波形梁護(hù)欄與混凝土護(hù)欄過渡段安全性能研究

周志偉， 吳　洵， 王成虎

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 公路交通安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京　100088)

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波形梁護(hù)欄與混凝土護(hù)欄過渡段安全性能研究

周志偉， 吳洵， 王成虎

(交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院 公路交通安全技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京100088)

[摘要]通過計(jì)算機(jī)仿真方法和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，研究提出了一種新型A級(jí)波形梁鋼護(hù)欄與SB級(jí)混凝土護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)防撞等級(jí)達(dá)到A級(jí)，碰撞能量160 kJ，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，新的護(hù)欄過渡段可實(shí)現(xiàn)不同防護(hù)等級(jí)的公路護(hù)欄之間連接平順、結(jié)構(gòu)剛度平穩(wěn)過渡。

[關(guān)鍵詞]護(hù)欄過渡段； 公路護(hù)欄防護(hù)等級(jí)； 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)； 安全性能

1概述

公路護(hù)欄主要由路側(cè)護(hù)欄、中央分隔帶護(hù)欄、橋梁護(hù)欄和護(hù)欄之間過渡段等設(shè)施組成。任何一個(gè)組成部分防護(hù)能力達(dá)不到要求，都會(huì)留下安全防護(hù)隱患。目前在我國高速公路護(hù)欄過渡段的設(shè)計(jì)中，存在較大安全隱患的多為路基A級(jí)波形梁鋼護(hù)欄與橋梁SB級(jí)混凝土護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中一般采用比較簡(jiǎn)單的處理方式，如采用直接搭接的形式甚至干脆不處理。大量事故案例顯示，當(dāng)事故車輛直接碰撞到護(hù)欄過渡段處時(shí)，由于兩類護(hù)欄的剛度、強(qiáng)度不同，車輛會(huì)發(fā)生拌阻、翻越等現(xiàn)象，司乘人員傷害嚴(yán)重。國內(nèi)外諸多學(xué)者和專家圍繞護(hù)欄安全防護(hù)性能開展了大量研究，以往的護(hù)欄研究主要在橋梁護(hù)欄、路基段護(hù)欄和路基段活動(dòng)護(hù)欄，而在橋梁護(hù)欄和路基護(hù)欄過渡段護(hù)欄結(jié)構(gòu)方面的研究較少。

針對(duì)上述問題，本文利用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，提出一種新型A級(jí)波形梁鋼護(hù)欄與SB級(jí)混凝土護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)形式，以實(shí)現(xiàn)不同防護(hù)等級(jí)的公路護(hù)欄之間連接平順、結(jié)構(gòu)剛度平穩(wěn)過渡。

2護(hù)欄過渡段安全防護(hù)性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的確定

本文研究的護(hù)欄過渡段主要是實(shí)現(xiàn)A級(jí)(160 kJ)波形梁鋼護(hù)欄與SB級(jí)(280 kJ)混凝土護(hù)欄之間護(hù)欄結(jié)構(gòu)剛度的平穩(wěn)過渡，故其防護(hù)性能應(yīng)不低于所連接護(hù)欄中較低級(jí)別即A防撞等級(jí)要求。參照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG/T F83-01-2004)[1]要求，本文研究的護(hù)欄過渡段碰撞條件見表1，評(píng)價(jià)項(xiàng)目見表2。

表1 護(hù)欄過渡段A級(jí)(160kJ)實(shí)車碰撞試驗(yàn)條件Table1 RealvehicleimpacttestconditionoftheAleveltransitionsection(160kJ)碰撞車型車型總質(zhì)量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小型車1.510020中型車106020

表2 評(píng)價(jià)項(xiàng)目Table2 EvaluationSpecification試驗(yàn)項(xiàng)目技術(shù)要求1.防護(hù)性能(1)護(hù)欄應(yīng)能夠有效阻擋車輛,并對(duì)車輛進(jìn)行正確導(dǎo)向,車輛不得以任何形式穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄(2)在碰撞過程中,脫離組件、碰撞碎片(護(hù)欄碎片)、或其他護(hù)欄上的碰撞物步的侵入駕駛室內(nèi)及阻擋駕駛員的視線2.乘員風(fēng)險(xiǎn) (1)車體縱向加速度(X)10ms間隔平均值的最大值ax≤20g(2)車體橫向加速度(Y)10ms間隔平均值的最大值ay≤20g(3)車體鉛直加速度(Z)10ms間隔平均值的最大值az≤20g3.駛出角度車輛碰撞后駛出角度不大于碰撞角度60%4.車輛運(yùn)行軌跡碰撞后在距離實(shí)際碰撞點(diǎn)20m區(qū)域內(nèi),試驗(yàn)車輛的任何部位不得越過2.2m+車寬(m)+0.16車長(m)5.車輛運(yùn)行狀態(tài)碰撞后車輛應(yīng)保持正常行駛姿態(tài),可以有適當(dāng)?shù)膿u晃、傾斜,但不得發(fā)生橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭等現(xiàn)象

3護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

① 公路常用護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)形式。

目前國內(nèi)高速公路上波形梁鋼護(hù)欄與混凝土護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)形式(見圖1)主要為：波形梁鋼護(hù)欄采用加密立柱(Φ140 mm×4.5 mm×2150 mm)[2]，在與混凝土護(hù)欄連接處采用上下兩塊護(hù)欄板(310 mm×85 mm×4 mm×4320 mm)，護(hù)欄板、立柱用防阻塊(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)連接,上護(hù)欄板延伸入混凝土護(hù)欄，每板使用4根M16高強(qiáng)拼接螺栓錨固護(hù)欄板，下護(hù)欄板采用端頭處理，如圖2所示。

根據(jù)選定的碰撞條件，通過計(jì)算仿真模擬手段，建立碰撞車輛和護(hù)欄的計(jì)算機(jī)模型，模擬碰撞過程，

圖1　公路常用護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)Figure 1　Common transition section structure

見圖2。從護(hù)欄和車輛兩個(gè)角度，分析車輛對(duì)護(hù)欄的沖擊作用，碰撞過程中車輛的運(yùn)行狀態(tài)、運(yùn)行軌跡，乘員加速度等參數(shù)。

圖2　護(hù)欄過渡段有限元模型及車輛碰撞過程Figure 2　 Finite element model and impact simulation process

從計(jì)算結(jié)果得出: 在整個(gè)碰撞過程中，護(hù)欄過渡段雖可有效阻擋車輛，并對(duì)車輛進(jìn)行正確導(dǎo)向，車輛無穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，無橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭、翻車現(xiàn)象，但車體橫向加速度指標(biāo)ay超過20 g，將對(duì)成員造成嚴(yán)重傷害，該護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

② 原因分析。

波形梁鋼護(hù)欄是一種連續(xù)梁柱結(jié)構(gòu)的半剛性護(hù)欄，具有一定的剛度和柔性，在碰撞發(fā)生時(shí)，它是通過自身結(jié)構(gòu)變形來吸收碰撞能量，導(dǎo)出車輛。而混凝土護(hù)欄是一種基本不變形的剛性護(hù)欄，它主要是利用其專門設(shè)計(jì)的斷面形狀，使碰撞車輛爬高并轉(zhuǎn)向來吸收碰撞能量，導(dǎo)出護(hù)欄。

目前公路常用的護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)其小型車車體橫向加速度ay值超標(biāo)主要是因?yàn)椴ㄐ瘟轰撟o(hù)欄近混凝土護(hù)欄端部立柱安裝間距過大，車輛在與半剛性波形梁鋼護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)護(hù)欄動(dòng)態(tài)變形量大，在波形梁鋼護(hù)欄還未完全吸能變形后又與剛性混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞，導(dǎo)致該指標(biāo)超標(biāo)，車輛損傷嚴(yán)重。

③ 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述的原因分析，重新進(jìn)行護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為減少護(hù)欄的動(dòng)態(tài)變形量，新方案通過調(diào)整波形梁護(hù)欄立柱位置，在近混凝土護(hù)欄端部增加一根護(hù)欄立柱，通過該立柱吸能變形來實(shí)現(xiàn)降低小型車車體橫向加速度指標(biāo)，另外將下護(hù)欄板也延伸到混凝土護(hù)欄上，使用4根M16高強(qiáng)拼接螺栓錨固，見圖3。

圖3　改進(jìn)后過渡段構(gòu)造示意圖Figure 3　The upgrade solution of transition section structure

對(duì)新的護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)方案重新建模、仿真計(jì)算得出：在整個(gè)碰撞過程中，護(hù)欄過渡段能夠有效的阻擋車輛，并使車輛安全導(dǎo)出，未出現(xiàn)車輛受到絆阻、護(hù)欄板刺入車體、車輛翻越或者沖出護(hù)欄過渡段的現(xiàn)象，各項(xiàng)指標(biāo)滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。該護(hù)欄過渡段使半剛性護(hù)欄至剛性護(hù)欄的防撞能力過渡更加平穩(wěn)，能夠提高整個(gè)護(hù)欄防護(hù)系統(tǒng)的安全防護(hù)性能。

4實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證護(hù)欄過渡段安全防護(hù)性能

按照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T D81-2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》要求選取實(shí)車碰撞試驗(yàn)段護(hù)欄材料并進(jìn)行施工安裝。護(hù)欄過渡段防撞等級(jí)為A級(jí)，按照交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JTG/T F83-01-2004《高速公護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求，選取質(zhì)量為1.5 t的小型車以100 km/h的速度20°碰撞角度進(jìn)行試驗(yàn)；選取質(zhì)量為10 t的大型車以60 km/h的速度20°碰撞角度進(jìn)行試驗(yàn)，見圖4。

圖4　試驗(yàn)前護(hù)欄與車輛Figure 4　Barrier and vehicle before the test

經(jīng)實(shí)車碰撞后，護(hù)欄過渡段可有效阻擋車輛，并對(duì)車輛進(jìn)行正確導(dǎo)向，車輛無穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，無橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭、翻車現(xiàn)象，車體縱向加速度ax、車體橫向加速度ay和車體鉛直加速度az指標(biāo)均不超過20 g，該護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)符合標(biāo)準(zhǔn)要求，測(cè)試結(jié)果見表3，見圖5。

表3 護(hù)欄過渡段實(shí)車碰撞試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果Table3 Real-vehicleimpacttestresultofthetransitionsection測(cè)試項(xiàng)目標(biāo)準(zhǔn)要求測(cè)試結(jié)果小型車大型車護(hù)欄應(yīng)能夠有效地阻擋車輛,并對(duì)車輛進(jìn)行正確導(dǎo)向,車輛不得以任何形式穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄符合要求符合要求1.防護(hù)性能小型車大型車在碰撞過程中,脫離組件、碰撞碎片(護(hù)欄碎片)、或其他護(hù)欄上的碰撞物不能侵入駕駛室內(nèi)及阻擋駕駛員的視線符合要求符合要求2.乘員風(fēng)險(xiǎn) (小型車)車體車體縱向加速度(X)10ms間隔平均值的最大值ax≤20g車體橫向加速度(Y)10ms間隔平均值的最大值ay≤20g車體鉛直加速度(Z)10ms間隔平均值的最大值az≤20g符合要求符合要求符合要求3.駛出角度小型車型車車輛碰撞后駛出角度不大于碰撞角度60%符合要求符合要求4.車輛運(yùn)行 軌跡小型車大型車碰撞后在距離實(shí)際碰撞點(diǎn)10m區(qū)域內(nèi),試驗(yàn)車輛的任何部位不得越過2.2m+車寬(m)+0.16車長(m)碰撞后在距離實(shí)際碰撞點(diǎn)20m區(qū)域內(nèi),試驗(yàn)車輛的任何部位不得越過4.4m+車寬(m)+0.16車長(m)符合要求符合要求5.車輛運(yùn)行 狀態(tài)小型車大型車碰撞后車輛應(yīng)保持正常行駛姿態(tài),可以有適當(dāng)?shù)膿u晃、傾斜,但不得發(fā)生橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭等現(xiàn)象符合要求符合要求

圖5　試驗(yàn)后護(hù)欄及車輛

5小結(jié)

本文通過計(jì)算機(jī)仿真方法和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證等手段，研究提出了一種新型A級(jí)波形梁鋼護(hù)欄與SB級(jí)混凝土護(hù)欄過渡段結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)防撞等級(jí)達(dá)到A級(jí)，碰撞能量160 kJ，經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)性能指標(biāo)符合交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，該結(jié)構(gòu)的提出為道路使用者出行提供了安全保障，為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的制修訂提供了依據(jù)，對(duì)完善護(hù)欄防護(hù)體系意義重大。

[參考文獻(xiàn)]

[1]JTG/T F83-01-2004,高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2]JTG/T D81-2006,公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

Research on Safety Performance of Transition Between W-beam Guardrail and Concrete Barrier

ZHOU Zhiwei， WU Xun， WANG Chenghu

(Key Laboratory of Road Safety Ministry of Communications PRC, Research Institute of Highway Ministry of Communications, Beijing 100088, China)

[Abstract]Through finite element simulation method and full-scale impact test with real vehicle, the study developed a new type of transition section between A level w-beam barrier and SB level concrete barrier. The safety performance of the new transition section reaches A level, 160 kJ. Verified by the impact test, all items meet requirement of relevant transportation standards. The new transition section is capable to accomplish smooth connection and stiffness transition between different barriers.

[Key words]transition section of highway barriers; protection level of highway barriers; full-scale impact test with real vehicle; safety performance

[收稿日期]2016-01-11

[作者簡(jiǎn)介]周志偉(1977-)，男，北京人，高級(jí)工程師，研究方向：交通工程。

[中圖分類號(hào)]U 417.1+2

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674-0610(2016)03-0162-03