一種新型交通限高裝置

萬濤 暴怡軒 馬可凡

摘要 隨著智慧交通、新基建等新興概念的提出，交通基礎設施結構設計技術的創(chuàng)新愈發(fā)重要。目前，我國各城市道路、高速公路所使用的車輛限高裝置存在攔截方式被動、設施結構剛性強、超高預防困難等問題。文章針對現有限高裝置存在的問題，基于交通安全與經濟理論，提出一種采用可轉動橫梁的新型交通限高裝置，以解決現有技術的不足，提升交通管理效率。

關鍵詞 交通限高;限高裝置;交通管理;新基建

中圖分類號 U495 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）12-0047-03

收稿日期：2022-04-02

作者簡介：萬濤（1979—），男，碩士研究生，工程師，研究方向：機場道路工程及交通管理。

0 引言

近年來，中國進入了新基建時代，交通運輸業(yè)不斷向生態(tài)化、數字化、智能化方向轉型發(fā)展。隨著運輸需求的增加，以及基礎設施和運輸裝備的不斷完善，大型客車、大中型載重汽車保有量迅速增加。為保證橋隧等基礎設施運行安全，常在城市高架路匝道出入口、公鐵跨線橋等位置設置限高門架。

限高門架為用于橋梁、涵洞、隧道入口處的門型構架，一般為鋼結構焊接而成，起防護橋梁、涵洞、隧道的作用。現在普遍使用的限高門架為固定門架式結構，該結構由兩根立柱與一根橫梁組成，橫梁上安裝有限高標志，以提醒超高車輛，防止超高車輛未按交通標志要求行駛或強行通過時與限高門架發(fā)生碰撞，從而實現保護橋體、涵洞、隧道的目標。

然而，隨著交通流量的迅猛增長及貨運物流的發(fā)展，現有固定式限高門架在保護橋體、涵洞及隧道的同時，也面臨著被超高車輛頻繁撞毀的風險，不僅增加了交通設施養(yǎng)護成本，而且降低了交通系統的安全性。據統計，2019年全國有報道的限高架碰撞事故累計49起，2020年初至同年11月期間累計發(fā)生37起[1]。

因此，針對現有限高裝置設計缺陷，優(yōu)化、改進限高裝置的內部結構，對降低事故風險、減少事故損失尤為重要。

1 研究現狀

針對目前限高裝置存在的問題，多數學者主要從裝置內部結構設計、限制高度調節(jié)、限高預警系統開發(fā)等角度開展研究。Lu等[2]基于非線性有限元模擬，通過利用MSC有限元軟件包、在有限元模型中采用MARC增強模擬的真實性，以探究超高車輛與橋梁上部結構的碰撞損傷。Zhang等[3]針對城市內超高車輛與橋梁上部結構頻繁發(fā)生的碰撞事故，基于高精度有限元模擬，探討了超高車輛對橋梁上部結構沖擊機理和損傷模式。Wang等[4]基于ANSYS/LS-DYNA非線性軟件，對超高車輛與防護架碰撞過程進行了仿真，從變形、應力、載荷等方面分析了防護架的失效機理。何江斌等[5]針對高頻率發(fā)生的超高車輛與橋梁限高架刮撞事故，通過對橋梁限高架進行緩沖碰撞的結構改進，增大其提醒面積，從而有效降低超高車輛與橋梁限高架刮撞概率。吳寒等[6]為解決現有限高桿不能調節(jié)的弊端，設計了一種利用限高裝置調節(jié)高度的道路交通限高桿，增大通過性，保證緊急過高車輛安全通過。梁靖茹等[7]則采用激光技術對車輛高度進行超高預測，將光信號轉換為電信號，利用單片機實現無線傳輸，使得超高車輛改變線路避免事故。另外，尹京[8]基于纖維增強復合材料具有抗拉強度高、質量輕等特點，提出并論證采用玻璃纖維與聚氨酯拉擠成型工藝加工鐵路橋限高防護架的方案的可行性，并基于復合材料實際參數，設計橫梁結構，提升了裝置穩(wěn)定性。韓佳彤等[9]通過技術依托、系統架構、系統功能、智能限高監(jiān)控系統設施樣式設計等，進行呼和浩特市快速路建設中智能限高監(jiān)控系統的設計，從而為快速路建設以及道路智能限高監(jiān)控系統的實施提供技術指導。章文等[10]針對公共限高系統的交互設計，從服務提供者與接收者間的契合關系、系統外觀融入城市形象體系、近場事故管理與遠程導航服務兩個交互場景三方面，構建基于先進技術的系統交互方式，營造更加人性化、安全和精準的公共限高系統交互體驗。馬陽冉[11]分析超限車輛強行通過被交路造成橋梁底板被刮蹭、損壞的情況，證實在被交路設置限高架能有效防止梁板遭受撞擊，更好地保護橋梁梁板安全，保障高速公路車輛行駛的安全性。李金剛等[12]針對中國限高桿設置亂象，通過對比分析國內外限高設施設置情況，指出了中國限高桿設置存在的主要問題，并從完善限高桿管理制度、規(guī)范限高桿設置、定期排查維護、加強科技應用四方面提出針對性的對策建議。史菲帆等[13]為降低傳統剛性限高架造成的人員傷亡及經濟損失，提出了一種基于樹莓派的智能限高系統及智能安全限高架，該系統由車輛高度監(jiān)測系統、預警系統、車輛信息記錄系統和闖崗處理系統組成，通過聲音、文字、警示燈等途徑，向超高車輛發(fā)出警示。限高架采用裹覆彈性材料的軟性阻攔可開合橫桿，可有效避免車桿相撞造成的慘劇，同時在該限高架后方一定距離處設置超高車輛返回路線及傳統剛性限高架，保證交通設施及駕乘人員的安全，對有效降低車和限高桿相撞導致的經濟損失及人員傷亡具有重要的社會價值及意義。

分析已有研究資料發(fā)現，較少有針對交通限高裝置中的橫梁進行改造、減輕碰撞事故對限高裝置損毀程度的相關研究。因此，該文通過分析總結現有交通限高裝置存在的技術不足，提出一種新型交通限高裝置。

2 新型交通限高裝置

2.1 裝置構成與工作原理

該文針對現有限高裝置存在的不足，提出一種新型交通限高裝置優(yōu)化設計理念。該裝置的創(chuàng)新之處在于其采用可轉動的橫梁，在碰撞時可避免裝置撞毀，并且通過兩個反方向的扭簧實現橫梁與立柱間的彈性連接，使得橫梁在碰撞事故發(fā)生后可以自動復位，以恢復正常使用。

裝置功能的實現決定于其內部結構間的連接方式，如圖所示，圖1表示裝置結構示意圖，圖2表示其正向與側向放大剖視結構示意圖。

圖中各序號所表示的含義如表1所示。

該裝置各結構間的連接關系為：

（1）立柱。使用過程中，立柱1應設置在道路一側，并需在頂部設置轉軸2。

（2）橫梁。橫梁3的一端將轉動套設在立柱1頂部的轉軸2上，另一端懸臂。同時，整個橫梁結構上方設置有限高標志4，以提醒過往車輛。

（3）扭簧。扭簧包括第一扭簧5和第二扭簧6，分別設置在橫梁3一端的上、下兩側。兩扭簧的一端與轉軸2連接，另一端均與橫梁3連接，且兩扭簧方向相反以便于橫梁3復位。

（4）緩沖層。緩沖層7為包裹在橫梁3外側的橡膠層結構，用以減小沖擊力，避免碰撞對橫梁3和車輛造成損壞。

（5）攝像頭。攝像頭8嵌設在緩沖層7內多個凹槽16的底部，以防止碰撞對攝像頭造成損壞。橫梁3的兩側均設置有攝像頭8，用以拍攝過往車輛的車牌號。

具體而言，橫梁的一端需套設在轉軸上與立柱形成轉動的連接形式，當超高車輛與橫梁發(fā)生碰撞時，橫梁憑借可轉動性，將碰撞產生的沖擊力進行緩沖，避免橫梁及立柱的損壞。同時，基于第一扭簧與第二扭簧的反向設計方式，橫梁與立柱在自然狀態(tài)下的相對位置得以保持不變。自然狀態(tài)下，道路橫梁呈懸臂狀態(tài)，當車輛與橫梁碰撞時，第一扭簧和第二扭簧同時形變，產生大小相同而方向相反的扭力，使得橫梁轉動后可自動復位。

（6）轉動套。轉動套9是截面為矩形的環(huán)形結構，設置在橫梁3的一端上側，其上、下表面分別與橫梁3的上、下表面平齊，同時內周與轉軸2套合實現轉動。

（7）承托盤。承托盤10設置在立柱1上端，其上設置有多個第一滾珠11，以便與轉動套9下表面配合滾動，減小轉動套9與承托盤10之間的摩擦力。

（8）第一扭簧容納槽。第一扭簧容納槽12設置在承托盤10上方，第一扭簧5嵌設在容納槽12內。

（9）轉軸蓋。在轉動套9上方設置有轉軸蓋13，轉軸蓋13與轉軸2連接，并且借助于第二滾珠14實現與轉動套9之間的滾動配合，以減小轉動套9與轉軸蓋13間的摩擦力。

（10）第二扭簧容納槽。第二扭簧容納槽15設置在轉軸蓋13下方，第二扭簧6設置在該容納槽15內。

（11）壓力傳感器。在緩沖層7與橫梁3之間需設置多個壓力傳感器，該結構的作用為檢測車輛與橫梁是否發(fā)生碰撞，進而判斷車輛是否超高。

（12）控制單元?？刂茊卧ń邮?、處理、信號傳送三大模塊。其中，接收模塊與攝像頭8連接，用于接收攝像頭8的拍攝信息和壓力傳感器的壓力信息;處理模塊與接收模塊連接，用于根據拍攝信息和壓力信息判斷超高車輛與橫梁的碰撞并記錄超高車輛的車牌號;信號傳送模塊與處理模塊連接，用于將超高車輛的車牌號傳輸至交通管理系統。

以該裝置設置在橋梁端為例對其工作原理進行說明。在實際交通運行環(huán)境中，立柱1下端通過鋼筋混凝土基礎埋設在道路一側，具有懸臂結構的橫梁3位于道路中間，在第一扭簧5和第二扭簧6的作用下，橫梁3靜止。

當有車輛駛來時，攝像頭8即時拍攝車輛的車牌信息，并將其暫時儲存在接收模塊內。當有超高車輛與橫梁3發(fā)生碰撞時，壓力傳感器能夠檢測到碰撞的發(fā)生，此時處理模塊記錄并儲存該車輛的車牌信息，通過信號傳送模塊發(fā)送至交通管理系統。經受碰撞沖擊后，橫梁3轉動，繼而在第一扭簧5與第二扭簧6的彈力作用下自動復位，恢復正常使用，從而避免碰撞對該裝置造成損壞。而未超高車輛的車牌信息無需長時間存儲，車輛正常通過后裝置立即清除車牌信息的存儲記錄，以減小處理量，節(jié)省內存。

2.2 技術優(yōu)勢

該文提出的一種新型交通限高裝置，相較于現階段廣泛應用的傳統限高門架，其技術優(yōu)勢在于：

2.2.1 該裝置采用可轉動橫梁

通過兩個方向相反的扭簧在橫梁與立柱間建立彈性連接，實現橫梁自動復位。相較于現有固定式門架及剛性連接結構，當超高車輛駛過時，該文中的新型限高裝置可有效避免裝置被撞毀。

2.2.2 該裝置設置有攝像頭

攝像頭能夠清晰拍攝記錄與裝置發(fā)生碰撞的車輛的車牌信息，以有效解決現有裝置缺乏攝錄取證功能的不足，有利于強化警示作用，降低超高車輛與限高裝置的碰撞概率。

2.2.3 該裝置設置有壓力傳感器

通過該結構的監(jiān)測，裝置能夠判斷車輛是否與橫梁發(fā)生碰撞，如果碰撞發(fā)生，處理模塊將相關車輛的車牌信息即時發(fā)送至交通管理系統。

3 結語

該文針對現有交通限高裝置中存在的問題提出了一種新型設計，該新型限高裝置由立柱、橫梁、扭簧、緩沖層與攝像頭等構成。與目前廣泛應用的固定式限高門架不同，該裝置創(chuàng)新性地采用可轉動橫梁。橫梁借助于第一扭簧與第二扭簧的反向彈力，與立柱建立彈性連接。當超高車輛與裝置發(fā)生碰撞時，在緩沖層對沖擊力的緩和作用及扭簧的彈力作用下，橫梁可自動復位，從而降低碰撞沖擊力度，避免裝置被撞毀，并減少經濟損失，提升交通管理效率與效益。

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