高速公路中央分隔帶組合式護欄方案研究

張立狀+崔洪軍+李煜彤

摘 要：針對國內某高速中央分隔帶護欄升級改造問題，提出了中央隔離帶組合式護欄方案，建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，并針對不同的護欄立柱間距進行了汽車碰撞仿真模擬研究。結果表明，利用中央隔離帶舊護欄改造為組合式護欄滿足規范要求，可以有效地降低成本，為高速公路中央分隔帶護欄改造提供依據。

關鍵詞：組合式護欄 護欄立柱間距 碰撞仿真

中圖分類號：U495 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0063-03

根據相關統計，與中央分隔帶相關交通事故占高速公路事故總數的30%左右[1]，而且事故車輛一旦沖出護欄進入逆向車道，往往造成極其嚴重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔帶護欄的防撞能力，已成為保障高速公路安全的關鍵問題之一[2～5]。

國內某高速公路在改造拓寬過程中，出于考慮成本和施工難度的因素，計劃把中央隔離帶護欄由分離式改變為組合式，以充分利用原護欄材料。針對此情況，我們建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，研究不同立柱間距時中央分隔帶組合式護欄結構的防撞性能。

1 組合式護欄結構方案

根據JTG D81-2006《公路交通安全設施設計規范》和《公路交通安全設施設計細則》的要求[6-7]，基于A級中央隔離帶波形梁護欄，確定對稱設計防阻塊及雙波梁為組合式護欄方案1。方案2是在方案1的基礎上立柱內加裝一個內套管，如圖1。立柱間距分別為2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。

2 有限元模型的建立

2.1 汽車模型

本大客車模型為彈性體車模型，通過實際拆車建立，車輛行駛系統按照真實車輛模型建立，保證車輛的行駛軌跡正常，模型經校驗后符合美國NHTSA350報告和歐洲EN1317相關規定。客車有限元模型總節點數量為48592個；殼單元的數量為33787個、其它單元5338個。有限元模型如圖2。

2.2 護欄模型

護欄模型單元類型采用四節點BT殼單元，材料類型采用彈塑性材料，即24號材料模型，具體參數如表1。由于在模擬計算時沒有設定土壤材料參數，故端部及埋入地下部分立柱采用全約束的固定端方式模擬。有限元模型如圖3。

2.3 碰撞仿真模型

2.3.1 沙漏控制

LS-DYNA在程序內部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽車護欄碰撞仿真采用了調整模型體積粘度控制沙漏。體積粘度可以阻止沙漏變形的發生。

2.3.2 接觸控制

本次仿真采用面—面自動接觸算法，定義5個接觸對，即護欄與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU

RFACE；梁板、立柱、防阻塊間：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；車輪與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_

SURFACE；車輛自身接觸：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU

RFACE；車輛與護欄間：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。

同時定義各組的自接觸。考慮摩擦效應，滑動摩擦系數取為0.15。

2.3.2 碰撞條件

碰撞條件見表2。

因每次模擬碰撞都消耗大量的時間，所以碰撞時間適當地縮小。500 ms的碰撞時間已經可以從車輛運行軌跡中判斷大客車是否跨越護欄。

3 計算結果分析

3.1 車輛運行軌跡

通過模擬實驗，方案1中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄有效地發揮吸能導向作用，客車返回正常行駛方向，如圖4。立柱間距3200 mm、3600 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，如圖5。方案2中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄同樣發揮作用，立柱間距3200 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，但是立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬實驗中未發生騎跨事故，通過與方案1中立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬對比，方案2的立柱變形量偏小，進而使波形梁仍能發揮導向作用。

3.2 護欄變形量

表3為最大動態位移實驗數據，從表可以觀察到未發生騎跨事故的組合式護欄的最大動態位移均小于安全評價標準的規定值。發生騎跨現象的護欄變形量明顯大于未發生的。方案2的最大動態位移大多數小于方案1的。

3.3 車輛重心加速度

以車體加速度進行乘員安全性評價，選取客車重心處節點，得到重心加速度曲線。如圖6和圖7所示。為便于標距在表4中給出了各碰撞試驗關于X、Y、Z方向的平均加速度。

從圖6、7中可以看出未發生騎跨現象的碰撞試驗，其加速度曲線震蕩幅度隨時間減小，符合實際情況，而發生騎跨現象的試驗，其加速度曲線劇烈震蕩。從表4，未發生騎跨現象的試驗的平均加速度都未超過規定值，因此乘員的安全得到保障[8]。

4 結論

（1）通過不同間距的試驗結果對比，得出2800mm間距是保證護欄安全性的最大間距，可以為實際工程應用提供參考。（2）通過兩種方案的對比，在車輛運行軌跡，護欄變形量和重心加速度上，方案2優于方案1。

參考文獻

[1] 劉叢國，于建國.新型高速公路中央分隔帶護欄的設計與研究[J].機電產品開發與創新，2010，23（5）：170-177.

[2] 崔新壯，甘久彤，丁樺.高速公路中央分隔帶護欄立柱穩定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.

[3] 丁樺，吳夢喜，王劍文，等.關于中央分隔帶護欄立柱基礎的探討[J].工程力學，2002，1（19）：125-129.

[4] 李青川，彭舉，彭展生.高速公路新型中央分隔帶護欄方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.

[5] 張勝平.高速公路中央分隔帶護欄碰撞仿真實驗的研究與應用[D].西安：長安大學，2004.

[6] JTC D81-2006，公路交通安全設計規范[S].

[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全設施設計細則[S].

[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路護欄安全性能評價標準[S].endprint

摘 要：針對國內某高速中央分隔帶護欄升級改造問題，提出了中央隔離帶組合式護欄方案，建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，并針對不同的護欄立柱間距進行了汽車碰撞仿真模擬研究。結果表明，利用中央隔離帶舊護欄改造為組合式護欄滿足規范要求，可以有效地降低成本，為高速公路中央分隔帶護欄改造提供依據。

關鍵詞：組合式護欄 護欄立柱間距 碰撞仿真

中圖分類號：U495 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0063-03

根據相關統計，與中央分隔帶相關交通事故占高速公路事故總數的30%左右[1]，而且事故車輛一旦沖出護欄進入逆向車道，往往造成極其嚴重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔帶護欄的防撞能力，已成為保障高速公路安全的關鍵問題之一[2～5]。

國內某高速公路在改造拓寬過程中，出于考慮成本和施工難度的因素，計劃把中央隔離帶護欄由分離式改變為組合式，以充分利用原護欄材料。針對此情況，我們建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，研究不同立柱間距時中央分隔帶組合式護欄結構的防撞性能。

1 組合式護欄結構方案

根據JTG D81-2006《公路交通安全設施設計規范》和《公路交通安全設施設計細則》的要求[6-7]，基于A級中央隔離帶波形梁護欄，確定對稱設計防阻塊及雙波梁為組合式護欄方案1。方案2是在方案1的基礎上立柱內加裝一個內套管，如圖1。立柱間距分別為2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。

2 有限元模型的建立

2.1 汽車模型

本大客車模型為彈性體車模型，通過實際拆車建立，車輛行駛系統按照真實車輛模型建立，保證車輛的行駛軌跡正常，模型經校驗后符合美國NHTSA350報告和歐洲EN1317相關規定。客車有限元模型總節點數量為48592個；殼單元的數量為33787個、其它單元5338個。有限元模型如圖2。

2.2 護欄模型

護欄模型單元類型采用四節點BT殼單元，材料類型采用彈塑性材料，即24號材料模型，具體參數如表1。由于在模擬計算時沒有設定土壤材料參數，故端部及埋入地下部分立柱采用全約束的固定端方式模擬。有限元模型如圖3。

2.3 碰撞仿真模型

2.3.1 沙漏控制

LS-DYNA在程序內部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽車護欄碰撞仿真采用了調整模型體積粘度控制沙漏。體積粘度可以阻止沙漏變形的發生。

2.3.2 接觸控制

本次仿真采用面—面自動接觸算法，定義5個接觸對，即護欄與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU

RFACE；梁板、立柱、防阻塊間：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；車輪與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_

SURFACE；車輛自身接觸：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU

RFACE；車輛與護欄間：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。

同時定義各組的自接觸。考慮摩擦效應，滑動摩擦系數取為0.15。

2.3.2 碰撞條件

碰撞條件見表2。

因每次模擬碰撞都消耗大量的時間，所以碰撞時間適當地縮小。500 ms的碰撞時間已經可以從車輛運行軌跡中判斷大客車是否跨越護欄。

3 計算結果分析

3.1 車輛運行軌跡

通過模擬實驗，方案1中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄有效地發揮吸能導向作用，客車返回正常行駛方向，如圖4。立柱間距3200 mm、3600 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，如圖5。方案2中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄同樣發揮作用，立柱間距3200 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，但是立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬實驗中未發生騎跨事故，通過與方案1中立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬對比，方案2的立柱變形量偏小，進而使波形梁仍能發揮導向作用。

3.2 護欄變形量

表3為最大動態位移實驗數據，從表可以觀察到未發生騎跨事故的組合式護欄的最大動態位移均小于安全評價標準的規定值。發生騎跨現象的護欄變形量明顯大于未發生的。方案2的最大動態位移大多數小于方案1的。

3.3 車輛重心加速度

以車體加速度進行乘員安全性評價，選取客車重心處節點，得到重心加速度曲線。如圖6和圖7所示。為便于標距在表4中給出了各碰撞試驗關于X、Y、Z方向的平均加速度。

從圖6、7中可以看出未發生騎跨現象的碰撞試驗，其加速度曲線震蕩幅度隨時間減小，符合實際情況，而發生騎跨現象的試驗，其加速度曲線劇烈震蕩。從表4，未發生騎跨現象的試驗的平均加速度都未超過規定值，因此乘員的安全得到保障[8]。

4 結論

（1）通過不同間距的試驗結果對比，得出2800mm間距是保證護欄安全性的最大間距，可以為實際工程應用提供參考。（2）通過兩種方案的對比，在車輛運行軌跡，護欄變形量和重心加速度上，方案2優于方案1。

參考文獻

[1] 劉叢國，于建國.新型高速公路中央分隔帶護欄的設計與研究[J].機電產品開發與創新，2010，23（5）：170-177.

[2] 崔新壯，甘久彤，丁樺.高速公路中央分隔帶護欄立柱穩定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.

[3] 丁樺，吳夢喜，王劍文，等.關于中央分隔帶護欄立柱基礎的探討[J].工程力學，2002，1（19）：125-129.

[4] 李青川，彭舉，彭展生.高速公路新型中央分隔帶護欄方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.

[5] 張勝平.高速公路中央分隔帶護欄碰撞仿真實驗的研究與應用[D].西安：長安大學，2004.

[6] JTC D81-2006，公路交通安全設計規范[S].

[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全設施設計細則[S].

[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路護欄安全性能評價標準[S].endprint

摘 要：針對國內某高速中央分隔帶護欄升級改造問題，提出了中央隔離帶組合式護欄方案，建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，并針對不同的護欄立柱間距進行了汽車碰撞仿真模擬研究。結果表明，利用中央隔離帶舊護欄改造為組合式護欄滿足規范要求，可以有效地降低成本，為高速公路中央分隔帶護欄改造提供依據。

關鍵詞：組合式護欄 護欄立柱間距 碰撞仿真

中圖分類號：U495 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（b）-0063-03

根據相關統計，與中央分隔帶相關交通事故占高速公路事故總數的30%左右[1]，而且事故車輛一旦沖出護欄進入逆向車道，往往造成極其嚴重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔帶護欄的防撞能力，已成為保障高速公路安全的關鍵問題之一[2～5]。

國內某高速公路在改造拓寬過程中，出于考慮成本和施工難度的因素，計劃把中央隔離帶護欄由分離式改變為組合式，以充分利用原護欄材料。針對此情況，我們建立了組合式護欄的三維汽車—護欄碰撞仿真模型，研究不同立柱間距時中央分隔帶組合式護欄結構的防撞性能。

1 組合式護欄結構方案

根據JTG D81-2006《公路交通安全設施設計規范》和《公路交通安全設施設計細則》的要求[6-7]，基于A級中央隔離帶波形梁護欄，確定對稱設計防阻塊及雙波梁為組合式護欄方案1。方案2是在方案1的基礎上立柱內加裝一個內套管，如圖1。立柱間距分別為2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。

2 有限元模型的建立

2.1 汽車模型

本大客車模型為彈性體車模型，通過實際拆車建立，車輛行駛系統按照真實車輛模型建立，保證車輛的行駛軌跡正常，模型經校驗后符合美國NHTSA350報告和歐洲EN1317相關規定。客車有限元模型總節點數量為48592個；殼單元的數量為33787個、其它單元5338個。有限元模型如圖2。

2.2 護欄模型

護欄模型單元類型采用四節點BT殼單元，材料類型采用彈塑性材料，即24號材料模型，具體參數如表1。由于在模擬計算時沒有設定土壤材料參數，故端部及埋入地下部分立柱采用全約束的固定端方式模擬。有限元模型如圖3。

2.3 碰撞仿真模型

2.3.1 沙漏控制

LS-DYNA在程序內部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽車護欄碰撞仿真采用了調整模型體積粘度控制沙漏。體積粘度可以阻止沙漏變形的發生。

2.3.2 接觸控制

本次仿真采用面—面自動接觸算法，定義5個接觸對，即護欄與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU

RFACE；梁板、立柱、防阻塊間：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；車輪與路面間：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_

SURFACE；車輛自身接觸：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU

RFACE；車輛與護欄間：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。

同時定義各組的自接觸。考慮摩擦效應，滑動摩擦系數取為0.15。

2.3.2 碰撞條件

碰撞條件見表2。

因每次模擬碰撞都消耗大量的時間，所以碰撞時間適當地縮小。500 ms的碰撞時間已經可以從車輛運行軌跡中判斷大客車是否跨越護欄。

3 計算結果分析

3.1 車輛運行軌跡

通過模擬實驗，方案1中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄有效地發揮吸能導向作用，客車返回正常行駛方向，如圖4。立柱間距3200 mm、3600 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，如圖5。方案2中，立柱間距2000 mm、2400 mm、2800 mm的組合式護欄同樣發揮作用，立柱間距3200 mm、4000 mm的組合式護欄模擬實驗中，客車發生了騎跨事故，但是立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬實驗中未發生騎跨事故，通過與方案1中立柱間距3600 mm的組合式護欄模擬對比，方案2的立柱變形量偏小，進而使波形梁仍能發揮導向作用。

3.2 護欄變形量

表3為最大動態位移實驗數據，從表可以觀察到未發生騎跨事故的組合式護欄的最大動態位移均小于安全評價標準的規定值。發生騎跨現象的護欄變形量明顯大于未發生的。方案2的最大動態位移大多數小于方案1的。

3.3 車輛重心加速度

以車體加速度進行乘員安全性評價，選取客車重心處節點，得到重心加速度曲線。如圖6和圖7所示。為便于標距在表4中給出了各碰撞試驗關于X、Y、Z方向的平均加速度。

從圖6、7中可以看出未發生騎跨現象的碰撞試驗，其加速度曲線震蕩幅度隨時間減小，符合實際情況，而發生騎跨現象的試驗，其加速度曲線劇烈震蕩。從表4，未發生騎跨現象的試驗的平均加速度都未超過規定值，因此乘員的安全得到保障[8]。

4 結論

（1）通過不同間距的試驗結果對比，得出2800mm間距是保證護欄安全性的最大間距，可以為實際工程應用提供參考。（2）通過兩種方案的對比，在車輛運行軌跡，護欄變形量和重心加速度上，方案2優于方案1。

參考文獻

[1] 劉叢國，于建國.新型高速公路中央分隔帶護欄的設計與研究[J].機電產品開發與創新，2010，23（5）：170-177.

[2] 崔新壯，甘久彤，丁樺.高速公路中央分隔帶護欄立柱穩定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.

[3] 丁樺，吳夢喜，王劍文，等.關于中央分隔帶護欄立柱基礎的探討[J].工程力學，2002，1（19）：125-129.

[4] 李青川，彭舉，彭展生.高速公路新型中央分隔帶護欄方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.

[5] 張勝平.高速公路中央分隔帶護欄碰撞仿真實驗的研究與應用[D].西安：長安大學，2004.

[6] JTC D81-2006，公路交通安全設計規范[S].

[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全設施設計細則[S].

[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路護欄安全性能評價標準[S].endprint