公路中分帶障礙物防護低變形量護欄研究

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.貴州泓陽交通建設工程有限責任公司 貴陽 550022)

在公路建設中，機電、交安門架立柱和上跨公路的橋梁墩柱一般會設置在公路中分帶內，即在公路中分帶內部形成障礙物。一旦發生失控車輛碰撞護欄產生側傾或穿越護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營中斷，更有甚者會引起橋梁、機電、交安門架主體的垮塌二次惡性事故，經濟損失巨大，進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障礙物的概率，本文以三波梁護欄結構[1-2]為基礎結構，提出一種公路中分帶障礙物防護低變形量護欄，并根據JTG B05-01-2013 《公路護欄安全性能評價標準》(以下簡稱《標準》)的規定，利用計算機模擬仿真和實車足尺碰撞試驗等技術，對護欄導向功能、緩沖功能與阻擋功能[3]進行分析、優化和驗證。

1 低變形量護欄結構

1.1 材料選擇

對常用的柔性纜索護欄、半剛性鋼結構護欄和剛性混凝土護欄3種護欄結構形式進行對比分析，認為半剛性鋼結構護欄結構：①具備一定剛性，可通過合理的結構設計達到較高安全防護等級；②具備一定柔性，大型車輛在碰撞時會產生一定變形，吸收一部分能量;③可進行較高護欄的設置而護欄寬度不受影響。因此可以達到較高的安全防護等級，宜作為公路中分帶障礙物防護低變形量護欄結構。

1.2 結構方案

國內大部分高速公路中分帶標準段護欄為波形梁護欄，采用波形梁板作為公路中分帶障礙物防護低變形量護欄的主要構件可與標準段護欄保持一致[4]，具有較好的視線誘導效果，同時可與中分帶標準段波形梁護欄方便、有效地連接，合理漸變剛度[5]，保證公路中分帶障礙物防護低變形量護欄整體結構的錨固力。

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

圖1 護欄圖

防側傾上橫梁頂部高度根據大型碰撞車輛重心而確定，在其端部向下彎折與防側傾下橫梁通過法蘭連接，保證上橫梁端部錨固力。防側傾下橫梁在端部先向內側彎折后，通過套筒連接件與立柱進行連接錨固，以保證防側傾上橫梁、防側傾下橫梁的抗側傾能力。防絆阻橫梁端部與中分帶標準段護欄立柱相連接，提升防絆阻橫梁的抗彎折強度，有效地將碰撞車輛車輪導正，降低車輪碰撞立柱的風險。

護欄兩側的加高立柱之間設置橫向支撐梁，通過將單側車輛碰撞力通過橫向支撐梁傳導至另一側加高立柱的頂部與底部，使得兩側護欄協同受力，提升整體護欄安全防護能力，護欄受力方式見圖2。

圖2 護欄受力方式

2 護欄安全評價指標

《標準》是國內驗證新型護欄是否可以在公路上應用的唯一標準，由于失控車輛碰撞護欄的角度、速度和形態各異，綜合最不利因素，同時考慮經濟性等原則，標準對碰撞位置、角度和速度等條件進行明確規定。

為了更好地保護司乘人員安全和中分帶內障礙物，根據《標準》中護欄安全性能評價要求，新型護欄結構須通過小型客車、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

護欄安全評價指標：應能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，試驗護欄構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，車輛駛出駛離點后的輪跡不得越出導向駛出框的直線。

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計

按表1中試驗條件和圖3的碰撞位置，結合實際尺寸建立3種車輛模型和護欄模型，根據車輛和護欄的金屬材料特性，碰撞仿真以二維殼單元進行建模，并保證四邊形殼單元大于等于模型單元總數的95%。根據評價標準設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。在試驗場地內設置公路中分帶障礙物防護低變形量護欄，中分帶護攔外側寬2 m，單側長18 m(中分帶雙側共計36 m)，同時考慮護攔兩側錨固能力[6-7]和導向性能，按要求需在單側護攔碰撞行車方向上游端采用打樁安裝12 m 三波梁標準段護欄，下游端安裝24 m 三波梁標準段護欄，則單側試驗護攔總長度為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果

經計算機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低變形量護欄行駛軌跡見圖6。由圖6可見，車輛碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態，車輛駛出駛離點后的輪跡未越出導向駛出框的直線。車輛沒有穿越、翻越和騎跨護欄，滿足評價指標要求。

圖6 試驗車輛行駛軌跡

試驗表明在車輛碰撞護欄后，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，車體左側有刮痕，轉向系統良好，車門均能自由開啟，其中大客車前擋風玻璃破裂。試驗車輛在碰撞護欄后車廂內部空間沒有受到嚴重擠壓，護欄構件及脫離構件未侵入車體內部，可以保證車內乘員的安全。

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(標準段)

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，滿足評價指標要求，因此該護欄安全性能滿足SA級防護等級要求。

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

圖7 車輛最大動態外傾值

3.3 模擬仿真與試驗數據對比

基于LS-DYNA有限元軟件建立的3種車輛碰撞護欄計算機仿真模型，通過采用數百次實車碰撞試驗數據對仿真模型各項性能參數進行校核，驗證仿真模型的準確性。 一般而言，高精度計算機仿真模型一般數據誤差值不大于15%即為可靠。

模擬仿真與足尺試驗數據結果見表3。

表3 模擬仿真與足尺試驗數據對比表

由表3分析結果可知，兩者的測試結果基本一致，誤差值最大值為8.7%，計算機模擬仿真具有較高的可靠性，可充分反映護欄結構的各項評價項目數據指標，

4 過渡連接位置安全分析

由于公路中分帶障礙物防護低變形量護欄安全防護等級為SA級(防護能量≥400 kJ)，中分帶標準段護欄防護等級為SB級(防護能量≥280 kJ),兩者之間防護等級不同，按要求其過渡連接位置防護等級不小于相鄰護欄最低防護等級，即過渡連接位置防護等級應為SB級。為進一步驗證過渡連接位置的安全可靠性，采用經驗證的計算機模擬仿真模型與技術參數進行仿真分析，根據標準要求，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，車輛碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態，沒有穿越、翻越和騎跨護欄，滿足評價指標要求。

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，均滿足評價指標要求，因此該護欄安全性能滿足SB級防護等級要求。

5 結語

實車足尺碰撞試驗檢測表明結果，公路中分帶障礙物防護低變形量護欄各項指標均滿足JTG B05-01-2013《標準》中SA級(防護能量≥400 kJ)的要求。大型車輛碰撞中大貨車最大動態外傾值VI為0.4 m，最大動態外傾當量值VIn為0.45 m，可較好地保護車輛司乘人員及公路中分帶內障礙物結構。同時，經計算機模擬仿真分析，公路中分帶障礙物防護低變形量護欄與標準段護欄過渡連接位置安全防護性能可靠，滿足實際工程需求。

目前該結構護欄已在京哈擴建工程、京雄高速公路、北京東六環改建工程中應用，尚未發生失控車輛碰撞中分帶內障礙物引發的惡性事故，防護效果安全可靠，下一步將以首都道路為示范點，向全國范圍高速公路推廣應用，其廣泛應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損害，促進交通事業的和諧發展。