新型鋼管預應力索防撞活動護欄研發*

常志宏 楊福宇 劉航 龔帥 亢寒晶

(1.山東高速股份有限公司 濟南250014; 2.北京華路安交通科技有限公司 100070)

引言

中央分隔帶開口護欄(以下簡稱活動護欄)在正常情況下要求具有一定的防撞和隔離性能, 在臨時開啟放行時應能快速、方便地移動[1]。2018年我國最新實施的行業標準《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2017)中規定: 高速公路中央分隔帶開口護欄不得低于三(Am)級。目前國內采用的活動護欄大多僅滿足方便開啟, 但是不防撞或防撞等級偏低; 還有小部分特殊路開口段設置混凝土護欄或者與地面錨固的鋼結構, 幾乎喪失了移動和開啟的使用功能[2-4], 事故發生后需要開啟時, 給車輛通行或救援增加了很大難度。

本文提出一種新型鋼管預應力索防撞活動護欄, 在滿足高速公路基本防護能力的基礎上, 可實現靈活移動、方便開啟的使用效果, 并根據相關標準要求, 采用計算機有限元仿真模擬計算和實車足尺碰撞試驗兩種技術手段[5], 對護欄各項安全性能指標進行分析和驗證。

1 新型鋼管預應力索防撞活動護欄結構

新型鋼管預應力索防撞活動護欄設計防護等級為三(Am)級, 主要由標準段框架結構、單元連接構件以及端部結構組成。

1.1 標準段框架結構

圖1 為活動護欄標準段框架, 主要由橫梁鋼管、連接框架、鋼絞線、錨具、支撐柱及萬向輪等部件組成, 橫梁鋼管內穿入鋼絞線并在兩端采用錨具施加一定預應力; 每節設置三層兩排共6根橫梁鋼管, 每根橫梁的高度均結合車輛碰撞過程進行確定, 每根橫梁均通過連接框架錨固成整體, 使其能夠協同受力; 連接框架設計為類“目”字通透形, 具有較高的整體性和強度, 彎管結構可以防止車輛碰撞時發生絆阻; 連接框架底部設置支撐柱及萬向輪, 在保證車輛碰撞時高度的同時方便護欄靈活移動, 每套活動護欄中由若干標準段框架組裝成中間段。

圖1 標準段框架結構Fig.1 Frame structure of standard segment

1.2 單元連接構件

單元連接構件設置在每節標準段框架之間,是保證護欄整體協同受力的關鍵。圖2 為本設計結構單元連接構件, 其主要由U 形連接外套、U形連接內套組成, 兩側構件通過通孔和連接銷實現連接, 并通過錨墊蓋環、錨墊板及錨具固定在橫梁鋼管兩端, 通過圓孔套連設計可實現360°旋轉, 能夠很好地適用于直道和彎道線形路段。

圖2 連接結構Fig.2 Connection structure

1.3 端部結構

端部是新型鋼管預應力索防撞活動護欄的重要結構, 起到錨固活動護欄中間段、合理過渡活動護欄中間段到中分帶護欄的作用, 活動護欄端部結構由端部框架、端部可調節連接桿、過渡板及端部基礎組成, 見圖3。

圖3 端部結構Fig.3 Terminal structure

1.端部框架

端部框架是與路面錨固的唯一受力構件, 可實現對活動護欄標準段的有效錨固和自身結構的協調, 主要由鋼管桁架及法蘭板組成, 采用5 根立柱成三排排列, 靠近中間段的第一排立柱為1根, 后兩排分別為2 根, 立柱之間焊接導向管和鋼管橫梁, 以實現對碰撞端部的車輛進行導向并使框架整體協調受力, 底部通過法蘭板與路面鋼筋混凝土基礎內預埋螺栓連接錨固。

2.端部可調節連接桿

端部可調節連接桿使活動護欄中間段與端部框架連接, 構件主體是兩端設有螺紋的長螺桿,并將其插入端部框架上縱向設置的導向管內, 預緊裝置設置在端部連接構件處, 長螺桿、螺母和端部框架的配合使護欄具有長度適應性, 實現活動護欄長度約1m 的調節, 很大程度提升了護欄的安裝適用性。

3.過渡板

活動護欄端部框架兩側采用三波板作為過渡板, 并通過過渡板實現活動護欄到中分帶護欄的過渡, 三波形板形式可滿足絕大部分的過渡結構形式。

4.端部基礎

端部基礎通過法蘭板錨固端部框架, 錨固螺栓可以通過預埋或植筋兩種形式, 達到較好的錨固效果, 同時損壞更換施工簡便, 利于后期養護維修。

2 碰撞條件和評價指標

活動護欄關閉時應具備相應的隔離和防撞能力, 防止車輛闖入對向行車道。參照有關標準規定[1,6], Am 防撞等級碰撞條件如表1 所示, 碰撞點位置包括護欄中點處和距終點2m 處。

表1 碰撞條件[6]Tab.1 Impact conditions[6]

活動護欄的評價指標主要包括: 能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨, 且試驗護欄構件及脫離件不得侵入車輛乘員艙; 碰撞后車輛能夠平穩駛出(不得翻車), 車輛駛離軌跡不得超出標準規定的導向駛出框范圍; 乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12m/s; 乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200m/s2[6,7]。

3 有限元仿真計算和實車碰撞試驗

3.1 模型建立和試驗準備

按照表1 碰撞條件, 按1∶1 實際尺寸分別建立小客車、中型客車、中型貨車撞擊護欄中點處和距終點2m 處兩個碰撞點的碰撞模型[8], 如圖4 所示。由于車輛和護欄結構大多為金屬板殼, 故碰撞模型以四邊形二維殼單元為主進行建模, 并控制三角形殼單元不超過模型中單元總數的5%; 連接螺栓及預應力索采用一維單元模擬;車輛與護欄發生相互撞擊的部分采用基于懲罰函數法的接觸方式處理[9,10]。

圖4 碰撞模型Fig.4 Impact models

按照表1 碰撞條件, 根據設計圖建造試驗護欄, 并準備試驗車輛, 對活動護欄中點處和距終點2m 處兩個碰撞點進行安全性能評價, 如圖5所示。小客車、中型客車、中型貨車分別配載至1.5t、10t 和10t, 車輛總質量、整備質量和重心位置符合現行標準要求, 試驗車輛的內外進行清潔處理, 頂部與側面根據圖像數據采集需要設置明顯清晰的基準線和基準點標識[6]。

圖5 試驗車輛Fig.5 The test vehicle

3.2 仿真與試驗結果

1.碰撞中點處

仿真計算結果和碰撞試驗結果均表明: 護欄防護性能滿足要求; 車輛沒有在標準段試驗區發生絆阻、騎越和穿越護欄現象, 如表2 所示為護欄變形及車輛外傾數據; 碰撞后車輛駛離軌跡沒有超出導向駛出框范圍, 如圖6 所示為三種車型碰撞護欄中點處運動軌跡。根據實車碰撞試驗結果顯示, 小客車乘員碰撞速度橫向分量較大, 為4.3m/s(小于12m/s), 乘員碰撞后加速度橫向分量亦大于縱向分量, 其最大值為139.1m/s2(小于200m/s2), 緩沖功能良好, 如圖7 所示為小型客車碰撞護欄中點處乘員碰撞后加速度橫向分量曲線。

表2 護欄變形及車輛外傾數據(單位: m)Tab.2 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

圖6 車輛行駛軌跡Fig.6 The vehicle trail

圖7 小型客車乘員碰撞后加速度橫向分量曲線Fig.7 Acceleration curves of the car

根據碰撞護欄中點處的實車試驗結果, 碰撞后三種試驗車輛車身均刮蹭變形, 制動系統均完好, 車輛內部座椅無損壞, 車門都能自由打開,車輛整體主要結構保持完整, 其中貨車車前風擋玻璃脫落, 車輛出現二次碰撞情況。如圖8 所示為碰撞后車輛變形損壞情況。

圖8 碰撞后車輛變形Fig.8 The deformation results of vehicle

2.碰撞距終點2m 處

仿真計算結果和碰撞試驗結果均表明: 護欄防護性能滿足要求; 車輛沒有在端部試驗區發生絆阻、騎跨和穿越護欄現象, 如表3 所示為護欄變形及車輛外傾數據; 碰撞后車輛平穩駛出, 如圖9 所示為三種車型碰撞護欄后運動軌跡, 未超出導向駛出框范圍。根據實車碰撞試驗結果顯示, 小客車乘員碰撞速度橫向分量較大, 為6m/s(小于12m/s), 乘員碰撞后加速度縱向分量大于橫向分量, 其最大值為119.3m/s2(小于200m/s2), 緩沖功能良好, 如圖10 所示為小型客車碰撞護欄距終點2m 處乘員碰撞后加速度縱向分量曲線。

表3 護欄變形及車輛外傾數據(單位: m)Tab.3 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

圖9 車輛行駛軌跡Fig.9 Vehicle running track

根據碰撞護欄距終點2m 處的實車試驗結果, 碰撞后三種試驗車輛制動系統均完好, 車輛內部座椅均無損壞, 車門都能自由打開, 其中小型客車碰撞側前、后輪胎均爆胎, 中型貨車碰撞側前輪胎爆胎。如圖11 所示為碰撞后車輛變形損壞情況。

圖10 小型客車乘員碰撞后加速度縱向分量曲線Fig.10 Acceleration curves of the car

圖11 碰撞后車輛變形Fig.11 The deformation results of vehicle

4 新型鋼管預應力索活動護欄實際使用效果

新型鋼管預應力索防撞活動護欄已在國內多地區高速公路上應用(圖12)。實踐表明, 活動護欄閉合時具有可靠的安全防護性能, 成功攔截了多次事故車輛, 應用路段交通事故率和財產損失率均有大幅度下降; 活動護欄開啟時具有操作方便、移動靈活的功能, 2 人即可實現快速開啟和移動, 如圖13 所示, 通過旋擰端部預緊構件使整體預緊力松弛, 再逐個拆除標準段框架間連接銷, 向后退入兩側U 形套件至互不干涉, 最后通過底部萬向輪側向推開, 實現完全開啟, 滿足車輛應急通行。

圖12 新型鋼管預應力索防撞活動護欄Fig.12 New crashworthy movable barrier with pretension strand in steel tube

圖13 活動護欄使用效果Fig.13 Applying effect of the movable barrier

5 結語

新型鋼管預應力索防撞活動護欄兼具安全防撞、方便安裝、防盜、易開啟和移動的使用功能, 其安全性能通過了三種車型、兩個碰撞點共六次實車足尺碰撞試驗驗證, 防護能力滿足評價標準Am 級要求(防護能量≥160kJ), 可滿足實際工程的使用需求, 將對高速公路中央分隔帶開口位置形成有效防護。