路桥设计用减速带减震结构研究

路桥设计用减速带减震结构研究

周大昱

海南儒艺交通规划勘察设计有限公司 海南海口 570206

摘要：本文以某高速公路段设计项目为例，结合笔者在海南儒艺交通规划勘察设计有限公司的工作经验，以汽车驶过减速带的平顺性分析、减速带设计方案、汽车驶过减速带的振动试验分析、使用效果模拟试验几环节入手，阐述了路桥减速带的具体设计。结果表明，该减速带的设计与投入能够达到较好的汽车行驶速度控制效果。

关键词：高速公路；减速带；平顺性

引言：为了进一步维护交通安全，设置减速带是必然选择，其能够促使汽车在行驶中既安全又起到缓冲减速目的，降低交通事故的发生概率。有关资料显示，在英国，依托在路桥中设置减速带，85%行驶过的汽车速度降低了每小时16千米，交通事故发生减少71%。因此，在路桥项目设计中结合现实情况引入减速带减震结构极为必要。

一、项目概述

某高速公路段为国道主干线中的一段，是区域内公路交通运输的大动脉。在该高速公路段中，包含着一段使用接近规范的极限最小半径和极限最大纵坡值的路段，存在较高的交通安全隐患。分析发现，汽车在行驶至该段公路中，极易发生主制动器过热的现象，最终引发事故。为了保证汽车行驶安全，主要在该段高速公路中引入专用减速带。

二、路桥减速带的具体设计

（一）汽车驶过减速带的平顺性分析

出于对减震性的考量，在设计该专用减速带的过程中，对汽车驶过减速带的平顺性进行了分析。实践中，主要依托人体对振动的生理反应、对保持货物完整性的影响完成判断。基于此，本次设计中使用了人体振动的加权加速度均方根值、车身振动加速度两项参数实现对汽车驶过减速带平顺性的评价。

此时，需建立起“人体-车身-车轮”系统的振动模型，并形成该系统的运动学微分方程^[1]。在本次分析中，因相比于汽车质量来说人体的重量可以忽略不计，所以并未对人体对车身运动的影响展开考量，可以得到如下运动学微分方程：

在该方程组中，m₁代表着非悬挂质量(车轮质量)；m₂代表着和悬挂质量(车身质量)；m_s代表着人体质量；K_t代表着轮胎刚度；K代表着悬架刚度；K_s代表着座椅弹性元件刚度；c代表着悬架阻尼系数；C_s代表着座椅阻尼系数；q代表着输入的路而不平度函数；z₁代表着车轮的垂直位移；z₂代表着车身的垂直位移；P代表着人体的垂直位移。

根据该方程组，可以得到“人体-座椅”系统、“车身-车轮”双质量系统的幅频特性。因为车身在运行至减速带时发生垂直振动，因此传递至人体的加速度对路面输入的幅频特性为上述两系统幅频特性的乘积。基于此，能够确定出汽车驶过减速带时，人体与车身在垂直方向的加速度均方值，以此明确汽车驶过加速带的平顺性。结果表明，当路面不平整系数增大、汽车高速驶过不平路面时，平顺性呈现出下降的趋势。总体来说，汽车驶过减速带时的平顺性与汽车行驶速度、减速带的几何尺寸之间联系紧密，依托减速带几何尺寸的合理确定，能够达到控制汽车行驶速度的作用。

（二）减速带设计方案

1.总体设计

在该段高速公路中，减速带设计的主要目标在于促使汽车驾驶员主动降低车速。实际设计中，选取该段高速公路中常见的通行车辆，包括五轴半挂货车以及三轴货车作为重要参考对象。一般来说，五轴半挂货车可以安全通过该段路的行驶平均速度为每小时42.84千米；三轴货车可以安全通过该段路的行驶平均速度为每小时37.33千米。基于此，将本段高速公路的安全车速（大型车）控制在每小时40千米以下；将轿车（小型车）驶过本段路的安全车速控制在每小时60千米以下。

2.几何尺寸

出于对平顺性的考量，在本次专用减速带的设计中，主要将其长度设定在700毫米、宽度设定在500毫米、断面高度设定在35毫米，并控制地面与减速带斜边之间的夹角稳定在14°。

在减速带内部，引入“钢丝网+薄钢板”的结构，以此推动其抗拉压强度的提升^[2]。在相邻两个减速块之间的加设楔形咬合以及钢筋连接结构，促使减速带的整体受力性能增强，达到延长减速带使用年限的效果。

3.布置方案

秉承着系统性的减速带布局原则，结合汽车驾驶员的心理特征，在本次减速带的布置中主要引入了以下几种方案：

第一，三实三虚。针对坡度在4%以上的高速公路路段，设置三条实际安装的减速带，每条之后依托热塑材料完成1条虚拟减速带的画出，将每条减速带之间的间距稳定在15米左右。

第二，二实四虚。针对坡度在2.5%-4%范围内的高速公路路段，设置两条实际安装的减速带，每条之后依托热塑材料完成2条虚拟减速带的画出，将每条减速带之间的间距稳定在15米左右。

第三，一实五虚。 针对坡度在2.5%以下的高度公路路段，设置一条实际安装的减速带，每条之后依托热塑材料完成5条虚拟减速带的画出，将每条减速带之间的间距稳定在15米左右。

（三）汽车驶过减速带的振动试验分析

在设计中，需要对该减速带对汽车产生的振动效果进行检验，因此要实施汽车驶过减速带的振动试验。在本次试验中，选择的车辆为皮卡车，其前端悬挂为双横臂独立悬架，与轿车结构保持一致；后悬架为变截面钢板弹簧，与货车结构保持一致。设定的检测速度为每小时40千米、每小时50千米、每小时60千米、每小时70千米以及每小时80千米。

结果表明，当试验车利用不同速度驶过减速带后，受到前端悬挂、座椅的影响，前座椅的垂直振动加速度并未出现较大波动；在车速提升至每小时60千米以上时，驾驶员不会产生明显的不舒适度，但是汽车零件的振动更大，会产生更高噪音。当试验车利用不同速度驶过减速带后，受到后悬架、座椅的影响，后端座椅的垂直振动加速度明显高于前端座椅；在车速不断增大的条件下，后端座椅的垂直振动加速度进一步提升，导致乘坐舒适度大幅下滑，会感受到更为强烈的振动。

总体来说，在该段高速公路中，需要在设置减速带区域对货车（大型车）与轿车（小型车）进行针对性限速。对于大客车、货车等大型车，出于对驾驶及乘坐舒适度的考量，应将驶过减速带设置区的速度稳定在每小时40千米以下；对于轿车等小型车，出于对驾驶及乘坐舒适度的考量，应将驶过减速带设置区的速度稳定在每小时60千米以下。

（四）使用效果分析

为了保证减速带设计的实效性，在本次设计中展开了使用效果模拟分析。对本段高速公路现场环境以及减速带设置展开模拟设置，引入大货车作为分析养车，确定其进入避险车道时的速度以及平均救援时间。结果表明，在引入该减速带前，货车进入避险车道的平均速度为每小时95千米，平均救援时间为172分钟；在引入该减速带后，货车进入避险车道的平均速度为每小时81千米，平均救援时间为122分钟。结果显示，该减速带的设计与投入能够达到较好的汽车行驶速度控制效果。

总结：综上所述，在路桥项目设计中结合现实情况引入减速带减震结构极为必要。在完成汽车驶过减速带的平顺性分析的基础上，通过调整几何尺寸，结合不同坡度引入三实三虚、二实四虚、一实五虚的差异性减速带布局设置方案，并针对不同车型设定针对性速度限制要求，达到了较好的汽车行驶速度控制效果，保证了汽车行驶舒适度，降低了事故发生概率。

参考文献：

[1]郭永刚,李冲冲,段梦珍,等.活塞式智能可调节液体减速带设计及振动分析[J].公路,2020,65(01):147-151.

[2]魏金丽,杨金顺,何继旭,等.基于自适应理论的可升降减速带设计[J].科学技术与工程,2018,18(02):358-362.