吳育謙 劉思源 楊立華 龔帥 閆書明

(1.廣東省南粵交通懷陽高速公路管理中心 廣州510100；2.北京華路安交通科技有限公司 100070)

引言

目前國(guó)內(nèi)使用較多的可開啟移動(dòng)式護(hù)欄基本不具備防撞能力[1]，仿真計(jì)算結(jié)果顯示，建立的小轎車有限元模型能夠直接穿越護(hù)欄[2-4](圖1)。 在公路交通事故調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，這類事故已經(jīng)發(fā)生過很多起，其中不乏大型車輛穿越護(hù)欄后駛?cè)雽?duì)向車道造成嚴(yán)重二次事故的案例(圖2)。 而國(guó)內(nèi)部分相關(guān)研究成果為提升護(hù)欄防撞性，犧牲了結(jié)構(gòu)的開啟移動(dòng)方便性，存在不足。

圖1 小轎車模型穿越護(hù)欄Fig.1 Car crossing barriers

圖2 車輛穿越護(hù)欄導(dǎo)致的二次事故Fig.2 The secondary accidents caused by vehicle crossing barrier

國(guó)外開展防撞護(hù)欄研究相對(duì)較早，開發(fā)出了一批可開啟移動(dòng)式防撞護(hù)欄設(shè)施，并在實(shí)際工程中應(yīng)用，其中典型結(jié)構(gòu)包括組合波形梁開啟移動(dòng)式護(hù)欄和迷你型開啟移動(dòng)式護(hù)欄，如圖3 所示。這兩種活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)均進(jìn)行過實(shí)車碰撞試驗(yàn)檢驗(yàn)，具有一定的安全防撞性能，但前者造價(jià)較高、結(jié)構(gòu)笨重，需要專門的特種車輛輔助移動(dòng)安裝，而后者的碰撞試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)顯示，車輛碰撞過程中護(hù)欄存在較大變形，最大橫向動(dòng)態(tài)變形值達(dá)到了3m 以上，由此可見，國(guó)外這兩種護(hù)欄結(jié)構(gòu)是否適合直接引進(jìn)，還有待進(jìn)一步論證。

圖3 國(guó)外應(yīng)用的可開啟移動(dòng)護(hù)欄Fig.3 The openable and movable barrier abroad

本文提出一種可開啟移動(dòng)式公路防撞護(hù)欄結(jié)構(gòu)，并通過真實(shí)開啟移動(dòng)演示試驗(yàn)和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)對(duì)其開啟移動(dòng)性能、安全防撞性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮護(hù)欄安全性、開啟方便性、經(jīng)濟(jì)性及易維護(hù)性等多方面因素，可開啟移動(dòng)式防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)形式，主要使用三波梁板等標(biāo)準(zhǔn)鋼構(gòu)件，護(hù)欄由框架單元和縱向連接構(gòu)件組合而成。

1.1 框架單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

框架單元為一柱雙板結(jié)構(gòu)形式，采用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度三波板(長(zhǎng)4.32m)，由波形梁板和下部橫梁拼接而成，底部設(shè)置萬向輪，方便移動(dòng)； 波形板采用4mm 厚三波梁板，立柱為φ140 ×6mm型號(hào)，采用插拔式設(shè)計(jì)，方便開啟和移動(dòng)。 如圖4 所示為可開啟移動(dòng)式公路防撞護(hù)欄框架單元節(jié)。

圖4 可開啟移動(dòng)式護(hù)欄單元節(jié)Fig.4 Unit section of openable and movable barrier

1.2 框架縱向連接設(shè)計(jì)

框架之間需要采用合理的縱向連接方式，保證護(hù)欄整體具有良好的防護(hù)能力，以有效減少大車穿越、小車下穿以及碰撞過程中護(hù)欄變形過大的情況發(fā)生。 通過對(duì)現(xiàn)階段波形橫梁存在的縱向連接方式進(jìn)行研究分析，提出同時(shí)滿足安全和開啟功能的縱向連接方案。

現(xiàn)有波形梁可開啟護(hù)欄縱向連接方式主要有銷連接、螺栓拼接和波形板搭接三大類，如圖5所示。 其中螺栓拼接方式和波形板搭接方式都需要扳手?jǐn)Q開螺栓才能開啟，效率較低，開啟時(shí)間較長(zhǎng)； 銷連接方式則只需要拔開銷子即可，方便開啟。 基于以上分析，框架縱向連接采用銷式連接設(shè)計(jì)，如圖6 所示，框架單元端部采用45 號(hào)鋼材質(zhì)的M30 銷子進(jìn)行連接。

圖5 波形梁可開啟護(hù)欄常用縱向連接方式Fig.5 Common longitudinal connection of openable wave barrier

圖6 可開啟移動(dòng)式護(hù)欄框架縱向連接Fig.6 The longitudinal connection of the openable and movable barrier frame

2 護(hù)欄開啟移動(dòng)功能試驗(yàn)

可開啟移動(dòng)式護(hù)欄開啟流程為：提升立柱、旋轉(zhuǎn)立柱、拔出銷子和推出框架單元，如圖7所示。

圖7 開啟流程Fig.7 The barrier opening process

為檢測(cè)護(hù)欄開啟移動(dòng)實(shí)際效果，對(duì)加工完成的實(shí)物護(hù)欄進(jìn)行開啟移動(dòng)演示試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)過程

將加工成的可開啟移動(dòng)式護(hù)欄縱向連接成整體，并調(diào)好線型，然后將護(hù)欄端部進(jìn)行固定處理。 如圖8 所示為即將進(jìn)行開啟試驗(yàn)的護(hù)欄段。

圖8 開啟試驗(yàn)護(hù)欄Fig.8 The test barrier

試驗(yàn)過程由兩名工人協(xié)作進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)開啟和移動(dòng)，且全程進(jìn)行計(jì)時(shí)。 如圖9 所示，工人首先提升、旋轉(zhuǎn)立柱后將其固定(圖9a)，再將連接銷拔出(圖9b)，然后推出護(hù)欄框架結(jié)構(gòu)(圖9c)，最后完成護(hù)欄開啟移動(dòng)(圖9d)。

圖9 試驗(yàn)過程Fig.9 The test process

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

全部開啟移動(dòng)過程，由兩名工人用時(shí)47s 即完成了三節(jié)護(hù)欄(長(zhǎng)度約13m)的開啟，而《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81 -2017)對(duì)這類可開啟移動(dòng)護(hù)欄的開啟要求為：10min 開啟10m 以上[5，6]。 可見護(hù)欄具有較好的開啟移動(dòng)功能，能夠滿足規(guī)范要求和實(shí)際使用需求。

3 護(hù)欄安全防撞功能試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)車輛與試驗(yàn)護(hù)欄

采用總重1.5t 速度100km/h 的小客車、總重10t 速度80km/h 的中型客車、總重18t 速度60km/h的大型貨車三種車型分別以20°碰撞角度對(duì)可開啟移動(dòng)式護(hù)欄進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)[7]，評(píng)價(jià)其安全性。 圖10 為試驗(yàn)車輛，小型客車、中型客車、大型貨車三種試驗(yàn)車輛總成完整，試驗(yàn)車輛的各項(xiàng)系統(tǒng)及所對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)部件的技術(shù)參數(shù)滿足車輛正常行駛的技術(shù)要求[8]； 車輛的各項(xiàng)標(biāo)識(shí)滿足試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的需要[8]； 車輛的結(jié)構(gòu)尺寸、胎壓、質(zhì)量及配重等參數(shù)符合要求。 試驗(yàn)車輛碰撞條件的各項(xiàng)誤差在《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01-2013)規(guī)定范圍內(nèi)，以保證試驗(yàn)車輛各項(xiàng)參數(shù)不影響護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)結(jié)果[9]。

圖10 試驗(yàn)車輛Fig.10 The test vehicle

試驗(yàn)護(hù)欄根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按1∶1 比例進(jìn)行加工制作，完成后運(yùn)送至專門的實(shí)車碰撞試驗(yàn)場(chǎng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)拼裝。 如圖11 所示為碰撞試驗(yàn)用護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

圖11 試驗(yàn)用護(hù)欄結(jié)構(gòu)Fig.11 The structure of test barrier

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

圖12 為車輛碰撞護(hù)欄行駛軌跡，可見車輛碰撞護(hù)欄后順利導(dǎo)出，并恢復(fù)正常運(yùn)行姿態(tài)，車輛沒有穿越、翻越或騎跨試驗(yàn)護(hù)欄； 車輛駛出駛離點(diǎn)規(guī)定范圍內(nèi)沒有越過導(dǎo)向駛出框。 驗(yàn)證了護(hù)欄對(duì)試驗(yàn)車輛攔截、導(dǎo)向效果良好。

圖12 車輛行駛軌跡Fig.12 Vehicle running track

圖13 為小客車碰撞可開啟移動(dòng)式護(hù)欄的乘員碰撞速度曲線，可見乘員碰撞速度的縱向和橫向分量分別為3.5m/s 和6.0m/s，均小于 12m/s； 圖 14為小客車碰撞可開啟移動(dòng)式護(hù)欄的乘員碰撞后加速度曲線，可見乘員碰撞后加速度的縱向和橫向最大值分別為115.5m/s2和163.3m/s2，均小于200m/s2，滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)對(duì)護(hù)欄緩沖指標(biāo)要求，說明試驗(yàn)護(hù)欄具有良好的乘員緩沖保護(hù)性能。

圖13 乘員碰撞速度Fig.13 Occupant impact velocity

圖14 乘員碰撞加速度Fig.14 Occupant ridedown acceleration

小客車碰撞護(hù)欄后前保險(xiǎn)杠及車輛左前大燈有一定程度損壞，車輛左前部存在刮擦損壞現(xiàn)象； 相對(duì)于車輛，護(hù)欄沒有明顯變形，表1 和圖15 所示為小客車碰撞后護(hù)欄和車輛變形參數(shù)及損壞圖。 中型客車碰撞護(hù)欄后，車廂整體變形較小，僅右前門出現(xiàn)部分凹進(jìn)變形現(xiàn)象，但車輛整體主要結(jié)構(gòu)保持完整； 護(hù)欄波形梁板和下部橫梁彎曲變形，插拔立柱有一定彎曲，表1 和圖16所示為中客車碰撞后護(hù)欄和車輛變形參數(shù)及損壞圖。 大貨車碰撞護(hù)欄后，車廂變形較小，僅駕駛室左前方存在輕微凹進(jìn)變形現(xiàn)象； 護(hù)欄波形梁板和底部橫梁彎曲變形，插拔立柱向左側(cè)彎曲，表1和圖17 所示為大貨車碰撞后護(hù)欄和車輛變形參數(shù)及損壞圖。綜合以上結(jié)果，試驗(yàn)護(hù)欄對(duì)車輛起到了良好的攔截、導(dǎo)向和緩沖功能，且護(hù)欄和車輛的變形均符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，護(hù)欄具有較好的安全防撞功能。

表1 護(hù)欄和車輛變形參數(shù)(單位：m)Tab.1 Barrier and vehicle deformation parameter(unit：m)

圖15 小客車碰撞后護(hù)欄及車輛變形Fig.15 The deformation results of barrier and car

圖16 中型客車碰撞后護(hù)欄及車輛變形Fig.16 The deformation results of barrier and bus

圖17 大貨車碰撞后護(hù)欄及車輛變形Fig.17 The deformation results of barrier and truck

4 結(jié)語

本文提出了一種兼具開啟移動(dòng)功能和安全防撞功能的可移動(dòng)式防撞護(hù)欄新結(jié)構(gòu)，護(hù)欄在兩人協(xié)作情況下開啟10m 以上長(zhǎng)度用時(shí)不到1min，可實(shí)現(xiàn)快速開啟移動(dòng)功能； 護(hù)欄對(duì)小型客車、中型客車和大型貨車三種車型均具有良好的攔截功能、導(dǎo)向功能和乘員緩沖保護(hù)功能，各項(xiàng)安全性指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。 可開啟移動(dòng)式防撞護(hù)欄適用于有開啟移動(dòng)和安全防撞要求的公路位置，如公路中央分隔帶開口位置、隧道洞口設(shè)置有配電房或管理站等房屋建筑工作站的路側(cè)或中央分隔帶位置。 該結(jié)構(gòu)在公路上的應(yīng)用，將大大提升相應(yīng)路段安全水平。