万涛 暴怡轩 马可凡

摘要 随着智慧交通、新基建等新兴概念的提出，交通基础设施结构设计技术的创新愈发重要。目前，我国各城市道路、高速公路所使用的车辆限高装置存在拦截方式被动、设施结构刚性强、超高预防困难等问题。文章针对现有限高装置存在的问题，基于交通安全与经济理论，提出一种采用可转动横梁的新型交通限高装置，以解决现有技术的不足，提升交通管理效率。

关键词 交通限高;限高装置;交通管理;新基建

中图分类号 U495 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）12-0047-03

收稿日期：2022-04-02

作者简介：万涛（1979—），男，硕士研究生，工程师，研究方向：机场道路工程及交通管理。

0 引言

近年来，中国进入了新基建时代，交通运输业不断向生态化、数字化、智能化方向转型发展。随着运输需求的增加，以及基础设施和运输装备的不断完善，大型客车、大中型载重汽车保有量迅速增加。为保证桥隧等基础设施运行安全，常在城市高架路匝道出入口、公铁跨线桥等位置设置限高门架。

限高门架为用于桥梁、涵洞、隧道入口处的门型构架，一般为钢结构焊接而成，起防护桥梁、涵洞、隧道的作用。现在普遍使用的限高门架为固定门架式结构，该结构由两根立柱与一根横梁组成，横梁上安装有限高标志，以提醒超高车辆，防止超高车辆未按交通标志要求行驶或强行通过时与限高门架发生碰撞，从而实现保护桥体、涵洞、隧道的目标。

然而，随着交通流量的迅猛增长及货运物流的发展，现有固定式限高门架在保护桥体、涵洞及隧道的同时，也面临着被超高车辆频繁撞毁的风险，不仅增加了交通设施养护成本，而且降低了交通系统的安全性。据统计，2019年全国有报道的限高架碰撞事故累计49起，2020年初至同年11月期间累计发生37起[1]。

因此，针对现有限高装置设计缺陷，优化、改进限高装置的内部结构，对降低事故风险、减少事故损失尤为重要。

1 研究现状

针对目前限高装置存在的问题，多数学者主要从装置内部结构设计、限制高度调节、限高预警系统开发等角度开展研究。Lu等[2]基于非线性有限元模拟，通过利用MSC有限元软件包、在有限元模型中采用MARC增强模拟的真实性，以探究超高车辆与桥梁上部结构的碰撞损伤。Zhang等[3]针对城市内超高车辆与桥梁上部结构频繁发生的碰撞事故，基于高精度有限元模拟，探讨了超高车辆对桥梁上部结构冲击机理和损伤模式。Wang等[4]基于ANSYS/LS-DYNA非线性软件，对超高车辆与防护架碰撞过程进行了仿真，从变形、应力、载荷等方面分析了防护架的失效机理。何江斌等[5]针对高频率发生的超高车辆与桥梁限高架刮撞事故，通过对桥梁限高架进行缓冲碰撞的结构改进，增大其提醒面积，从而有效降低超高车辆与桥梁限高架刮撞概率。吴寒等[6]为解决现有限高杆不能调节的弊端，设计了一种利用限高装置调节高度的道路交通限高杆，增大通过性，保证紧急过高车辆安全通过。梁靖茹等[7]则采用激光技术对车辆高度进行超高预测，将光信号转换为电信号，利用单片机实现无线传输，使得超高车辆改变线路避免事故。另外，尹京[8]基于纤维增强复合材料具有抗拉强度高、质量轻等特点，提出并论证采用玻璃纤维与聚氨酯拉挤成型工艺加工铁路桥限高防护架的方案的可行性，并基于复合材料实际参数，设计横梁结构，提升了装置稳定性。韩佳彤等[9]通过技术依托、系统架构、系统功能、智能限高监控系统设施样式设计等，进行呼和浩特市快速路建设中智能限高监控系统的设计，从而为快速路建设以及道路智能限高监控系统的实施提供技术指导。章文等[10]针对公共限高系统的交互设计，从服务提供者与接收者间的契合关系、系统外观融入城市形象体系、近场事故管理与远程导航服务两个交互场景三方面，构建基于先进技术的系统交互方式，营造更加人性化、安全和精準的公共限高系统交互体验。马阳冉[11]分析超限车辆强行通过被交路造成桥梁底板被刮蹭、损坏的情况，证实在被交路设置限高架能有效防止梁板遭受撞击，更好地保护桥梁梁板安全，保障高速公路车辆行驶的安全性。李金刚等[12]针对中国限高杆设置乱象，通过对比分析国内外限高设施设置情况，指出了中国限高杆设置存在的主要问题，并从完善限高杆管理制度、规范限高杆设置、定期排查维护、加强科技应用四方面提出针对性的对策建议。史菲帆等[13]为降低传统刚性限高架造成的人员伤亡及经济损失，提出了一种基于树莓派的智能限高系统及智能安全限高架，该系统由车辆高度监测系统、预警系统、车辆信息记录系统和闯岗处理系统组成，通过声音、文字、警示灯等途径，向超高车辆发出警示。限高架采用裹覆弹性材料的软性阻拦可开合横杆，可有效避免车杆相撞造成的惨剧，同时在该限高架后方一定距离处设置超高车辆返回路线及传统刚性限高架，保证交通设施及驾乘人员的安全，对有效降低车和限高杆相撞导致的经济损失及人员伤亡具有重要的社会价值及意义。

分析已有研究资料发现，较少有针对交通限高装置中的横梁进行改造、减轻碰撞事故对限高装置损毁程度的相关研究。因此，该文通过分析总结现有交通限高装置存在的技术不足，提出一种新型交通限高装置。

2 新型交通限高装置

2.1 装置构成与工作原理

该文针对现有限高装置存在的不足，提出一种新型交通限高装置优化设计理念。该装置的创新之处在于其采用可转动的横梁，在碰撞时可避免装置撞毁，并且通过两个反方向的扭簧实现横梁与立柱间的弹性连接，使得横梁在碰撞事故发生后可以自动复位，以恢复正常使用。

装置功能的实现决定于其内部结构间的连接方式，如图所示，图1表示装置结构示意图，图2表示其正向与侧向放大剖视结构示意图。

图中各序号所表示的含义如表1所示。

该装置各结构间的连接关系为：

（1）立柱。使用过程中，立柱1应设置在道路一侧，并需在顶部设置转轴2。

（2）横梁。横梁3的一端将转动套设在立柱1顶部的转轴2上，另一端悬臂。同时，整个横梁结构上方设置有限高标志4，以提醒过往车辆。

（3）扭簧。扭簧包括第一扭簧5和第二扭簧6，分别设置在横梁3一端的上、下两侧。两扭簧的一端与转轴2连接，另一端均与横梁3连接，且两扭簧方向相反以便于横梁3复位。

（4）缓冲层。缓冲层7为包裹在横梁3外侧的橡胶层结构，用以减小冲击力，避免碰撞对横梁3和车辆造成损坏。

（5）摄像头。摄像头8嵌设在缓冲层7内多个凹槽16的底部，以防止碰撞对摄像头造成损坏。横梁3的两侧均设置有摄像头8，用以拍摄过往车辆的车牌号。

具体而言，横梁的一端需套设在转轴上与立柱形成转动的连接形式，当超高车辆与横梁发生碰撞时，横梁凭借可转动性，将碰撞产生的冲击力进行缓冲，避免横梁及立柱的损坏。同时，基于第一扭簧与第二扭簧的反向设计方式，横梁与立柱在自然状态下的相对位置得以保持不变。自然状态下，道路横梁呈悬臂状态，当车辆与横梁碰撞时，第一扭簧和第二扭簧同时形变，产生大小相同而方向相反的扭力，使得横梁转动后可自动复位。

（6）转动套。转动套9是截面为矩形的环形结构，设置在横梁3的一端上侧，其上、下表面分别与横梁3的上、下表面平齐，同时内周与转轴2套合实现转动。

（7）承托盘。承托盘10设置在立柱1上端，其上设置有多个第一滚珠11，以便与转动套9下表面配合滚动，减小转动套9与承托盘10之间的摩擦力。

（8）第一扭簧容纳槽。第一扭簧容纳槽12设置在承托盘10上方，第一扭簧5嵌设在容纳槽12内。

（9）转轴盖。在转动套9上方设置有转轴盖13，转轴盖13与转轴2连接，并且借助于第二滚珠14实现与转动套9之间的滚动配合，以减小转动套9与转轴盖13间的摩擦力。

（10）第二扭簧容纳槽。第二扭簧容纳槽15设置在转轴盖13下方，第二扭簧6设置在该容纳槽15内。

（11）压力传感器。在缓冲层7与横梁3之间需设置多个压力传感器，该结构的作用为检测车辆与横梁是否发生碰撞，进而判断车辆是否超高。

（12）控制单元。控制单元包括接收、处理、信号传送三大模块。其中，接收模块与摄像头8连接，用于接收摄像头8的拍摄信息和压力传感器的压力信息;处理模块与接收模块连接，用于根据拍摄信息和压力信息判断超高车辆与横梁的碰撞并记录超高车辆的车牌号;信号传送模块与处理模块连接，用于将超高车辆的车牌号传输至交通管理系统。

以该装置设置在桥梁端为例对其工作原理进行说明。在实际交通运行环境中，立柱1下端通过钢筋混凝土基础埋设在道路一侧，具有悬臂结构的横梁3位于道路中间，在第一扭簧5和第二扭簧6的作用下，横梁3静止。

当有车辆驶来时，摄像头8即时拍摄车辆的车牌信息，并将其暂时储存在接收模块内。当有超高车辆与横梁3发生碰撞时，压力传感器能够检测到碰撞的发生，此时处理模块记录并储存该车辆的车牌信息，通过信号传送模块发送至交通管理系统。经受碰撞冲击后，横梁3转动，继而在第一扭簧5与第二扭簧6的弹力作用下自动复位，恢复正常使用，从而避免碰撞对该装置造成损坏。而未超高车辆的车牌信息无需长时间存储，车辆正常通过后装置立即清除车牌信息的存储记录，以减小处理量，节省内存。

2.2 技术优势

该文提出的一种新型交通限高装置，相较于现阶段广泛应用的传统限高门架，其技术优势在于：

2.2.1 该装置采用可转动横梁

通过两个方向相反的扭簧在横梁与立柱间建立弹性连接，实现横梁自动复位。相较于现有固定式门架及刚性连接结构，当超高车辆驶过时，该文中的新型限高装置可有效避免装置被撞毁。

2.2.2 该装置设置有摄像头

摄像头能够清晰拍摄记录与装置发生碰撞的车辆的车牌信息，以有效解决现有裝置缺乏摄录取证功能的不足，有利于强化警示作用，降低超高车辆与限高装置的碰撞概率。

2.2.3 该装置设置有压力传感器

通过该结构的监测，装置能够判断车辆是否与横梁发生碰撞，如果碰撞发生，处理模块将相关车辆的车牌信息即时发送至交通管理系统。

3 结语

该文针对现有交通限高装置中存在的问题提出了一种新型设计，该新型限高装置由立柱、横梁、扭簧、缓冲层与摄像头等构成。与目前广泛应用的固定式限高门架不同，该装置创新性地采用可转动横梁。横梁借助于第一扭簧与第二扭簧的反向弹力，与立柱建立弹性连接。当超高车辆与装置发生碰撞时，在缓冲层对冲击力的缓和作用及扭簧的弹力作用下，横梁可自动复位，从而降低碰撞冲击力度，避免装置被撞毁，并减少经济损失，提升交通管理效率与效益。

参考文献

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