搭接式波形板活動護欄安全性能分析

滕玉祿

(北京市高速公路交通工程有限公司 101102)

引言

高速公路對向車道交通應采用護欄完全封閉隔離, 正常運營期間普通車輛只能單向行駛, 為方便特種車輛掉頭和單側道路施工封閉時臨時開啟放行[1,2], 高速公路中分帶開口處須設置具有安全防護能力和便于開啟的活動護欄。

截至2018年, 高速公路絕大多數采用已廢止《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2006)標準中推薦的插拔式活動護欄和伸縮式活動護欄, 在實踐應用中, 發現這兩種活動護欄僅具備誘導和隔離功能, 失控車輛碰撞易對車輛和司乘人員造成嚴重損害, 甚至車輛穿越或翻越活動護欄造成二次惡性事故, 安全防護能力嚴重不足。

為增強高速公路安全服務運營水平, 國內研究人員已對Am 級(防護能量≥160kJ)活動護欄進行相應研究, 其僅適用于防護等級較低的道路。為進一步提升中分帶開口處活動護欄安全防護能力, 以現行交通安全設施規范為基礎, 提出一種搭接式波形板活動護欄結構方案, 其防護等級為SBm(防護能量≥280kJ), 在滿足可快速開啟和移動的使用功能條件下, 通過模擬仿真分析和實車足尺碰撞試驗評價對其各項安全性能評價指標進行驗證。

1 安全性能評價要求

根據《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)中活動護欄安全性能評價要求, 須采用小型客車、大客車、大型貨車三種車型分別對活動護欄的中部和端部兩個碰撞點進行六次碰撞試驗[3],碰撞試驗位置和條件如圖1 和表1 所示。碰撞評價指標: 阻擋功能, 緩沖功能, 導向功能。

圖1 活動護欄碰撞位置Fig.1 Collision position of movable barriers

表1 SBm 級活動護欄試驗條件Tab.1 Test conditions for SBm level movable barriers

2 結構方案設計

國內大部分高速公路中分帶標準段護欄為波形梁護欄, 采用波形板作為活動護欄構架可與標準段護欄保持一致, 具有較好的視線誘導效果; 《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)中高速公路SBm 級波形梁護欄均采用三波板, 為了更好地與標準段護欄過渡連接, 活動護欄兩側采用4mm 三波形梁板, 中間焊接多個橫向支撐, 有效將兩側波形梁板連接一起, 使兩側波形梁板在碰撞過程中協同受力, 兩個三波板下方均設置槽鋼橫梁,防止小型客車碰撞時下穿活動護欄, 活動護欄單元框架下方設置萬向輪, 可進行快速移動, 活動護欄框架單元形式如圖2 所示。

活動護欄由多節框架單元組裝而成, 兩節活動護欄框架單元采用插拔式立柱和連接構件連接在一起, 如圖3 所示, 同時活動護欄框架之間采用波形梁板搭接式, 避免了失控車輛碰撞過程中兩節活動框架單元產生斷裂開口刮蹭車體, 甚至護欄板插入車體的事故。

圖2 活動護欄框架單元Fig.2 Movable barriers frame unit

圖3 活動護欄框架單元搭接Fig.3 Movable barriers frame unit overlapping

3 計算機模擬仿真碰撞分析

按表1 中試驗條件, 結合實際尺寸建立三種車輛模型, 依據車輛的材料屬性, 采用Cowper-Symons 模型來確定材料的應變率。根據評價規范確定小型車輪胎胎壓為0.3MPa, 大型車胎壓為0.8MPa。基于懲罰函數法的Automatic_Single_Surface 接觸類型解決邊界非線性問題[4]。

采用經實車碰撞試驗驗證的高精度有限元分析軟件LS-DYNA 仿真模型對搭接式波形板活動護欄進行仿真碰撞分析[5], 通過計算機仿真分析, 各種車輛均可順利導出, 形態見圖4 和圖5,未發生穿越和翻車等不滿足安全指標的狀況。

圖4 車輛碰撞護欄中部試驗仿真Fig.4 Experimental simulation of vehicle impact on middle part of barriers

圖5 車輛碰撞護欄端部試驗仿真Fig.5 Experimental simulation of vehicle impact on end part of barriers

通過計算機模擬仿真分析, 6 輛車輛仿真碰撞護欄各項安全性能評價指標均滿足評價標準的要求, 但計算機存在一定人為設定因素, 具有一定誤差與局限性, 世界各國均要求公路護欄通過實車足尺碰撞試驗驗證方可應用在實際道路中[6]。

4 實車足尺碰撞試驗驗證

搭接式波形板活動護欄按計算機仿真結果優化后1∶1 比例進行加工制作, 按高速公路一般長度設置40m 試驗樣品安裝在碰撞廣場上, 并在兩側設置標準段波形梁護欄錨固[7]。

4.1 小型客車試驗結果

小型客車碰撞活動護欄中部和端部行駛軌跡見圖6, 可見小型客車碰撞護欄后平穩駛出, 并恢復到正常行駛姿態, 護欄導向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護欄, 護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖6 小型客車碰撞活動護欄Fig.6 Passenger car impact on barriers

小型客車碰撞活動護欄中部和端部緩沖性能評價如表2 所示, 可見乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m/s, 乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m/s2, 滿足評價指標要求。

表2 小型客車碰撞試驗緩沖性能Tab.2 Buffering performance of passenger car collision

4.2 大型客車碰撞試驗結果

大型客車碰撞活動護欄中部和端部行駛軌跡分別見圖7, 可見大型客車碰撞護欄后平穩駛出,并恢復到正常行駛姿態, 護欄導向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護欄, 護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖7 大型客車碰撞護欄Fig.7 Bus impact on barriers

4.3 大型貨車碰撞試驗結果

大型貨車碰撞活動護欄中部和端部行駛軌跡見圖8, 可見大型貨車碰撞護欄后平穩駛出, 并恢復到正常行駛姿態, 護欄導向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護欄, 護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖8 大型貨車碰撞護欄Fig.8 Single-unit truck impact on barriers

根據三種車型對活動護欄兩個碰撞點共計六次實車足尺碰撞試驗檢測結果可知, 各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)的要求, 搭接式波形板活動護欄安全性能滿足SBm 級防護等級要求。

5 結語

針對高速公路中分帶開口處需求, 結合高速公路中分帶護欄應用情況, 采用計算機模擬仿真分析和實車足尺碰撞試驗驗證, 開發了一種搭接式波形梁護欄, 其兩節框架單元采用波形梁板搭接結構, 有效防止活動護欄框架單元斷裂開口對失控車輛和人員損害。搭接式波形板活動護欄各項安全性能評價指標滿足規范中SBm 級(防護能量≥280kJ)的要求, 可有效提升高速公路安全防護水平, 同時搭接式波形梁護欄具備快速開啟和移動功能, 滿足運營管理人員使用要求。