杜 鵬

0 引言

護(hù)欄是道路安全設(shè)施的重要組成部分,對(duì)防止行車事故起著重要作用,它可以吸收部分汽車撞擊能量,減小汽車碰撞減速度峰值。合理設(shè)置護(hù)欄不但可以減少交通事故,降低事故的嚴(yán)重程度,還可以誘導(dǎo)行車視線,使司乘人員感到舒適,從而降低他們的疲勞程度,保障行車安全。

1 護(hù)欄的形式與性能

1.1 按設(shè)置位置分類

根據(jù)設(shè)置位置不同,護(hù)欄可分為路側(cè)護(hù)欄和中央分隔帶護(hù)欄。路側(cè)護(hù)欄設(shè)置在公路路肩上,目的是防止失控車輛越出路外,避免碰撞路邊其他設(shè)施。中央分隔帶設(shè)置于公路中央分隔帶內(nèi),防止車輛穿越中央分隔帶闖入對(duì)向車道并保護(hù)分隔帶內(nèi)的構(gòu)造物。

1.2 按力學(xué)特性分類

按力學(xué)特性,護(hù)欄可分為柔性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄及剛性護(hù)欄。柔性護(hù)欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護(hù)欄結(jié)構(gòu),主要代表形式有纜索護(hù)欄,受撞時(shí)依靠立柱的變形和纜索的拉應(yīng)力來吸收汽車能量,這種護(hù)欄形式美觀,行車時(shí)沒有壓迫感,但視線誘導(dǎo)效果差。剛性護(hù)欄是一種基本不變形的護(hù)欄結(jié)構(gòu),一般指的是水泥混凝土護(hù)欄,它依靠汽車前輪爬高或轉(zhuǎn)向來吸收碰撞能量。半剛性護(hù)欄一般是連續(xù)的梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu),依靠護(hù)欄的彎曲變形和張拉力來抵抗車輛的碰撞,具有一定的剛度和韌性,通過橫梁的變形吸收沖撞能量,其損壞部件容易更換,具有一定的視線誘導(dǎo)作用,能與道路線形相協(xié)調(diào),外形美觀。

2 護(hù)欄的防撞原理

汽車與護(hù)欄相撞過程一般可分解為四個(gè)階段:車頭角位碰撞、側(cè)面擦過護(hù)欄、車尾角位碰撞、車輛返回車道。但各種護(hù)欄在具體作用機(jī)理上又有不同。當(dāng)汽車與剛性護(hù)欄相撞時(shí),首先保險(xiǎn)杠與護(hù)欄上坡面接觸受力變形,上坡面對(duì)汽車產(chǎn)生提升力。接著懸架與護(hù)欄下坡面接觸,下坡面也對(duì)汽車產(chǎn)生提升力,汽車沿坡面向上爬升,減小部分動(dòng)能,從而減小碰撞劇烈程度。對(duì)于柔性半剛性護(hù)欄則主要依靠立柱、護(hù)欄板(纜索)的變形來吸收碰撞能。波形梁半剛性護(hù)欄對(duì)失控車輛具有良好的導(dǎo)向和保護(hù)性能,并且安裝方便,施工費(fèi)用低。

3 汽車與護(hù)欄碰撞的仿真分析

護(hù)欄的設(shè)計(jì)條件(或碰撞條件)的確定主要考慮標(biāo)準(zhǔn)車型、車輛質(zhì)量、碰撞速度、碰撞角度、道路條件、交通特性、事故成本等因素。由于半剛性和柔性護(hù)欄的撞擊過程是典型的大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)、大應(yīng)變,且具有未知接觸約束的顯著非線性問題,一般采用動(dòng)態(tài)顯式有限元方法進(jìn)行仿真分析,這種方法能夠?qū)⑽锢砜臻g的無限自由度問題轉(zhuǎn)化為有限自由度問題,它利用接觸算法處理物體之間的接觸,通過顯式時(shí)間積分求解大變形動(dòng)力響應(yīng),特別適合解決大變形、大轉(zhuǎn)角、大應(yīng)變問題。申杰[3]曾以最常見的高速公路波形梁鋼護(hù)欄為研究對(duì)象,建立詳細(xì)的三維有限元模型,運(yùn)用非線性顯式有限元算法,計(jì)算在汽車碰撞下的動(dòng)力特性。該有限元模型總共包括 4段護(hù)欄,每段護(hù)欄包括波形梁板、防阻塊、立柱,相鄰兩段立柱的中心距離為 4m(見圖1),具體細(xì)節(jié)參考 JTG D 81-2006公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范。

針對(duì)護(hù)欄通常長(zhǎng)達(dá)數(shù)千米的情況,對(duì)未予以建模的部分,參考Tabiei[2]提出的邊界條件確定方法來等效模擬未予以建模的部分護(hù)欄。另外,還考慮立柱周圍土壤與立柱之間的相互作用,用面面接觸模擬土壤與立柱的相互作用。在實(shí)際的碰撞事故中,由于碰撞角通常較小,汽車會(huì)出現(xiàn)比較明顯的滑動(dòng),因此模擬了碰撞角30°、車速 50km/h時(shí)的碰撞過程,考察車輛沿護(hù)欄切向滑動(dòng)的影響。

4 護(hù)欄的設(shè)置技術(shù)

4.1 目標(biāo)功能

安全護(hù)欄需要進(jìn)行正確的設(shè)計(jì)才可以實(shí)現(xiàn)以下功能:1)阻絆車輛,防止車輛越出路外,保護(hù)路外建筑物的安全,確保行人不致受到重大傷害,確保與其相交道路、鐵路的安全,阻止失控車輛穿越中央分隔帶闖入對(duì)向車道。2)能使車輛回復(fù)到正常行駛方向。使車輛碰撞護(hù)欄的運(yùn)動(dòng)軌跡圓滑過渡,以較小的駛離角和較小的回彈量停留在不影響車輛正常行駛的地方,不致發(fā)生二次事故。3)為保證一旦失控車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí),對(duì)駕駛員和乘客的損傷最小,要求護(hù)欄具有良好的吸收碰撞能量的功能。4)能誘導(dǎo)駕駛員的視線,能清晰看到道路的輪廓及前進(jìn)方向的線形,增加行車的安全性,使道路更加美觀。5)制造、安裝、維修的經(jīng)濟(jì)性。目前主要依據(jù)道路條件、標(biāo)準(zhǔn)車型與車輛的質(zhì)量、交通特性等幾點(diǎn)來確定護(hù)欄設(shè)計(jì)條件。

4.2 設(shè)計(jì)條件

不同國(guó)家在選擇和決定護(hù)欄的設(shè)計(jì)原則時(shí),都要結(jié)合本國(guó)的道路交通條件,在滿足護(hù)欄基本功能的前提下,決定設(shè)計(jì)目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)。設(shè)置于公路路基上的護(hù)欄,按防撞等級(jí)劃分,路側(cè)護(hù)欄有 A,S兩級(jí),中央分隔帶護(hù)欄有Am,Sm兩級(jí),每一種防撞等級(jí)的護(hù)欄所適用的公路等級(jí)及其設(shè)計(jì)條件見表1。

設(shè)置于橋梁上的護(hù)欄按防撞等級(jí)劃分為PL1,PL2,PL3三級(jí),每一防撞等級(jí)的護(hù)欄應(yīng)避免在相應(yīng)設(shè)計(jì)條件下的失控車輛越出,其防撞等級(jí)及相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件見表2。

表1 路基護(hù)欄設(shè)計(jì)條件

表2 橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)條件

護(hù)欄作為公路上的基本安全設(shè)施,對(duì)公路上的交通安全起著積極的作用,但同時(shí),護(hù)欄本身也是一種障礙物,它的設(shè)置也是有條件的,通常是以設(shè)置護(hù)欄和不用設(shè)置護(hù)欄保護(hù)的相對(duì)危險(xiǎn)性比較后做出判斷的。只有正確的設(shè)計(jì),才能實(shí)現(xiàn)護(hù)欄的功能和目標(biāo)。

4.3 護(hù)欄的設(shè)置原則

1)路側(cè)護(hù)欄的設(shè)置原則。路側(cè)護(hù)欄主要分為路堤護(hù)欄和障礙物護(hù)欄兩種。路側(cè)護(hù)欄的最小設(shè)置長(zhǎng)度為 70m,兩段護(hù)欄之間相距小于 100m時(shí),宜在該兩路段之間連續(xù)設(shè)置。夾在兩填方路段之間長(zhǎng)度小于 100m的挖方路段,應(yīng)和兩端填方路段的護(hù)欄相連續(xù)。在需要設(shè)置路側(cè)護(hù)欄的路段,大、中橋側(cè)采用鋼筋混凝土組合式護(hù)欄,在土路基段及小橋、通道、涵洞上采用波形梁鋼板護(hù)欄。一般路側(cè)護(hù)欄在土路基段采用普通型鋼板護(hù)欄,立柱間距為4.0m,在小橋、通道及設(shè)有擋土墻的路段采用加強(qiáng)型鋼板護(hù)欄,立柱間距 2.0m。路側(cè)護(hù)欄立柱采用 φ140×4.5鋼管,橫梁為310mm×85mm×3mm變截面波形梁,護(hù)欄高度一般采用 60cm,當(dāng)護(hù)欄立柱位于構(gòu)造物上時(shí),立柱應(yīng)采用迫緊器連接。2)中央分隔帶護(hù)欄的設(shè)置原則。高速公路、汽車專用一級(jí)公路均應(yīng)設(shè)置中央分隔帶護(hù)欄,當(dāng)中央分隔帶寬度大于 10m時(shí),可不設(shè)護(hù)欄。在路基采用分離式斷面時(shí),靠中央分隔帶一側(cè)按路側(cè)設(shè)置護(hù)欄,上、下行路基高差大于 2.0m時(shí),可只在路基較高一側(cè)設(shè)置。中央分隔帶護(hù)欄全部采用波形梁鋼板護(hù)欄,構(gòu)造上有分設(shè)型和組合型兩種。分設(shè)型護(hù)欄適合于中央分隔帶相對(duì)較寬,中央帶內(nèi)的構(gòu)造物較多,并在中央分隔帶下埋有管線的路段;組合型護(hù)欄適用于中央分隔帶寬度較窄,中央帶內(nèi)構(gòu)造物不多或埋設(shè)管線較少的路段。一般中央分隔帶護(hù)欄在土路基段采用普通型,立柱間距為4.0m,在有構(gòu)造物的路段采用加強(qiáng)型,立柱間距 2.0m。中央分隔帶護(hù)欄立柱為 φ114×4.5鋼管,橫梁為 310mm×85mm×3mm變截面波形梁,護(hù)欄高度一般采用 60cm。在中央分隔帶開口處設(shè)置活動(dòng)護(hù)欄。3)橋梁護(hù)欄的設(shè)置原則。a.高速公路、一級(jí)公路的特大橋,大橋、中橋均應(yīng)設(shè)置橋梁護(hù)欄。b.高速公路、一級(jí)公路的小橋、通道應(yīng)設(shè)置與路基上相同形式的護(hù)欄。c.一級(jí)公路的特大橋,大橋應(yīng)設(shè)置橋梁護(hù)欄。

5 結(jié)語

護(hù)欄對(duì)交通安全具有十分重要的意義,隨著我國(guó)高等級(jí)公路不斷向山嶺重丘區(qū)延伸,許多山區(qū)公路穿行于陡崖峭壁、深溝大壑之間,設(shè)置安全、有效的護(hù)欄就成了一個(gè)亟待解決的課題,如新結(jié)構(gòu)、新材料的研發(fā),適應(yīng)大型重車護(hù)欄的開發(fā),橋梁護(hù)欄過渡段形式和結(jié)構(gòu)的研究開發(fā),護(hù)欄端頭的結(jié)構(gòu)形式,防撞墊的研究開發(fā)等。

[1] 舒 翔,張曉晴,黃小清,等.高速公路護(hù)欄系統(tǒng)的有限元優(yōu)化分析[J].公路交通科技,2006(5):8-11.

[2] 謝玉洪,雷正保,李海俠,等.高速公路防撞護(hù)欄的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì),2003(12):21-22.

[3] 申 杰,金先龍,陳建國(guó).汽車碰撞護(hù)欄事故再現(xiàn)方法[J].振動(dòng)與沖擊,2007(5):34-37.

[4] JTG D81-2006,公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].