护柱撞击的解剖

护柱如何应对车辆撞击

在过去的几年里，作为一种应对恐怖袭击的策略，护柱已经有了新闻价值。在悲剧发生后，人们对这些小小的交通哨所提出的许多问题都是关于它们内在的阻止能力。然而，护柱有很多种，每一种都有不同的用途。即使是抗冲击的护柱，也有一系列的预期行为。物理、材料科学和工程都决定了系柱能承受和分散多大的冲击力。通常令人惊讶的是，系柱的抗冲击能力更多地与安装有关，而不是系柱本身。

安装系柱的方法主要有两种。许多护柱是用螺栓固定的:低强度，灵活的，可移动的,2021亚博最新 护柱可以固定在用混凝土锚栓或螺栓固定在地面上的板上。这些设施大多提供的是交通引导，而不是安全保障。其中一些为移动缓慢的小型机器，如地板清洁工和叉车提供轻微的冲击保护。

另一组护柱是嵌入的。并非所有的嵌入式护柱都能提供实质性的冲击保护。有些，比如可伸缩的护柱，有嵌入式底座;当抬升时，它们基本上是表面护柱，在基板中没有坚实的基础。

深埋地基的护柱提供了冲击优势。它们的阻力是基于位于地下的系柱部分的物理特性。

Crash-rated嵌入式护柱有特殊的工程底座嵌入地基。这些护柱已经过测试，具有阻止车辆入侵的力量。当安装性能时，他们的测试结果作为他们的碰撞等级给出。

比撞击级护柱更常见安全护柱．这些也被挖掘到地下，提供冲击保护。然而，它们并没有一个设计好的基础。由于基板和安装在不同的地点，安全护柱有不同的停止能力，这就是为什么他们没有被评级。

一个简单的机器

常见的安全护柱是用钢管填充混凝土制成的。当这样的桩柱沉入地下时，它就产生了物理学中最简单的机器之一:一级杠杆。这个杠杆通过围绕一个支点转动来改变力的方向。当系柱沉到底物中时，地面就成了支点。受影响的系缆桩将开始绕着地面边缘旋转。系柱被埋的那部分向后推挤混凝土和周围的泥土，试图将所有的泥土往相反的方向“提起”。如果挖得足够深，锚定在稳定的基底上，它将无法移动。

基板的性质和系柱的深度都有助于系柱接受和分配冲击力的能力。然而，杠杆的有效性受到材料强度的限制。

当受力时，杠杆会发生剪切或损坏。阿基米德在谈到杠杆时说:“给我一个支撑点，我将撬动世界。”但这个支撑点不足以完成这项工作。阿基米德还需要用一种材料制成的杠杆，这种材料要足够坚固，能在自身重量和地球质量的作用下保持不弯曲。在更小的范围内，这与系柱是一样的:在某个点上，建造一个更长的系柱，更深地插入地面，并不能帮助系柱停止动力，因为材料将无法承受冲击力。

然而，许多安全护柱是由钢铁制成的，而钢铁是一种非常坚固的材料。在大多数精心设计的系柱装置中，失败的不是系柱。相反，它是支点。系柱推动与撞击相反的地面，而地面也必须承受撞击的力量。对于护柱，那是在安装或接近表面的混凝土。

钢与混凝土

当系柱受到撞击时，冲击力会传递到它的支点上。对于一个单独的无钢筋混凝土系柱，这是安装的混凝土边缘。

首先失效的几乎都是混凝土边缘，而不是系柱的钢筋。

这种失败可能是可以预测的，但不可能完美地描述系柱和立足点的行为。在不同的车辆和速度下，工程师只能评估可能的行为范围。在这些情况下，工程分析是复杂的。这就是为什么工程师在设计规范时要考虑很大的安全系数。

材料在实验室中测试，以找到应力-应变曲线。这些曲线显示了施加在材料上的外部应力和材料内部的应变或变形之间的关系。应力-应变曲线的末端是材料的破裂点，也就是材料失效的地方。这些应力-应变曲线是众所周知的钢和混凝土．

不过，现实世界要比仅仅比较这两条曲线并预测崩盘会是什么样子复杂得多。汽车和系柱之间的碰撞是一个带有反馈循环和变化变量的移动系统。基板的特性决定了系柱在受到冲击时能移动多远。它可能只会移动几毫米。即使是这样，金属也可能沿着其应力-应变曲线移动很远，到达弹性和塑性变形区域。随着碰撞的继续，施加在系柱上的力的角度改变，系柱移动，车辆减速。系柱的钢材可能会进入其“非线性特性区域”，应力的微小变化意味着钢材的不同性能。预测整体行为变得更加困难。

被撞击部件的自然频率和强迫频率也很重要。固有频率是系统在没有驱动力或阻尼力的情况下振荡的频率，就像音叉的共振。这种固有频率存在于系柱上的驱动力和阻尼力中:车辆的冲击矢量、传入材料的共振和整体环境的阻尼都发挥了作用。

为了模拟这个复杂的真实世界场景，工程师可以使用计算机建模有限元分析(FEA)来估算系统中的冯·米塞斯应力。

冯·米塞斯应力模型

Von Mises应力值用于预测材料的失效点。在有限元分析中，已知的应力-应变信息和各种力向量被组合成一个数学网格，并铺设在模拟结构上。这种计算机建模可以创建系统的整体视图，并对整个系统的风险水平和故障点做出一些一般化的预测。

在上面的有限元模拟中，我们看到一个系柱嵌入在混凝土中，在撞击时弯曲。为了视觉效果，系柱的运动被大大夸张了;实际移动小于2毫米。颜色表示von Mises应力，蓝色表示非应力状态，红色表示故障点。带缆桩上,我们可以看到冲击应力短柱在一边上(图2)和弯曲的侧(图1)。还带缆桩的杠杆作用证据压力下的基质,在埋葬的护柱正朝着一个弧(图2)。

然而，最大的应力点是在地面的混凝土中。红色的FEA模型表明失败，不仅在远侧的系柱，但包装的方式向迎面而来的车辆的三分之二。

这次模拟的撞击展示了整体的趋势，一根沉重的、深固的钢管比它周围的混凝土更能承受冲击。系柱的深度，基底的材料也有各自的作用。然而，一般来说，要建造一个不可穿透的系柱，就必须加固系柱周围的基础，以增强抗碰撞能力。在所有的情况下，一个工地工程师必须做一个模型，并预测系柱将如何在其环境中。

当失败是故意的

一些设施需要高度的保护。可能成为恐怖袭击目标的建筑物可能需要一个深度加固的护柱网络，这些护柱连接在一个地下结构中，以保证停止供电。

然而，不可逾越的障碍也有不利的一面。虽然轿车和卡车都有防皱区和其他安全设施，但具有超强制动能力的护柱可能是碰撞中最后一个能站起来的物体。驶来的车辆——以及它的司机——可能会承受损失。

在一些可能成为目标的地方，这可能是必要的。在其他地方，比如驾车者可能会错过的急转弯，或者在商店的入口处，踏板错误是常见的，给点折扣可能是可取的。尽管系柱在停车时可能会弯曲或“失灵”，但它可能在这种情况下工作得很完美。在许多情况下，更换一两个弯曲的系柱，让司机安然无恙地离开，是最好的结果。

向工程师传达意图

撞击级系柱的设计是这样的，当系统被高速行驶的车辆撞击时，系柱和基础都不会失效。当一根弯曲的系柱起到防止小事故成为大问题的作用时，这些评级并不总是需要的，也不需要。然而，由于每个地点都是不同的，只有工程师了解预期的力、基板的内容、系柱的深度和安装中使用的材料，才能够预测发生碰撞时可能发生的情况。实心钢护柱有很多的强度和保护提供。安装决定了强度在崩溃场景中的表现。