公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄研究

滕玉祿 段紹飛 秦延朋 張杏威

(1.北京市高速公路交通工程有限公司 北京 101102； 2.貴州泓陽交通建設(shè)工程有限責(zé)任公司 貴陽 550022)

在公路建設(shè)中，機(jī)電、交安門架立柱和上跨公路的橋梁墩柱一般會設(shè)置在公路中分帶內(nèi)，即在公路中分帶內(nèi)部形成障礙物。一旦發(fā)生失控車輛碰撞護(hù)欄產(chǎn)生側(cè)傾或穿越護(hù)欄直接碰撞橋墩和門架的事故，不僅會造成事故車輛和司乘人員自身損傷，還可能造成高速公路運(yùn)營中斷，更有甚者會引起橋梁、機(jī)電、交安門架主體的垮塌二次惡性事故，經(jīng)濟(jì)損失巨大，進(jìn)而造成惡劣的社會影響。

為了降低失控車輛碰撞公路中分帶內(nèi)障礙物的概率，本文以三波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)[1-2]為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出一種公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄，并根據(jù)JTG B05-01-2013 《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡稱《標(biāo)準(zhǔn)》)的規(guī)定，利用計算機(jī)模擬仿真和實車足尺碰撞試驗等技術(shù)，對護(hù)欄導(dǎo)向功能、緩沖功能與阻擋功能[3]進(jìn)行分析、優(yōu)化和驗證。

1 低變形量護(hù)欄結(jié)構(gòu)

1.1 材料選擇

對常用的柔性纜索護(hù)欄、半剛性鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄和剛性混凝土護(hù)欄3種護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對比分析，認(rèn)為半剛性鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄結(jié)構(gòu)：①具備一定剛性，可通過合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計達(dá)到較高安全防護(hù)等級；②具備一定柔性，大型車輛在碰撞時會產(chǎn)生一定變形，吸收一部分能量;③可進(jìn)行較高護(hù)欄的設(shè)置而護(hù)欄寬度不受影響。因此可以達(dá)到較高的安全防護(hù)等級，宜作為公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

國內(nèi)大部分高速公路中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄為波形梁護(hù)欄，采用波形梁板作為公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄的主要構(gòu)件可與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄保持一致[4]，具有較好的視線誘導(dǎo)效果，同時可與中分帶標(biāo)準(zhǔn)段波形梁護(hù)欄方便、有效地連接，合理漸變剛度[5]，保證公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)的錨固力。

原有波形梁護(hù)欄頂部高度為950 mm，高度較低，其防側(cè)傾能力較差。為了提升車輛防側(cè)傾能力，加高立柱整體高度，并在加高立柱上通過螺栓安裝防側(cè)傾上橫梁、防側(cè)傾下橫梁、防絆阻橫梁護(hù)欄，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 護(hù)欄圖

防側(cè)傾上橫梁頂部高度根據(jù)大型碰撞車輛重心而確定，在其端部向下彎折與防側(cè)傾下橫梁通過法蘭連接，保證上橫梁端部錨固力。防側(cè)傾下橫梁在端部先向內(nèi)側(cè)彎折后，通過套筒連接件與立柱進(jìn)行連接錨固，以保證防側(cè)傾上橫梁、防側(cè)傾下橫梁的抗側(cè)傾能力。防絆阻橫梁端部與中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄立柱相連接，提升防絆阻橫梁的抗彎折強(qiáng)度，有效地將碰撞車輛車輪導(dǎo)正，降低車輪碰撞立柱的風(fēng)險。

護(hù)欄兩側(cè)的加高立柱之間設(shè)置橫向支撐梁，通過將單側(cè)車輛碰撞力通過橫向支撐梁傳導(dǎo)至另一側(cè)加高立柱的頂部與底部，使得兩側(cè)護(hù)欄協(xié)同受力，提升整體護(hù)欄安全防護(hù)能力，護(hù)欄受力方式見圖2。

圖2 護(hù)欄受力方式

2 護(hù)欄安全評價指標(biāo)

《標(biāo)準(zhǔn)》是國內(nèi)驗證新型護(hù)欄是否可以在公路上應(yīng)用的唯一標(biāo)準(zhǔn)，由于失控車輛碰撞護(hù)欄的角度、速度和形態(tài)各異，綜合最不利因素，同時考慮經(jīng)濟(jì)性等原則，標(biāo)準(zhǔn)對碰撞位置、角度和速度等條件進(jìn)行明確規(guī)定。

為了更好地保護(hù)司乘人員安全和中分帶內(nèi)障礙物，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中護(hù)欄安全性能評價要求，新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)須通過小型客車、大型客車、大型貨車3種車型實車足尺碰撞試驗。碰撞試驗位置和條件見圖3和表1。

圖3 碰撞位置

表1 碰撞條件

護(hù)欄安全評價指標(biāo)：應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，試驗護(hù)欄構(gòu)件及脫離件不得侵入車輛乘員艙；乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s2，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2；車輛碰撞后不得翻車，車輛駛出駛離點(diǎn)后的輪跡不得越出導(dǎo)向駛出框的直線。

3 模擬仿真與實車足尺碰撞試驗

3.1 模擬仿真模型與試驗設(shè)計

按表1中試驗條件和圖3的碰撞位置，結(jié)合實際尺寸建立3種車輛模型和護(hù)欄模型，根據(jù)車輛和護(hù)欄的金屬材料特性，碰撞仿真以二維殼單元進(jìn)行建模，并保證四邊形殼單元大于等于模型單元總數(shù)的95%。根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定小型車輛輪胎胎壓為0.3 MPa，大型車輛輪胎胎壓為0.8 MPa。采用基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決邊界非線性問題。碰撞模型見圖4。

圖4 碰撞模型

為模擬現(xiàn)場實際道路安裝效果，驗證實施項目的可行性。在試驗場地內(nèi)設(shè)置公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄，中分帶護(hù)攔外側(cè)寬2 m，單側(cè)長18 m(中分帶雙側(cè)共計36 m)，同時考慮護(hù)攔兩側(cè)錨固能力[6-7]和導(dǎo)向性能，按要求需在單側(cè)護(hù)攔碰撞行車方向上游端采用打樁安裝12 m 三波梁標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄，下游端安裝24 m 三波梁標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄，則單側(cè)試驗護(hù)攔總長度為54 m。碰撞試驗見圖5。

圖5 碰撞車輛試驗

3.2 模擬仿真與碰撞試驗結(jié)果

經(jīng)計算機(jī)模擬仿真與實車足尺碰撞試驗，小客車、大客車和大貨車碰撞公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄行駛軌跡見圖6。由圖6可見，車輛碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，車輛駛出駛離點(diǎn)后的輪跡未越出導(dǎo)向駛出框的直線。車輛沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，滿足評價指標(biāo)要求。

圖6 試驗車輛行駛軌跡

試驗表明在車輛碰撞護(hù)欄后，小客車、大客車和大貨車前保險杠損壞，車輛前大燈損壞脫離，車體左側(cè)有刮痕，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)良好，車門均能自由開啟，其中大客車前擋風(fēng)玻璃破裂。試驗車輛在碰撞護(hù)欄后車廂內(nèi)部空間沒有受到嚴(yán)重擠壓，護(hù)欄構(gòu)件及脫離構(gòu)件未侵入車體內(nèi)部，可以保證車內(nèi)乘員的安全。

小客車實車足尺碰撞試驗緩沖性能評價見表2。

表2 小型客車碰撞試驗緩沖性能(標(biāo)準(zhǔn)段)

由表2可見，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量最大值6.9≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量最大值138.7≤200 m/s2，滿足評價指標(biāo)要求，因此該護(hù)欄安全性能滿足SA級防護(hù)等級要求。

試驗測得大客車和大貨車最大橫向動態(tài)外傾值見圖7。由圖7可見，大客車碰撞中車輛最大動態(tài)外傾值VI=0.3 m，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=0.35 m；大貨車碰撞中車輛最大動態(tài)外傾值VI=0.4 m，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=0.45 m。相比JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》中SB級波形梁護(hù)欄試驗的大客車最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=2.27 m，減少了1.92 m，有效地減少了大型車輛在碰撞護(hù)欄中產(chǎn)生的側(cè)傾碰撞障礙物概率，較好地保護(hù)了車輛司乘人員及公路中分帶內(nèi)障礙物結(jié)構(gòu)。

圖7 車輛最大動態(tài)外傾值

3.3 模擬仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

基于LS-DYNA有限元軟件建立的3種車輛碰撞護(hù)欄計算機(jī)仿真模型，通過采用數(shù)百次實車碰撞試驗數(shù)據(jù)對仿真模型各項性能參數(shù)進(jìn)行校核，驗證仿真模型的準(zhǔn)確性。 一般而言，高精度計算機(jī)仿真模型一般數(shù)據(jù)誤差值不大于15%即為可靠。

模擬仿真與足尺試驗數(shù)據(jù)結(jié)果見表3。

表3 模擬仿真與足尺試驗數(shù)據(jù)對比表

由表3分析結(jié)果可知，兩者的測試結(jié)果基本一致，誤差值最大值為8.7%，計算機(jī)模擬仿真具有較高的可靠性，可充分反映護(hù)欄結(jié)構(gòu)的各項評價項目數(shù)據(jù)指標(biāo)，

4 過渡連接位置安全分析

由于公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄安全防護(hù)等級為SA級(防護(hù)能量≥400 kJ)，中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄防護(hù)等級為SB級(防護(hù)能量≥280 kJ),兩者之間防護(hù)等級不同，按要求其過渡連接位置防護(hù)等級不小于相鄰護(hù)欄最低防護(hù)等級，即過渡連接位置防護(hù)等級應(yīng)為SB級。為進(jìn)一步驗證過渡連接位置的安全可靠性，采用經(jīng)驗證的計算機(jī)模擬仿真模型與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，碰撞試驗位置和條件見圖8和表4。

圖8 碰撞位置

表4 碰撞條件

模擬仿真車輛碰撞過渡位置后行駛軌跡見圖9。

圖9 模擬仿真分析

由圖9可見，車輛碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，滿足評價指標(biāo)要求。

表5為過渡連接段小客車模擬仿真緩沖性能評價表。

表5 小型客車碰撞試驗緩沖性能(過渡連接段)

由表5可見，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量最大值8.3≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量最大值114.6≤200 m/s2，均滿足評價指標(biāo)要求，因此該護(hù)欄安全性能滿足SB級防護(hù)等級要求。

5 結(jié)語

實車足尺碰撞試驗檢測表明結(jié)果，公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄各項指標(biāo)均滿足JTG B05-01-2013《標(biāo)準(zhǔn)》中SA級(防護(hù)能量≥400 kJ)的要求。大型車輛碰撞中大貨車最大動態(tài)外傾值VI為0.4 m，最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn為0.45 m，可較好地保護(hù)車輛司乘人員及公路中分帶內(nèi)障礙物結(jié)構(gòu)。同時，經(jīng)計算機(jī)模擬仿真分析，公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄過渡連接位置安全防護(hù)性能可靠，滿足實際工程需求。

目前該結(jié)構(gòu)護(hù)欄已在京哈擴(kuò)建工程、京雄高速公路、北京東六環(huán)改建工程中應(yīng)用，尚未發(fā)生失控車輛碰撞中分帶內(nèi)障礙物引發(fā)的惡性事故，防護(hù)效果安全可靠，下一步將以首都道路為示范點(diǎn)，向全國范圍高速公路推廣應(yīng)用，其廣泛應(yīng)用將有利于改善道路交通的安全水平，避免道路人員和財產(chǎn)損害，促進(jìn)交通事業(yè)的和諧發(fā)展。