如下假设：1)碰撞时间非常短(通常约为0．1s一0．2s)，冲力很大，2)作用在碰撞系统上外力(如摩擦力)同冲力相比很小，可忽略不计；3)冲量存在，4)在碰撞过程中，汽车的运动学结构特征保持不变，汽车变形产生的几何尺寸变化可不予考虑，即汽车为刚体。我们可以根据牛顿第二定律来确定车辆在碰撞时的冲击力，由力加速度之间的关系可知质点的质量与加速度的乘积，等于作用于质点的力的大小。即冲击力计算：F=聊口(3．18)3．3解体消能标志支柱内力计算3．3．1风载作用下支柱内力计算由于解体消能标志在日常使用状态或是受风载时必须保持稳定，当结构处于未破坏之前或稳定状态．其变形必然协调。不论是构件本身变形。还是构件与构件之间的相对变形或结构总体变形都必须是协调，因此处于该状态下的结构体系必然存在着如下的平衡方程∑F：O∑肘=O其中，∑F为合力矢；∑肘为合力矩矢。1)风载在下部基础处产生的弯矩 肘=‰×啊+F仲×^2式中：厄——标志板中心到作用面的垂直距离h。——标志立杠形心到作用面的垂直距离OM}【L【(3．19)图卜吨支反力示惹图2)支反力在下部基础处产生的弯矩M=2，×(2，+工)(3．20)式中：L——标志立柱两个对立面间的距离(根据立柱型号确定)J——螺栓中线到标志立柱的距离3．3．2冲击荷载下支柱内力计算对于双柱式标志，两个立柱同标志板连接成一个整体，单对一根立柱来说，受下部基础的约束，还受到上部标志板的约束，但是上部不能看成完全刚性的，用一般的静力学计算不但计算量很大，而且有相当难度，因此我们采用有限元软件计算两处薄弱面在受到汽车撞击时候的受力。根据有限元软件计算结果，对各个螺栓的受力进行分析，选出在给定荷载下最不利的设计组合，不利组合选取原则如下：1．在每种组合中，选择受力最大的螺栓2．选择几种组合当中受力最小的根据选出的组合确定螺栓的尺寸，但是此时所得出的尺寸是在给定冲击力下下部结构所能撞断的最大尺寸，并不符合我们实际设计意图，因此，因在此基础上对截面进行优化设计。从而得出上部铰接钢片的截面尺寸。计算方法与过程在下节详细介绍。 3．4解体消能构件的截面设计1)设计准则解体消能构件的截面确定无非确定两个因素：一个是确定截面面积，一个是确定构件的材料，根据前面对材料性能的分析，推荐选用各向同性的脆性材料。通过前面对两处解体效能构件的受力分析可以知道，这两处构件同时受拉压力和剪力，属于一种比较典型平面应力状态，几个主应力可由下面的公式确定“”吼：要+三石i矿盯l2j+j叫仃‘+4r‘口2=O(3．22)仃，：要一三√丽仃3=了一丐、／仃‘+4f第一强度理论认为：最大拉应力是引起材料断裂失效的主要因素，即认为：无论是材料出于何种应力状态。只要发生脆性断裂，其共同原因都是因为微元内的最大拉应力仃。达到某个共同的极限值仃。o。根据这一准则，由脆性材料拉伸试验的结果得到脆性断裂的判断依据为：盯1=d6(3．23)相应的设计准则为：仃I=b】(3．24)式中：b】=％，‰，％为材料的极限强度，％为对应的安全系数。2)优化设计根据前面对解体消能支柱的破坏形态进行分析可知，在受到汽车撞击时，下部结构先受力破坏，接着上部铰接钢片在破坏，在这过程中，汽车的冲击力是不断变化，而我们在求解过程中，假设汽车的冲击力是常量，再此常量作用下，释放约束所求得的上部钢片受力，远大于它的实际受力。因此，在优化设计时，我们可以利用插值的方法在下部螺栓截面的最大值与最小值之间，选取一个截面尺寸，利用破坏此截面尺寸的螺栓所施加的力，代替约束，求得上部结构受力，得出较符合实际的结果。螺栓的截面尺寸余所能承受的最大破坏力关系由式(3．25)确定。墨：曼(3．25)Fhs。 式中：只R——螺栓所能承受的最大破坏力足瓯——螺栓的横截面积3．5解体消能支柱的数值仿真分析3．5．1有限元的发展和基本思想有限元的概念早在几个世纪前就已产生并得到了应用，但作为一种方法被提出，则是在50年代随着电子计算机的发展而出现并迅速发展起来的一种现代计算方法【埘。有限元法最初破称为矩阵近似方法，由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。经过短短数十年的努力，随着计算机技术的快速发展和普及，有限元方法迅速从结构工程强度分析计算扩展到几乎所有的科学技术领域，成为一种应用广泛且实用高效的数值分析方法。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连接在一起的单元的组合体。由于单元能按不同的连接方式进行组合，且单元本身又可以有不同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解区域。有限元法作为数值分析方法的另一个重要特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分片地表示全求解域上待求的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或及其导数在单元的各个结点的数值和其插值函数来表达。这样一来，一个问题的有限元分析中，未知场函数或其导数在各个结点上的数值就成为新的未知量(也即自由度)，从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。一经求解出这些未知量，就可以通过插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。显然随着单元数目的增加，也即单元尺寸的缩小，或者随着单元自由度的增加及插值函数精度的提高，解的近似程度将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似解最后将收敛于精确解。因此有限元法分析计算的实质是将一个连续体近似地用有限个在节点处相连接的单元组成的组合体来代替，从而把连续体的分析转化为单元分析加上对这些单元组合的分析问题。完整的有限元分析流程如图3．3所示。 图3—3有限元分析流程图3．5．2有限元分析基本步骤用有限元法求解问题的计算步骤比较繁多⋯⋯，对于不同物理性质和数学模型的问题，有限元求解法的基本步骤是相同的，只是具体公式推导和运算求解不同。有限元求解问题的基本步骤通常为：(1)物体离散化；将某个工程结构离散为由各种单元组成的计算模型，这一步称作单元剖分。离散后单元与单元之间利用单元的节点相互连接起来；单元节点的设置、性质、数目等应视问题的性质、描述变形形态的需要和计算进度而定。用有限元分析计算所获得的结果只是近似的，如果划分单元数目非常多而又合理，则所获得的结果就与实际情况相符合。 (2)选择位移模式：选择节点位移作为基本未知量称为位移法；选择节点力作为基本未知量时称为力法；取一部分节点力和一部分节点位移作为基本未知量时称为混合法。位移法易于实现计算自动化，所以，在有限单元法中位移法应用范围最广。(3)分析单元的力学性质：根据单元的材料性质、形状、尺寸、节点数目、位置及其含义等，找出单元节点力和节点位移的关系式，这是单元分析中的关键一步，此时需要应用弹性力学中的几何方程和物理方程来建立力和位移的方程式，从而导出单元刚度矩阵，这是有限元法的基本步骤之一。(4)计算等效节点力：物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于实的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在单元边界上的表面力、体积力和集中力都需要等效的移到节点上去，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上的力。(5)单元组集：利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按原来的结构重新连接起来，形成整体有限元方程。(6)求解未知节点位移：可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算方法。3．5．3仿真分析实现方法1．仿真平台选择本文所用计算软件是大型通用有限元软件NASTRAN。它是美国nleMsC．soft啪recorporation(简称MSC)公司的产品，当初开发的主要目的是当地航空航天工业对结构分析的迫切要求。到如今，NAsTRAN己成为各个工业领域一直认可和推崇的世界CAE工业最全面、应用最广泛的大型通用结构有限元分析软件之一，也是国际合作和国际招标中工业工程分析和校验的有限元分析标准。它的功能有以下几点：>建立计算模型或者输出结构、组件或系统的cAD模型；>应用施加载荷或者其他设计条件；≯研究模型的物理响应，比如应力水平等；≯做数值模拟实验：》对结构进行优化设计。NAslRAN软件包括三个主要模块：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划工具，用户可以方便地构造 有限元模型；分析计算模块包括结构分析(可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析)、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的藕合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩色等值线显示、彩色云纹图显示、梯度显示、矢量显示、透明及半透明显示(可看到结构内部)等图形方式显示出来，软件提供了大量的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料。2．仿真分析的主要步骤在一个完整的工程分析中，我们应该有对工程进行有限元模拟的整套方案，包括分析的目标、各种分析因素的考虑、分析领域的选择、使用的有限元单元类型选择、线性非线性的确定等，到最终使用的有限元分析工具。进行分析和获得分析结果仅仅是其中的一个部分。NAsTRAN分析的主要步骤：(1)创建有限元模型所有有限元分析都是从创建模型开始的。问题分析的相关背景物理模型需要根据实际问题而定。1)创建或读入几何模型可以通过软件提供的基本元素，点、线、面、体等，构建实际物体或需要分析部分的几何形状，这个形状既可以是完全三维的，也可以是简化了的。另外，NASTRAN提供了与其他CAD软件传递数据的专用接口和一个供GES的通用接口，可以非常方便地从很多CAD软件中直接读取相应的几何模型，避免了设计分析中建模的重复操作。2)定义材料属性对于分析的对象，在不同类型的分析中，需要给定材料的属性，也就是给出材料的各种力学、熟学、电磁学等参数。对于一般静力学的分析，最基本的各向同性材料参数包括杨氏模量、泊松比、材料密度等。对于各种特殊的材料，例如非线性材料、各向异性材料等，NASTRAN也可以进行计算模拟，只是材料特性还需要进行特别的设置。3)划分单元一个几何模型仅仅表示了需要分析的物体的几何尺寸、形状，要通过划分成为单元以后，才能进行有限元分析。划分单元的时候，需要选择单元的形状、类 型，同时根据分析精度的需要设定不同的单元的密度。(2)施加载荷进行求解在完成基本有限元模型的创建后，就可以根据物理模型提供的简化或近似边界条件对模型加载和求解了。1)施加载荷这里说的“载荷”是一个广义的载荷，包括施加在物体上的边界条件、初始条件等，例如：加在模型上的各种载荷、固定支撑等，如果是动力学分析，还包括速度、加速度等，如果是热或流体分析，热源、冷源、层疯、湍流等都是施加到模型上的载荷，这些载荷应该能够最直接地反映出物体所处的环境与物体当前的状态。2)设置载荷及求解控制选项NAsTRAN计算中，允许载荷按照时间历程缓慢递增地施加到模型上，也可以是阶跃式地施加，还可以通过设置载荷步来模拟载荷的先后及加载与卸载等实际情况。另外，求解过程实际上是数值求解方程的过程，NAsTRAN提供了很多数值求解的算法供选择，用户可以针对不同的问题进行相应的选取。NASTRAN还提供了对求解过程的控制选项，例如用户可以设置危险位置网格的自动加密等，这些设置的选项有利于对分析结果进行有效的评价。(3)求解有限元求解的过程就是解矩阵方程的过程，从输出窗口中可以查看求解过程的信息。(4)查看结果所有的有限元分析的最终目的都是要查看结果，并对结果进行进一步的分析讨论，NAsTRAN出色的后处理系统为此提供了方便。1)查看分析结果查看结果也称为后处理。NASTRAN的后处理功能是非常强大的，它提供了多种查看结果的渠道，用户既可以通过颜色云图直观地显示结果，也可以通过曲线来描述我们关心的数值变化。2)检验结果，分析结果是否正确检验结果是否正确以及误差的估计在任何有限元分析中都是最重要的。一般对结果的验证，需要在开始分析之前就能够通过经验或试验等对结果有粗略的估4l 计，如果结果与预期的不一样，应该仔细研究原因。NASTRAN能够提供的仅仅是计算过程本身所产生的可能的误差，包括能量百分比误差、单元应力偏差、单元能量误差、热流密度偏差等有限信息，更多时候还需要用户根据NAsTRAN提供的信息和实际情况进行更准确的分析。3．6小结本章首先以现行钢结构设计规范为依据考虑到解体消能式支撑的特点，确定了解体消能式支撑的设计计算原则；然后根据结构力学知识，给出了解体消能支柱计算简图的选取原则；以风载作为设计支柱稳定的计算依据，通过构建模型，给出相应的理论公式，确定解体消能交通标志在日常使用状态下的稳定性的最低要求；以汽车撞击与风载的不同组合为设计支柱强度的计算依据，通过有限元软件计算出每种组合对应的下部螺栓约束反力，对比选出合适的设计组合；最后根据截面设计理论，选出合适的两处结构的截面尺寸。 第四章解体消能支柱算例分析前两章对解体消能交通标志的设计设置进行了探讨，本章通过一个实际工程算例来论证研究结论的可行性与实用性。本文选取陕西榆林至陕蒙界高速公路作为研究实例的基础依托。4．1工况简介榆林位于陕西省北部，属毛乌素沙漠与黄土丘陵区交接地带，地势北高南低。北部为风沙草滩区，地势开阔平坦，沙丘连续不断，南部为丘陵沟壑区，梁峁起伏，沟壑纵横，地势北高南低，大部分为沙丘地形；属典型的中温带干早大陆性季风气候区，主要气候特征为冬季长而寒冷，春季干旱多风，昼夜温差悬殊。陕西榆林至陕蒙界高速公路是西部大通道阿(荣旗)北(海)线的一段。全线位于毛乌素沙漠当中。为我国第一条沙漠高速公路，设计时速100km／小时，为双向四车道。本文以适用于陕蒙高速沿线的交通标志为算例。标志板规格为2440n衄+3050豇埘，标志立柱采用120号H型钢，具体参数见表4—1，支柱横截面如图4．1所示。表4-1截面尺寸(m)截面型号面积由6d￡r(cm2)HZl20120644．46．3713．2参考数值}—_r卜一r理论型号●值量^熙h^孵l，慷g恼(cm4)(cm3)(cm)(cm‘)(c皿3)(c皿)HZl20317524．92781．4510．4图4-1H型钢截面 4．2荷载计算1)计算简图双柱式支撑计算简图如图4．2(a)所示，简化计算图如(b)所示。o∞∽n图4．2双柱式支撑计算简图2)荷载计算a．永久荷载标志板由LF2．M型铝合金板制成，其重量为8．037kg／m2标志板重力为G=lO．4×4．78×9．81+2．44×1．525×8．037×9．8l=781．05(Ⅳ)b．风荷载查表的陕西榆林地区50年一遇lomin平均最大风速V。产26．8k2-1．Ok5-1．35设计风速为Vd=_|}2屯’10=1．O×1．38×26．8=36．8设计风压为：％=勃2=争业黑竺s6∥一o．啷z∽肼)％2j；％‘2j。———1西下——一36名‘。o‘8292州7聊‘J标志板受力：．2气^=‰￡l也’屹4．m=1．o×1．o×1．o×o．8292×2．44×1．525=3．08(觅Ⅳ)铰点上部支柱受力：44 只垆。=七。毛岛wd爿岫=1．o×1．o×1．o×o．8292×o．064×o．14=o．008(w)铰点下部支柱受力‘。．=k七1七3wd』“=1．o×1．o×1．o×o．8292×o．064×212=o．12【盘Ⅳ)c．冲击荷载的选用航天员能承受lO多个G的超重值，即相当于自身重量十几倍的压力，战斗机飞行员仅能承受3—5个G，普通人耐力就更差了。因此在本次计算当中我们取3G的过载为汽车在碰撞过程的减加速度。汽车冲击：39时汽车自重2000kg，f=maf=2000$3}9．81=58．86(kN)顺行车道方向F尸传cos20=55．31垂直行车道方向F2=件sin20=20．134．3解体消能标志支柱内力计算1)解体消能构件稳定性内力计算在受风载时下部螺栓的支反力如图4—3所示OMr5012050图4-3支反力示意图对解体消能基础面的弯矩肘=％×啊+％×％=3．08×3．56+o．128×1．17=11．1∽·肼)下部螺栓的受轴向拉力计算简图如图4—3所示： ，取5cm￡12cmⅣ=赤一詈=甄器硇一半瑙m呻)2∽+三)42【2xo．05+o．12)4、7解体消能下部螺栓的受剪力F=丢k+％+‰：)=三(3．08+o．oos+¨2)-o．soz∽)铰接钢片弯矩吖=互一×．1ll+只咿×吃=3．08×1．36+o．008×o．07=4．190：Ⅳ·肌)铰接钢片受拉力，=施一詈=箍一半一2∽)，2西面一i2砸一丁副t弘懈。J铰接钢片受剪力F=吾k+％，)=吾(3．08+o．008)=1．544㈣)2)解体消能构件冲击强度的内力计算(1)有限元模型建立1．对于解体消能支柱强度的计算，采用静力计算方法，即求解矩阵方程啤1【K]{u)={F)(4．1)式中：阁：结构的总刚度矩阵；{u)：结点位移向量；{F)：结点外力向量。由方程(4．1)可求得结点位移，由结点位移即可求得单元的应力和应变。2．模型的建立与简化通过用有限元建模，可以在计算机中对实际模型进行仿真，大大简化设计的周期，降低设计成本，达到比较好的设计效果。同时也可以比较有效地对原有系统分析改造比较。当然这一切都建立在一个比较合理的模型的基础上。根据结构要求，综合考虑解体消能交通标志的工作特点和结构特征，为了确 保分析结果的可靠性和准确性，建立了包括标志支撑、标志面板、消能部件的有限元模型。在有限元建模中，通常必须对实体作一些合理的简化，本文的解体消能支柱有限元模型也作了相应的简化。在定义解体消能标志有限元模型参数时，假定材料等参数足精确的。在建立有限元模型时，做出以下建模假设与简化：a．解体消能基础下部螺栓由于同时受拉压应力和剪应力和弯矩，因此我们用四个梁单元来代替下部连接螺栓。如图4—4所示b．上部的钢性铰我们用一块略薄于支柱型钢厚度的钢片连接，在本模型中，钢片厚度选为4H吼，上下部H型钢阃距10mm。如图4—5所示。图4．5剐性铰模型，一。j甍图4-6计算模型简化后的有限元模型如图4—6。共划分单元9102个，节点9437个。共2种材料属性和2种单元类型。褥；擀蛰横础基部@下∽～营，醛霞，嗨；譬；纂量 3．模型中的全局坐标系定义X轴为行车道方向，Y轴为与行车道垂直的方向，Z轴是根据右手法则来确定的。(2)施加载荷进行求解有限元分析过程中考虑的主要载荷如下：1．外力组合组合1：风载组合2：正面冲击组合3：20度角冲击组合4：风载正面冲击组合5：风载20度角冲击组合6：逆向风载正面冲击组合7：逆向风载20度角冲击2．自重；对于建立的有限元模型，按照重力加速度为9．81m／s2，由系统自主计算结构的自重及自重分布。(3)约束综合考虑结构受力特点，解体消能基础的四个螺栓由梁单元代替，每个螺栓的六个自由度全部约束；上部的铰接钢片直接由一块四毫米厚的钢板代替。图4-7风载计算模型(4)材料暴’嚣二一⋯⋯1芎嚣‘警2譬j4一”¨·∥。i“。±j《鬈黪簿拣。t一√札“⋯，：扣。，鼻l。多：“州，9。m+∞t扣f≈0‰jd-M}￡：≈a1缡图4_8风载约束反力根据前面所给定数据，认为材料的一切机械性能指标满足国家标准要求。采用上面确定的有限元模型，考虑不同的荷载组合，荷载的作用位置、方向等因 素，经有限元软件nastran计算得出一下结果如图4—8、4—9所示：，。⋯南+，；～．；；r一，“辨，，_礴#m’-币⋯一，组合2：重力、正面冲击螺栓柬反力⋯⋯毒崎‘。曹7’“一一⋯“”5：??⋯”‘y，⋯⋯”：；．j》；弧：：“罐螭1‰ii：薯《警。翼一，‘一上=搿二3蛩囊⋯一：己!⋯⋯⋯⋯’，≈一¨?⋯⋯。，．17+t‘：弓办‘o{，菇※i，i；鬈鬻到一=*：”一j⋯⋯一，，，l‘t=’十#”’二“}}，lz霸。；j．霪。。秽√．i，，§，≮1》!|||r咤’毫一■_鞲．■豁■—曩器■●II■～辩獬辩●l羹《l藓■■■氍誓■■■，鍪 罐g鑫4|f3图4．10下部螺栓编号为方便准确的描述解体消能基础螺栓各个方向受力情况，我们对几个螺栓进行编号，如图4一10所示。通过软件建模计算出该标志在受风载条件下各个螺栓的约束反力如下表所示：表4-2(单位：N)约jE反力(正表示受压，负表示受拉)螺栓XYZX+Y12．24E十026．46E+02—2．57E+046．84E+0222．25E+026．47E+02屯．56B+026．85E+0232．25E+028．29E+OO2．6lE4048．59E+0242．25E+028．33E十OO2．6lE+048．63E十02由上表可以看出基础螺栓在承受风载的时候，最大拉力为25．7kN，压力为25．61kN，剪力为O。863kN，通过将两组计算结果进行对比分析，证明所建模型基本准确的反应了解体消能交通标志的实际使用情况。组合二分析螺栓在受重力和汽车正面冲击时约束反力如图4—9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4—3所示：3号螺栓所受的轴向拉力最大为68．8kN，所受的剪力为14．6kN。表4．3(单位：N)螺栓约束反力(正表示受压，负表示受拉)XYZX+Yl4．33E+021．48E+04-6．94E+041．48E+0424．28E+021．48E+04—6．85E+041．48E+0434．27E．卜021．46E+046．88E+041．46E+0444．32E+021．46E+046．82E+041．47E+0450 组合三分析螺栓在受重力和汽车20度角冲击时约束反力如图4—9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4—4所示：4号螺栓所受的轴向拉力最大为218kN，所受的剪力为20．3kN。表4—4(单位：N)螺栓约束反力(正表示受压，负表示受拉)XYZX+Yl2．64E+03223E+041_33E+052．25E+0423．45E+035．35E+03—3．88E+03637E+0336．74E+038．12E+03897E+04105E+0445．93E+031．94E+04—2．18E+052．03E+04组合四分析螺栓在受重力、风载和汽车正面冲击时约束反力如图4_9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4-5所示：3号螺栓所受的轴向拉力最大为94．7kN’所受的剪力为15．3kN。表4_5(单位：N)约束反力(正表示受压，负表示受拉)螺栓XYZX+Y16．58E．卜021．55E+049．53E+041．55E+0426．51E+021．56E+049．42E+041．56E+0436．5lE+021．53E+04-9．47E+04l_53E+0446．56E+021．54E+04_9．40E+041．54E+04组合五分析螺栓在受重力和汽车20度角冲击时约束反力如图4—9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4—6所示：4号螺栓所受的轴向拉力最大为244kN，所受的剪力为21l(N。表4-6(单位：N)约束反力(正表示受压，负表示受拉)螺栓XYZX+Y12．42E+032．31E+041．59E+051．32E+0423．67E十036．09E+042．19E+047．11E+0336．96E+038．85E+046．39E+041．13E+0445．71E+032．02E+04吨．44E+052．10E+04组合六分析螺栓在受重力、逆向风载和汽车正面冲击时约束反力如图4—9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4—7所示：3号螺栓所受的轴向拉力最大为43kN，所受的剪力为13．9kN。 表}7(单位：N)约束反力(正表示受压，负表示受拉)螺栓XYZx+Yl2．09E+041．40E+044．35E+041．40E+0422．04E+021．4lE-田44．27E+041．41E+0432．03E+021．39E+04-4．30E+041．39E+0442．09E+021．39E+04-4．23E+041．39E+04组合七分析螺栓在受重力、逆向风载和汽车20度角冲击时约束反力如图4-9所示，每个螺栓所受的约束反力如表4—8所示：4号螺栓所受的轴向拉力最大为193kN’所受的剪力为19．7kN，表4-8(单位：N)约束反力(正表示受压，负表示受拉)螺栓XYZX+Y12．87E+032．16E+041．07E+052．18E+0423．22E+034．6lE+03—2．97E+045．63E+0336．52E+037．38E+031．16E+059．84E+0346．16E+031．87E+04—1．93E+051．97E+044．5截面设计1)稳定性截面设计解体消能构件的材料选用黑心可锻铸铁，型号为KTH300—06，％=300MPa解体消能构件薄弱面的截面积由以下公式计算叩詈畦乒万=鲁毛蔓b】=翌”稳定性设计采用容许设计，J】取1．1的安全系数，将前面求得结果代入上式得螺栓薄弱面面积A=O．o00092砰螺栓薄弱面半径为5．4咖铰接钢片薄弱面面积A=O．000129m2铰接钢片薄弱面厚度2．1咖2)冲击荷载下截面设计通过以上几种和在组合的分析可以看出，在标志承受重力、逆向风载和汽车正面冲击时，在下部螺栓处产生的轴向拉力最小，因此，我们选定此种荷载组合 为标志的设计组合，将N=43kNF=13．9kN代入下式，按照极限设计原则，取安全系数n=1．O叩爱∥丽=刍+三㈣2+4(丢)圳=詈‘22爿2Vl爿Jl彳，。。n得到在受到给定冲击力作用下解体消能基础截面数据如下：面积0．000157m2螺栓半径r=7．1姗3)截面设计优化上面所给出的半径是在车重2000kg，汽车承受39过载，即汽车减加速度为29．43m／s2的情况下汽车所能撞断的下部连接螺栓的最大值，因此还要减小螺栓的截面积，以确定上部铰接钢片的取值，由插值法取下部螺栓半径为5．9脚时，以此时螺栓所能承受的最大应力，来代替模型中的约束，求得上部铰接钢片的受力取值范围，其中力的换算系数：p=·妻=睾善=o．691求得在下部螺栓半径为5．9姗时，破坏掉螺栓所用的力如下表4—9所示：表4-9(单位：N)螺栓约束力(正表示受压，负表示受拉)XYZ1一1．42E十029．74E+033．03E+0421．45E+029．81E_L032．97E+043L41E+029．67E+03—2．99E+044—1．45E+029．67E+03-2．94E+04用上表求出的力代替约束，得优化求解模型如下图4-11所示，计算结果如图4．12所示。由计算结果可以看出，铰接钢片处所受的最大拉应力为6．68E+08Pa，又前面给定的约束条件可以计算出，钢片薄弱面所允许的最大厚度片：塑墨±嘎4：8．9锄)3E+08’由此可知：在标志下部螺栓半径为5．9咖时，上部铰接钢片的厚度为8．9咖，是质量为2000kg的汽车产生3G减加速度时所能撞断的最大值。4．6结果准确性分析由于条件限制，本次研究结果没有经过试验验证，为了证明设计结果的合理性， 图4-11优化计算模型图4-12钢性铰云纹图我们采用将计算结果与国外数据对比的方式，来验证我们的计算结果，为了使结算结果具有可对比性，我们选用美国的解体消能设计标准最为对比数据㈨巾”。由于国外是通过碰撞试验确定的设计标准，所以他们是以立柱的型号来给分解体消能 构件分类的。适用标志板尺寸为3050删宽，2440咖高的标志支柱结构尺寸为w6cm丰9cm，标志板底边距离地面高度为2340111fn。下部消能螺栓的薄弱面半径为5舯，上部铰接铜片薄弱面厚度为4．8rIⅡIl，宽度为60姗。消能螺栓与铰接钢片的材料选用Reid提出的Aj72级jO钢，其强度大概等同于我国的Q34j号钢材，同时进行了高速和低速全方位检测，结果见表4一lO。表4—10性能评价结果低速测试向】墨删试测试仿真洲试仿真撞击速变36km／h勺2kmh92km／h撞击角度25汽车变形30mm50m76m80mm滑动基础作用时问14ms6ms6．5ms钢性铰破坏时间240ms250ms10ms1lms速度变化1．1m／s1．2m／s0．9m／s1．Om／s在本次设计中，我们支柱采用120型号窄翼H型钢，标志板尺寸为3050岫宽，2440瑚高，标志板底边距离地面高度为2340姗。参考榆林地区50年10lⅡin平均最大风速26．8IIl／s，求得设计风速为37Ⅲ／s。其他考虑参数按照榆林地区地貌特征选用，解体消能构件的材料选用黑心可锻铸铁，型号为KTH300—06，仃。=300MPa。求得在风载作用下维持结构稳定所要求的结果为：螺栓弱面半径为5．4IlⅡn；上部铰接钢片薄弱面厚度2．1砌，宽度为64咖；在受汽车撞击时，在标志下部螺栓半径为5．9哪时，上部铰接钢片的最大厚度为8．9m。相同尺寸的标志面板，类似的标志柱，仅在风载作用下，我们计算所得稳定的下部螺栓半径最小值为5．4lIⅡn，钢板厚度最小值为2．1砌；在受汽车撞击作用下，能解体消能的下部螺栓半径值为5．9m，钢板厚度应不大于8．9咖。美国使用的标志板的解体消能构件尺寸为下部螺栓半径最小值5珊，钢板厚度为4．8姗。表明国外实车撞击试验结果与我们计算结果相符，证明我们的计算结果是可信的。4．7小结本章以利用前面两章研究得出结论，结合陕蒙高速的实际情况，对版面为2440+3050Inm的交通标志进行试算，得出适用于该标志的解体消能构建的合理的尺寸范围，通过与国外数据进行对比验证，证明我们计算所得的结果是可信的。 第五章结论5．1结论随着我国经济的快速发展，汽车保有量的迅速增加，而与之相对应的法律法规、交通参与者素质、道路服务设施等却没有同步发展，因此而造成的道路交通事故居高不下，其中路侧事故就占道路交通事故的大约3096，就是说，每3人死亡事故中，就有1人死于车辆驶离道路的事故。道路交通事故伴随着交通运输业的出现而产生。要消灭交通事故，做到”零伤亡”是不可能的，我们能做的是建立一个相对安全的交通环境，解体消能式交通标志不能够避免事故的发生，但是可以尽量减小发生的交通事故的严重性，尽最大可能的保护汽车与成员的安全。本文在分析我国现有标志支撑的与解体消能标志支撑的基础上，对解体消能交通标志设计方法、计算理论等相关问题进行了深入研究。本文的主要研究成果如下：1．通过对解体消能式交通标志作用机理分析，并与现用标志进行对比，证明了解体消能交通标志在减小事故严重程度方面的优越性。2．通过分析国外资料与解体消能交通标志的结构特点，确定了解体消能交通标志的设置标准；并结合我国实际情况，根据我国道路交通的车辆组成结构，得出了解体消能交通标志设计标准。3．以我国现行钢结构设计规范与结构设计原理为依据，考虑解体消能交通标志的结构特点，提出了该类型结构支撑的结构要求。4．通过对解体消能交通标志在日常使用与受到汽车撞击时两种极限状态进行整体和局部的受力分析，利用结构力学与材料力学的相关知识，得出了一套完整的解体消能交通标志支撑的计算理论。5．结合一个的工程实例，利用前面研究得出的计算理论，对某一型号的交通标志进行试算，通过与国外数据进行对比分析，验证了研究理论的可信性。5．2研究展望与问题解体消能交通标志的设计计算涉及的因素众多，涵盖的内容广，由于水平和篇幅有限，本文仅在支撑结构的参数设计方法和标志的设置等方面做出了一些有益的探讨，如需形成一个完整的解体消能设施设计体系，还需要进一步的完善， 主要应该从以下几个方面作迸一步研究：1．由于条件限制，本文末对计算所得的解体消能支柱进行安全性能评价，期待在以后条件成熟时，通过试验对该类型标志进行结构稳定等方面的使用性能进行评价分析。2．解体消能支柱结构比较独特，本文中利用的某些设计计算方法缺乏有效的理论依据和计算模式，在以后的研究中应进一步扩展和完善，3．在计算标志所受冲击力时，作的假设太多，必然影响计算的精确性，下一步研究应用有限元软件接触性碰撞分析，进一步优化计算结果。4．研究开发适用于各种路侧设施的解体消能装置，为大范围推广解体消能技术奠定基；进行各种解体消能装置的比较、优化分析，给出具体的计算模型，尽快使其标准化、系列化，便于设计中推广使用。并尽快编制解体消能装置的设计、施工方法与标准。 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