隨著經濟的發展，中國的民用汽車保有量明顯增多，導致交通事故頻繁發生，死亡人數居高不下。高速公路是主要的行駛道路，也是事故多發路段，其高速公路欄杆作 為保護車輛行駛的設施決定著道路的安全性。本文研究了欄杆的作用原理，瞭解高速公路欄杆如何將車輛動能轉化為自身塑性變形能，並利用物理原理計算出了相關 的塑性耗能。本文分析表明，目前高速公路欄杆還不能在車輛發生意外時完全滿足車輛安全的要求。隨著經濟的進一步發展，欄杆材料面臨更高的安全要求，並會得 到不斷的改進。
高速公路是我國重要的交通設施。近幾年來，高速公路的建設迅猛發展，因此高速公路的安全尤為重要。高速公路欄杆作為高速公路安全的重要設施，其選材及結構設計直接涉及到它所能夠提供的安全保障作用。
改革開放以來，我國經濟水平有明顯上升。與此同時，我國的民用汽車保有量也迅猛上升。進入21世紀後，我國民用汽車保有量的增長率明顯加快，2004年已達到2700萬輛以上。而1994年卻不足千萬輛。按照這樣的發展速度，預計到2020年中國汽車保有量有可能超過1億輛。隨著車輛的增多，交通事故的發生也愈加頻繁。我國每年交通事故死亡人數已經由1950年的幾百人到2004年超過十萬。面臨這樣的趨勢，人們迫切希望增強道路行駛的安全性。尤其是當車輛面臨緊急情況而躲閃、失控衝出道路，導致事故不可避免地發生時，道路保護設施的安全性至關重要。高速公路金屬欄杆雖然不能減少事故的發生，但可以大大減少事故引起的人員傷亡。
1．高速公路欄杆發揮安全作用的原理
高 速行駛的車輛具有很大的動能。當出現緊急狀況，車輛會出於躲閃、失控等原因衝向欄杆。此時高速公路欄杆的作用便是避免發生車輛劇烈衝撞和人員傷亡。設想一 輛汽車高速撞向一堵鋼筋混凝土牆，車會在瞬時間停止，與此同時，其巨大的動能會大部分轉化為破壞車輛的能量，導致極大的損傷。如果將鋼筋水泥牆換為一堵類 似於硬橡膠般的金屬牆，則車輛減速的過程會得到大幅減緩，其大部分動能會轉變為金屬塑性變形的能量而被逐步消耗掉，從而減少了對車輛和人員造成的損毀。高 速公路的金屬欄杆就是發揮這種緩衝作用的安全設施。
當金屬欄杆在一臨界外力Fs作用下發生塑性變形時，其屈服強度δs 為Fs／As，其中As是開始發生塑性變形時欄杆的截面積。當外力繼續增大達到一極限值Fe時，欄杆便會斷裂；欄杆斷裂時的應力則稱為抗拉強度δ b，且有為Fb／Ab，其中Ab是欄杆斷裂時的截面積。設長度為Ls的欄杆材料在外力作用下發生塑性延伸變形直至Lb時斷裂，此時高速公路欄杆的塑性總延伸率δ為δ= (Lb—Ls)/Ls=△Ls／Ls。
可把金屬欄杆在塑性變形過程中所承受的平均應力近似地假設為 σ = (σ s／σ b)／2。設e為欄杆材料單位體積所能消耗的最大塑性變形能，稱為塑性耗能率，則e等於外力對欄杆所做的功w除以變形欄杆的體積V，計為：
e = W= F △L =σ x δ e
V A L
因此，金屬欄杆的塑性耗能率e等於欄杆變形時所承受的平均變形應力與其最大塑性延伸率的乘積。由此可見，提高欄杆的強度或延伸率均可以提高其塑性耗能率，進而提高金屬欄杆的安全性。
2．高速公路欄杆鋼板的安全設計
車輛的動能與其質量和速度有關。表1給出了目前常見的小型轎車的車型、質量以及時速分別在80km和120km時所具有的動能。這些小轎車的質量大致相等，車輛所能達到的最高時速是決定車輛的動能的主要因素。
表1車輛整備質量及相應時速下的動能
常見小型轎車 車重/kg 80km時速動能/J 120km時速動能/J
桑塔納3000 1248 3.08 X105 6.93 X105
Polo1.4 三廂 1152 2.84 X105 6.40 X105
帕薩特2.0手動 1385 3.42X105 7.69 X105
索納塔2.0GL手動 1444 3.57 X105 8.02 X105
捷達手動基本型 1110 2.74 X105 6.17X105
表2 不同強度級別鋼板的塑性耗能率
鋼種 屈服強度 抗拉強度 總延伸率 塑性耗能率 單節欄杆最大耗能
Ss,Mpa Se,Mpa de,% e,J/cm3 Emax,J
Q235鋼板 235 ~420 26 85 4.9 X105
Q345鋼板 345 ~550 21 94 5.4 X105
高強衝壓板 215 370 39 114 6.6 X105
BH鋼板 240 340 44 127 7.3 x 105
雙相鋼板 500 690 26 155 8.9 X105
TRIP鋼板 400 640 32 166 9.6 X105
TWIP鋼板 310 830 80 456 26.2 X105
目前我國高速公路的欄杆均設立在道路兩側，雙向道路共四排，由壓成波形的鋼板成條形一節節地連接而成，每段欄杆之間都由鋼製支柱支撐並固定。兩段欄杆鋼板首尾由螺釘連接，並通過鋼製緩衝板連接到支柱上。鋼板材質以Q235為主，標準的欄杆鋼板尺寸為：厚度0．3cm；展開寬度48cm；單節長度400cm。由此算得單節欄杆的體積為5．76X103cm3。
表2給出了各種鋼板的屈服強度、抗拉強度、總延伸率、相應的塑性耗能率以及單節欄杆的最大耗能。對比表l和表2可以發現，現在服役的單節4m長Q235高速公路的欄杆鋼板的最大耗能低於常規小轎車限速下的動能。雖然發生碰撞時，小轎車不一定會正面衝撞欄杆，車輛的動能也不會全部轉變成欄杆鋼板的塑性變形能，但單節欄杆鋼板在碰撞時也不可能整體發生徹底的塑性變形以使其潛在的塑性耗能得到充分發揮。對比表1和表2的數據可以發現，單節鋼板的安全性並不足夠高。考慮到大量在高速公路上飛馳著的10噸以上的載重貨車，即使是並行雙排的欄杆鋼板也經不起高速衝撞。根據表2的數據，目前人們開始考慮採用的Q345高強度欄杆鋼板也不能完全解決上述安全性不高的問題。
隨著鋼鐵工業的發展、新品種的開發及鋼材性能的改進，可供選擇的欄杆鋼材越來越多。選擇高塑性耗能率的鋼板是提高高速公路行車安全性的重要途徑之一。表2所列的高強衝壓板、BH鋼板、雙相鋼板、TRIP鋼板等都是可以使高速公路欄杆鋼板安全性進一步提高的可選之材。表2最後給出TWlP鋼板具有非常高的塑性、強度和極高的塑性耗能值，是目前正在開發研究中的新鋼種。
3．結語
隨著經濟快速、高效的發展，高速公路上將會出現大型、重載、高速的汽車，它們將對高速公路欄杆安全性有更高的要求。目前的高速公路欄杆鋼板顯然尚不能完全滿足要求，其安全技術指標還有待進一步的改進與提高，相關的問題也需要人們不斷地研究與開發。