ДОРОЖНОЕ УДЕРЖИВАЮЩЕЕ БОКОВОЕ БАРЬЕРНОЕ ОГРАЖДЕНИЕ
ROADWAY RETAINING SIDE BARRIER

Изобретение относится к техническим средствам организации дорожного движения, а именно к дорожным ограждениям и может найти применение для оснащения опасных участков дорог, в местах возможного съезда транспортного средства с обочины и мостового сооружения, переезда через разделительную полосу, столкновения со встречным транспортным средством, наезда на массивные препятствия и сооружения, расположенные на обочине и в полосе отвода дороги, а также наезда транспортного средства на пешеходов.
Дорожное удерживающее боковое барьерное ограждение состоит из горизонтальных ограничительных элементов в виде профилированных металлических полос, прикрепленных к ним балок-амортизаторов, вертикально расположенных опор, соединенных с горизонтально расположенными на заданном расстоянии на дорожном полотне переходных плит.
Известны многочисленные типы ограждений, включающие основания с закрепленными на них (непосредственно или через узлы крепления) ограничительными элементами, исполненными из профилированных металлических полос, главной задачей которых является препятствование движению транспортных средств в запрещенных (опасных) направлениях, а также рассеивание энергии удара при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением [ГОСТ 26804-2012 «Ограждения дорожные металлические барьерного типа. Технические условия»].
В барьерных ограждениях рассеивание энергии удара происходит за счет упругопластической деформации материала ограничительных элементов, узлов их крепления, за счет упругопластической деформации элементов транспортного средства, и за счет трения, возникающего между элементами транспортного средства и дорожным ограждением [ГОСТ 52606-2006. «Технические средства организации дорожного движения. Классификация дорожных ограждений».].
Указанные конструкции обладают высокой прочностью и жесткостью, особенно при применении консоли-распорки, в связи с чем, при столкновении транспортного средства с дорожным ограждением, действующие инерционные перегрузки могут превысить допустимые, а транспортному средству и грузам нанесен значительный ущерб.
Известно дорожное защитное ограждение, включающее равномерно расположенные опоры и присоединенные к ним горизонтальные секции, выполненные в виде труб, заполненных отвержденным пеноматериалом, в котором рассеивание энергии воздействия осуществляется за счет сминания стенок трубчатых элементов и раздробления пеноматериала [Патент на изобретение РФ №2485244, МПК Е01Р, 2011 г.]. Также известны конструкции систем амортизации, использующие следующие виды нагружения: сжатие, растяжение, изгиб, протяжка и их комбинации [Тихомиров А.Г. Упругопластическая система амортизации. - М. «Машиностроитель» №11, 2002 г. ]. Также известно ограждение, в котором в качестве консоли-амортизатора используется торсионный
энергопоглощающий элемент [Патент РФ на полезную модель №51632, Е04Р 15/00, 2005 г.]. Также известно ограждение, в котором в качестве консолей (элементов крепления балок к стойкам) используется торсионный энергопоглощающий элемент [Патент РФ на изобретение №2555728 E01F 15/00, 2014 г.]. Известно торсионное энергопоглощающее устройство аварийной остановки транспортных средств принцип действия которого основан на рассеивании энергии воздействия за счет пластического кручения металлических стержней [Патент РФ на полезную модель №62936 E01F 15/00, 2006 г.]. Так же известно дорожное барьерное ограждение, содержащее продольную балку на стойках, при этом стойки ориентированы под углом к вертикали, наклонно в сторону балки [Патент РФ на изобретение №2354775 E01F 15/04, 2007 г.].
К недостаткам данных систем можно отнести следующее. При наличии жесткой консоли-распорки транспортное средство испытывает значительные перегрузки, так как нагрузка сразу передается на стойки крепления ограждения.
При наезде транспортного средства на ограждение, после деформирования консоли-амортизатора, резко возрастают нагрузки на стойки ограждения, что может привести к разрушению конструкции и потери несущей (удерживающей) способности ограждения. Также возрастают перегрузки, действующие на транспортное средство, пассажиров и груз. Стойка, после превышения допустимых нагрузок, изгибается. При этом значение допустимых нагрузок зависит от свойств грунта, в котором закреплена стойка. Горизонтальный ограничительный элемент ограждения (балка), под действием изгиба стойки смещается вниз, что приводит к перемещению транспортного средства поверх защитного ограждения.
Изгиб имеет такую же характеристику жесткости, как растяжение. Однако при изгибе распределение напряжений и относительных удлинений по сечению неравномерно, поэтому удельная энергоемкость при изгибе существенно ниже, чем при растяжении. Кроме того, пластическая деформация и напряжения при изгибе неравномерны по длине стержня и обычно сосредотачиваются в, так называемом, пластическом шарнире, а это еще более снижает удельную энергоемкость системы.
Во многих случаях, может оказаться более выгодным использование в демпферах деформации кручения [Решенкин А.С., Тихомиров А.Г. Упругопластическая система противоударной защиты. - М.: «Автомобильный транспорт», №1, 2004 г.]. Кручение элементов в виде цилиндрических стержней малой длины вызывает появление пластических деформаций одинаковых по всей длине стержня. Напряженное состояние в поперечном сечении даже при больших пластических деформациях имеет достаточно равномерный характер. Поэтому, в отличие от изгиба, диссипация энергии происходит по всему объему стержня. В отличие от сжатия, при кручении сплошные цилиндрические стержни или полые с достаточно большой толщиной стенки не теряют устойчивости вплоть до разрушения. В отличие от растяжения, при кручении не образуется шейка, и поэтому деформация кручения может быть использована в целях демпфирования полностью, вплоть до разрушения. Торсионные энергопоглощающие элементы так же обладают высокой удельной энергоемкостью и стабильностью характеристик амортизации [Чикалов Н.В., Дерюшев В.В. Пусковые установки и командные пункты ракетных комплексов: Учебник. МО РФ, 2005. - 350 с.].
Наиболее близким, по совокупности признаков аналогом является торсионное энергопоглощающее устройство аварийной остановки транспортных средств, состоящее из вертикально расположенных в определенном порядке амортизаторов, использующих в качестве демпферов торсионные энергопоглощающие элементы, рассеивающие кинетическую энергию транспортных средств [Патент РФ №62936 МПК E01F 15/00, 2006 г.].
К числу недостатков прототипа необходимо отнести следующие: конструкция устройства аварийной остановки имеет достаточно большую протяженность, что препятствует установке его на обочинах и между разделительными полосами; амортизаторы, использующие в качестве демпферов торсионные энергопоглощающие элементы, не соединены между собой, что не позволяет распределить нагрузки на элементы транспортного средства; устройство аварийной остановки работает только в качестве фронтального удерживающего ограждения, при необходимом условии того, что боковое удерживающее ограждение должно удерживать транспортное средство при боковом ударе под острым углом (20°) наезда на ограждение [ГОСТ 52721-2007 «Технические средства организации дорожного движения. Методы испытания дорожных ограждений»]; транспортное средство испытывает значительные перегрузки, так как нагрузка сразу передается на торсионные энергопоглощающие элементы.
Задача, на решение которой направлена предлагаемая конструкция, заключается в снижении инерционных перегрузок, действующих на пассажиров и груз за счет заданного усилия сопротивления ограждения, увеличении уровня удерживающей способности дорожного ограждения, снижении вероятности перемещения транспортного средства поверх защитного ограждения, повышении безопасности пассажиров и перевозимых грузов при столкновении транспортного средства с дорожным боковым удерживающим ограждением.
Техническим результатом изобретения является то, что можно обеспечить заданное нарастающее сопротивление ограждения и, таким образом, задать его оптимальную силовую характеристику, что повысит безопасность и удерживающую способность ограждения. Модернизация существующих ограждений, выполненных по ГОСТ 26804-2012, не требует изменений конструкций основных элементов ограждения: балки, консоли-амортизатора. Кроме того, обеспечивается возможность установки ограждения на разделительных полосах дорожного полотна.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном дорожном удерживающем боковом ограждении барьерного типа, включающего в себя опоры, переходные плиты, ограничительный элемент в виде профилированной металлической полосы (балки), консоль-амортизаторы, в качестве опор используются торсионные энергопоглощающие модули.
max
max
Сущность изобретения заключается в том, что опора, выполнена в виде торсионного энергопоглощающего модуля, состоящего из прикрепленного к переходной плите фиксатора, изготовленного из металла в виде профилированного элемента с вырезами, удерживающего торсионный энергопоглощающий элемент в заданном положении и обеспечивающего его свободное вращение в пределах заданного угла, и торсионного энергопоглощающего элемента, изготовленного из отрезка металлического прута круглого сечения, участки которого последовательно изогнуты таким образом, что в пруте имеется в верхней части вертикальный участок, далее расположен наклонный на угол 10…15° относительно вертикали в сторону от дорожного полотна участок, который изогнут в точке на высоте не менее 0,6 H, где H - высота ограждения, далее расположен горизонтальный участок, отогнутый параллельно ограничительному элементу, на 90° относительно наклонного участка, являющийся рабочей частью, далее в нижней части имеется ограничительный упор, отогнутый на 90° относительно горизонтального участка, при этом угол между угол между ограничительным упором и наклонным участком прута составляет 95…100°.
max
Сущность изобретения поясняется фиг 1…14. На фиг. 1 представлен общий вид ограждения, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий модуль, 2 - переходная плита, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка. На фиг. 2 представлен вид ограждения сверху, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - переходная плита, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка, 5 - фиксатор, 6 - элементы крепления к дорожному полону. На фиг. 3 представлен вид ограждения сбоку, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - переходная плита, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка, 5 - фиксатор, 6 - элементы крепления консоли-амортизатора к торсионному энергопоглощающему элементу. На фиг. 4 представлен общий вид торсионного энергопоглощающего модуля, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор. На фиг. 5 представлен общий вид торсионного энергопоглощающего элемента, где обозначены: 1 - узлы крепления консоли-амортизатора к торсионному энергопоглощающему элементу, 2 - вертикальный участок, 3 - наклонный участок, 4 - горизонтальный рабочий участок, 5 - ограничительный упор. На фиг. 6 показан вид фиксатора сверху. На фиг. 7 показан вид фиксатора спереди. На фиг. 8 показаны вид фиксатора сбоку и сечения в местах выреза под торсионный энергопоглощающий элемент. На фиг. 9 показано положение элементов ограждения в исходном состоянии (вид сбоку), где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор, 3 -консоль-амортизатор, 4 - балка, 5 - переходная плита, 6 - упор. На фиг. 10 показано положение элементов ограждения под воздействием ударной нагрузки при смятии консоли (вид сбоку), где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка. На фиг. 11 показано положение элементов ограждения под воздействием нагрузки после смятия консоли-амортизатора до начала работы торсионного элемента, после выбора «свободного» угла поворота рабочей части торсиона, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка, 5 - переходная плита, 6 - ограничительный упор. На фиг. 12 показано положение элементов ограждения после поворота рабочей части торсиона и снятия нагрузки, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка. На фиг. 13 показан вид ограждения сбоку для четырех различных нагружений, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - фиксатор, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка, Н - высота ограждения начальная по сечению крепления балки к консоли-амортизатору, H - высота ограждения; а) исходное состояние, б) при начальном нагружений и смятии консоли-амортизатора, в) поворот до начала работы торсионного энергопоглощающего элемента («свободный» угол поворота), г) работа торсионного энергопоглощающего элемента. На фиг. 14 показан общий вид ограждения с торсионным энергопоглощающим модулем включающим два торсионных энергопоглощающих элемента для установки между разделительными полосами, где обозначены: 1 - торсионный энергопоглощающий элемент, 2 - переходная плита, 3 - консоль-амортизатор, 4 - балка, 5 - фиксатор.
Балка предназначена для равномерного распределения нагрузки в ограждении, консоль-амортизатор предназначен для крепления балки к торсионному энергопоглощающему элементу и деформации при наезде транспортного средства, переходная плита предназначена для крепления торсионного энергопоглощающего модуля к дорожному полотну и ограничения углов поворота торсионного энергопоглощающего элемента, торсионный энергопоглощающий элемент предназначен для крепления консоли-амортизатора и для рассеивания энергии ударного воздействия за счет пластического кручения горизонтального участка, фиксатор предназначен для крепления торсионного энергопоглощающего элемента к переходной плите в заданном положении, исключения изгиба его рабочей части. Соединения всех элементов выполняются разборными.
Конструкция дорожного удерживающего бокового барьерного ограждения (см. фиг. 1, 2, 3) включает расположенные на заданном расстоянии опоры, выполненные в виде торсионных энергопоглощающих модулей 1 и ограничительный элемент в виде профилированной металлической полосы (балки) 2. Балки соединены разъемными соединениями с консолями-амортизаторами 3, которые в свою очередь соединены разъемными соединениями 6 с торсионным энергопоглощающим модулем 1 (фиг. 2). Торсионный энергопоглощающий модуль соединен разъемными соединениями 6 с переходной плитой 2, которая закреплена в дорожном полотне (фиг. 3).
Торсионный энергопоглощающий модуль (см. фиг. 4) состоит из торсионного энергопоглощающего элемента 1 и фиксатора 2. В фиксаторе имеются вырезы, для удержания торсионного энергопоглощающего элемента в заданном положении. При необходимости, фиксатор обеспечивает поворот торсионного энергопоглощающего элемента в горизонтальной плоскости на угол 5…10° без деформации кручения горизонтальной части элемента.
max
max
Торсионный энергопоглощающий элемент (см. фиг. 5) выполнен из отрезка металлического прута круглого сечения, участки которого последовательно изогнуты таким образом, что в пруте имеется в верхней части вертикальный участок 2, далее расположен наклонный на угол 10…15° относительно вертикали в сторону от дорожного полотна участок 3, который изогнут в точке на высоте не менее 0,6 H, где H - высота ограждения, далее расположен горизонтальный участок 4, отогнутый параллельно ограничительному элементу, на 90° относительно наклонного участка, являющийся рабочей частью, далее в нижней части имеется ограничительный упор 5, отогнутый на 90° относительно горизонтального участка, при этом угол между угол между ограничительный упором и наклонным участком прута составляет 95…100°. При этом торсионный энергопоглощающий элемент имеет возможность свободного поворота в горизонтальной плоскости на угол 5…10° угол.
Для крепления консоли-амортизатора в верхней части элемента выполнены два отверстия 1 диаметром 18 мм.
Фиксатор (фиг. 6, 7, 8) представляет собой профилированную пластину, имеющую прямые части для крепления к переходной плите и профилированную часть, для расположения горизонтального участка торсионного энергопоглощающего элемента. Имеются два выреза для обеспечения размещения, свободного поворота в горизонтальной плоскости и удержания торсионного энергопоглощающего элемента под заданным углом.
Переходная плита представляет собой горизонтальную металлическую пластину 2 (фиг. 1) заданных размеров и толщины, в которой выполнены отверстия для крепления фиксатора и отверстия для крепления самой переходной плиты к дорожному полотну.
В случае ударного воздействия, ограждение, при наличии свободного угла поворота торсионного энергопоглощающего элемента, работает следующим образом. В исходном состоянии (см. фиг. 9) наклонный участок торсионного энергопоглощающего элемента 1 наклонен в сторону дорожного полотна на заданный угол (10…15°). От возможного поворота горизонтального участка торсионного элемента и перемещения консоли 3 и балки 4 вниз, упор 6 удерживает рычаг за счет выреза в фиксаторе 2.
Фиксатор 2 закреплен на переходной плите 5. Ударное воздействие (на рисунке обозначено F) вначале воспринимает балка 4 и консоль-амортизатор 3.
При величине воздействия (см. фиг. 10), превышающей суммарную силу сопротивления деформации балки 4 и консоли-амортизатора 3, происходит деформация балки 4 и консоли-амортизатора 3, что приводит к приближению балки 4 к торсионному энергопоглощающему элементу 1.
В случае воздействия ударной нагрузки, при которой консоль-амортизатор 3 исчерпал ход амортизации, по мере продвижения транспортного средства происходит дальнейшая деформация балки 4, ее перемещение, что вызывает перемещение вертикального участка и поворот горизонтального участка торсионного энергопоглощающего элемента 1 в фиксаторе 2 без рассеивания энергии ударного воздействия за счет пластического кручения (см. фиг. 11). Такой поворот горизонтального участка торсионного энергопоглощающего элемента 1 в фиксаторе 2 происходит до такого угла, когда, под действием перемещения балки 4 и консоли 3, ограничительный упор 6 торсионного энергопоглощающего элемента 1, выбрав «свободный» угол поворота, не упрется в поверхность переходной плиты 5.
В случае воздействия ударной нагрузки, при которой участвующие в работе балка 4 и консоль-амортизатор 3 исчерпали ход амортизации, а энергия воздействия полностью не рассеяна, начинается деформация горизонтального участка торсионного энергопоглощающего элемента (фиг. 12).
Это приводит к тому, что нагрузку начинает воспринимать рабочий горизонтальный участок 4 (см. фиг. 5) торсионного энергопоглощающего элемента, что обуславливает пластическое скручивание рабочей части и, соответственно, поглощение энергии воздействующей нагрузки.
Такая работа ограждения и наличие последовательного воздействия на транспортное средство нагрузок, вначале только от балки и деформируемого консоль-амортизатора, затем дополнительно от торсионного модуля, обеспечивает снижение перегрузок, действующих на транспортное средство, пассажиров и перевозимый груз, а также повышение энергоемкости дорожного ограждения. При этом, при незначительных нагрузках, торсионный энергопоглощающий элемент ограждения не получает необратимых деформаций и может использоваться повторно.
max
Для препятствия перемещению транспортного средства поверх защитного ограждения за пределы транспортного полотна, торсионный энергопоглощающий элемент имеет наклон в сторону дорожного полотна 10…15° и имеет свободный угол поворота рабочей части на угол 5…10°. При воздействии транспортного средств на ограждение, траектория движения средней части балки 4 примерно горизонтальная (обозначено Н), что препятствуют перемещению транспортного средства сверху через ограждение (обозначено H) и увеличивает удерживающую способность ограждения (фиг. 13).
При необходимости использования ограждения между разделительными полосами на переходную плиту устанавливается торсионный энергопоглощающий модуль, состоящий из двух торсионных энергопоглощающих элементов и двух фиксаторов (фиг. 14). Для уменьшения ширины ограждения до размеров, установленных по ГОСТ 26804-2012, торсионные энергопоглощающие модули устанавливают так, чтобы торсионные энергопоглощающие элементы 1 располагались навстречу друг другу (фиг. 14). Фиксаторы 5 крепятся к одной переходной плите 2. При этом расстояние между балками 4 (вторая балка не показана) не превышает заданное.
Для повышения динамических свойств, воспринимаемой нагрузки и максимального угла закрутки торсионный энергопоглощающий элемент подвергают заневоливанию. Эта технологическая операция является последней среди операций механической и термической обработки. Операция заневоливания заключается в закрутке горячего торсиона за предел его упругого состояния и выдерживании в таком положении некоторое время. При этом в поверхностных слоях возникают пластические деформации, а в сердцевине упругие. После разгрузки торсиона сердцевина, стремясь освободиться от напряжений и вернуться в исходное состояние, встречает сопротивление пластически деформированного поверхностного слоя. Остаточные напряжения, полученные при заневоливании, позволяют повысить рабочую нагрузку и угол закрутки торсиона в эксплуатации.
За счет подбора торсионных модулей с механической обработкой [Орлов П.И. Основы конструирования: Справочно-методическое пособие. Книга 2. Под ред. П.Н. Учаева - М.: Машиностроение, 1988. - с. 490.] и с различным коэффициентом жесткости, изменения расстояния между торсионными энергопоглощающими модулями, изменения величины «свободного» хода торсионного энергопоглощающего элемента имеется возможность задавать прогиб, рабочую ширину, инерционные перегрузки и уровень удерживающей способности ограждения.
Изготовление и сборка предлагаемой конструкции просты и выполняются обычными известными методами соединения. Конструкция не требует регулярного технического обслуживания, обладает высокой удельной энергоемкостью и уровнем удерживающей способности, оптимальной и стабильной силовой характеристикой, не зависящей от условий внешней среды и параметров внешнего воздействия.