護(hù)欄高度變化對(duì)防撞能力影響研究

崔洪軍，崔 姍，邢小高，梁國(guó)鳳

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401)

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護(hù)欄高度變化對(duì)防撞能力影響研究

崔洪軍，崔 姍，邢小高，梁國(guó)鳳

(河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401)

護(hù)欄高度由于路面加鋪罩面而降低，使得其安全防護(hù)性能受到影響。利用LS-DYNA有限元分析軟件對(duì)不同高度下波形梁護(hù)欄進(jìn)行了碰撞仿真實(shí)驗(yàn)，量化分析了護(hù)欄高度降低與其安全防護(hù)能力關(guān)系，確定了護(hù)欄防撞性能不能滿(mǎn)足規(guī)范要求的臨界高度值。對(duì)沿海高速公路原有護(hù)欄提出改造方案，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真證明其符合規(guī)范規(guī)定。

交通工程；護(hù)欄高度；碰撞；仿真模型；安全性能

我國(guó)高速公路頻繁罩面后護(hù)欄防護(hù)性能下降、護(hù)欄處事故不斷增加的問(wèn)題日益凸顯[1]，京秦高速公路罩面后，2007—2009年該事故率加權(quán)平均值為25.81%，是罩面前2003—2004年該事故率加權(quán)平均值11.22%的2倍之多。但高度降低閾值的確定和對(duì)現(xiàn)有護(hù)欄改造措施一直是困擾道路工作者的難題[2]。

筆者利用LS-DYNA顯式動(dòng)力分析程序，建立車(chē)輛-護(hù)欄碰撞仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停瑢?duì)護(hù)欄降低不同高度時(shí)波形梁護(hù)欄安全性能進(jìn)行分析，得到頻繁罩面后必須進(jìn)行護(hù)欄改造時(shí)的護(hù)欄高度下限閾值。提出沿海高速公路現(xiàn)有護(hù)欄改造方案，并對(duì)護(hù)欄的防撞能力進(jìn)行計(jì)算機(jī)碰撞仿真檢驗(yàn)。

1 不同護(hù)欄高度碰撞仿真實(shí)驗(yàn)

為了深入分析護(hù)欄高度與其安全防護(hù)性能關(guān)系，利用LS-DYNA顯式動(dòng)力分析程序，以半剛性波形梁護(hù)欄為研究對(duì)象，以其規(guī)范高度755 mm為標(biāo)準(zhǔn)，每降低20 mm進(jìn)行一次碰撞仿真實(shí)驗(yàn)。由于護(hù)欄高度的降低對(duì)小車(chē)防護(hù)性能影響較小，但易發(fā)生大車(chē)上跨越出護(hù)欄，對(duì)大車(chē)安全防護(hù)性能不利[3-5]，因此筆者對(duì)大客車(chē)與不同高度護(hù)欄碰撞進(jìn)行了模擬仿真。

依照我國(guó)JTG/T F 83-01—2004《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》和JTG/T D 81—2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中A級(jí)防撞等級(jí)關(guān)于碰撞條件的規(guī)定，大客車(chē)碰撞速度取為60 km/h，大客車(chē)質(zhì)量為10 t，碰撞角度為20°，以160 kJ的碰撞能量在2 000 ms時(shí)間內(nèi)進(jìn)行碰撞仿真模擬[6-7]。

1.1 車(chē)輛-護(hù)欄碰撞仿真模型

模擬采用的大客車(chē)是按照實(shí)際拆車(chē)建立的彈性體車(chē)模型，根據(jù)真實(shí)車(chē)輛模型建立車(chē)輛行駛系統(tǒng)，保證車(chē)輛的行駛軌跡正常，模型經(jīng)校驗(yàn)后符合美國(guó)NHTSA350報(bào)告和歐洲EN1317相關(guān)規(guī)定。客車(chē)有限元模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)量為48 592個(gè)；殼單元的數(shù)量為33 787個(gè)、其它單元5 338個(gè)。護(hù)欄有限元模型77 061個(gè)節(jié)點(diǎn)、71 856個(gè)四邊形單元，并與實(shí)體護(hù)欄按1∶1比例建立，實(shí)體護(hù)欄立柱間距2 m，總長(zhǎng)度為72 m。大客車(chē)實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖1、圖2。

圖1 車(chē)輛與護(hù)欄碰撞實(shí)驗(yàn)

圖2 護(hù)欄整體變形比較

從圖1 車(chē)輛與護(hù)欄同時(shí)刻碰撞形態(tài)及圖2 碰撞后護(hù)欄破損變形來(lái)看，兩次實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，對(duì)比仿真與實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，其中計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)與實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)表1。

表1 實(shí)車(chē)實(shí)驗(yàn)與仿真實(shí)驗(yàn)碰撞后主要參數(shù)對(duì)比

從表1可知，兩者實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的誤差絕對(duì)值都小于10%，滿(mǎn)足誤差要求，從而證明了本次仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

1.2 不同護(hù)欄高度碰撞仿真實(shí)驗(yàn)

研究中，護(hù)欄高度每下降20 mm做一次模擬實(shí)驗(yàn)。同高度護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)結(jié)果及變化規(guī)律如表 2，當(dāng)護(hù)欄高度為715，735 mm時(shí)，各項(xiàng)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范要求，達(dá)到了A級(jí)安全防護(hù)性能；而當(dāng)護(hù)欄高度下降到695 mm時(shí)，碰撞仿真結(jié)果(表2)顯示，此時(shí)護(hù)欄達(dá)不到A級(jí)安全防護(hù)性能要求，因此選取護(hù)欄高度695，715 mm的中間值即705 mm，做進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)對(duì)表2的分析，得出護(hù)欄高度最小值為705 mm，即罩面厚度超過(guò)50 mm后，護(hù)欄安全防護(hù)性能不能滿(mǎn)足規(guī)范要求。

不同高度護(hù)欄-車(chē)輛碰撞后前視和俯視如圖3。

表2 不同高度護(hù)欄碰撞仿真評(píng)價(jià)結(jié)果

Table 2 Collision simulation evaluation results with different height of guardrails

圖3 不同高度護(hù)欄碰撞后前視和俯視

2 護(hù)欄改造方案

2.1 新型護(hù)欄模型

針對(duì)罩面后護(hù)欄高度不足的情況，在結(jié)合國(guó)內(nèi)現(xiàn)有理論措施的基礎(chǔ)上，提出可調(diào)高度護(hù)欄。高度可調(diào)節(jié)護(hù)欄設(shè)計(jì)方案和外觀及內(nèi)部構(gòu)造如圖4。

圖4 高度可調(diào)節(jié)護(hù)欄設(shè)計(jì)方案和外觀及內(nèi)部構(gòu)造

2.2 新型護(hù)欄仿真實(shí)驗(yàn)

仿真實(shí)驗(yàn)按照A，Am護(hù)欄防撞等級(jí)進(jìn)行。碰撞中選擇活動(dòng)立柱最高位置處插孔，仿真驗(yàn)證護(hù)欄處于安全防護(hù)的最不利狀態(tài)下滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)，從而證明新型護(hù)欄滿(mǎn)足安全標(biāo)準(zhǔn)。

圖5為大客車(chē)與護(hù)欄碰撞最終過(guò)程前視和車(chē)輛駛出角度圖。從圖中可以明顯看出車(chē)輛碰撞護(hù)欄后成功回到原行駛方向，無(wú)騎跨和穿越護(hù)欄現(xiàn)象。

圖5 大客車(chē)與護(hù)欄碰撞最終過(guò)程前視和車(chē)輛駛出角度示意

2.3 碰撞仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果

參考JTG/TF 83-01—2004《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行高度可調(diào)節(jié)護(hù)欄碰撞仿真實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，新型護(hù)欄滿(mǎn)足A級(jí)碰撞等級(jí)要求。評(píng)價(jià)結(jié)果匯總?cè)绫?3 。

表3 碰撞仿真實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)結(jié)果

3 結(jié) 語(yǔ)

建立了基于LS-DYNA顯式動(dòng)力分析程序的車(chē)輛-護(hù)欄碰撞仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停凑瘴覈?guó)規(guī)范和細(xì)則中規(guī)定的碰撞條件，對(duì)不同高度下護(hù)欄安全防撞能力進(jìn)行仿真研究，得出護(hù)欄高度閾值為705 mm。在沿海高速公路護(hù)欄再利用中，提出高度可調(diào)節(jié)護(hù)欄設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)證明其滿(mǎn)足規(guī)范要求，從而為高速公路改擴(kuò)建或反復(fù)罩面后護(hù)欄再利用提供參考。

[1] 黃紅武,莫?jiǎng)畔?楊濟(jì)匡,等.影響護(hù)欄防護(hù)性能的相關(guān)因素研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,31(2):45-47. Huang Hongwu,Mo Jinxiang,Yang Jikuang,et al.Research on correlative factors of the protective performance of W-beam guardrail [J].Journal of Hunan University:Natural Science,2004,31 (2):45-47.

[2] 楊宏志,張勝平,楊少偉.高速公路中間帶護(hù)欄碰撞仿真實(shí)驗(yàn)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2008,28(2):44-48. Yang Hongzhi,Zhang Shengping,Yang Shaowei.Simulation test on collision of vehicles on guard-rail of expressway median [J].Journal of Chang’an University:Natural Science Edition,2008,28(2):44-48.

[3] JTG D 81—2006 公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006. JTG D 81—2006 The Design Specification in Freeway Traffic Safety Facilities [S].Beijing:China Communications Press,2006.

[4] 周煒,張?zhí)靷b,喬希永,等.汽車(chē)與不同形式高速公路護(hù)欄碰撞的試驗(yàn)研究[J].公路交通科技,2006,23(7):137-141. Zhou Wei,Zhang Tianxia,Qiao Xiyong,et al.Experiment on vehicle impact with different guardrails [J].Journal of Highway and Transportation Reach and Development,2006,23(7):137-141.

[5] 劉孔杰,崔洪軍,郄彥輝.高速公路雙波梁鋼護(hù)欄改造方案碰撞實(shí)驗(yàn)研究[J].交通世界,2010(6):159-160. Liu Kongjie,Cui Hongjun,Qie Yanhui.The retrofit scheme collision experiment research on freeway double wave joist steel guardrail [J].Transportation World,2010(6):159-160.

[6] 黃紅武,劉正恒,楊濟(jì)匡.基于計(jì)算機(jī)仿真的汽車(chē)與高速公路護(hù)欄碰撞事故的分析與研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2002,29(6):42-47. Huang Hongwu,Liu Zhengheng,Yang Jikuang.Analysis and investigation on car impact with highway barrier based on computer simulation [J].Journal of Hunan University:Natural Science,2002,29 (6):42-47.

[7] JTG/TF 83-01—2004 高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:人民交通出版社,2004. JTG/TF 83-01—2004 The Safety Performance Evaluation Standards of Guardrail on Freeway [S].Beijing:China Communications Press,2004.

Impact of Guardrail Height Variation on Anti-collision Capability

Cui Hongjun, Cui Shan, Xing Xiaogao, Liang Guofeng

(School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Because of pavement overlaying, the guardrail height lowered, which influenced the safety performance of guardrail significantly. LS-DYNA, a kind of finite element (FE) analysis software, was used to carry out the simulated collision test with different heights of waved guardrails. The relationship between guardrail height lowering and security capabilities was analyzed quantitatively. The height threshold value of guardrail crash performance which met the requirement of specifications was determined. Reforming project on the original guardrail of highway along the sea was proposed, and the reforming project was proved to meet the requirement of specifications by computer simulation.

traffic engineering; height of guardrail; collision; simulation model; safety performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.18

2013-09-24；

2014-03-21

河北省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(E2013202228)

崔洪軍(1974—)，男，河北保定人，教授，博士，主要從事道路交通管理科學(xué)與技術(shù)方面的研究。E-mail：cuihj1974@126.com。

U417.1+2

A

1674-0696(2015)01-084-03