劉 航,龔 帥,劉思源,鄧 寶,王 新,閆書明,

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

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年國內(nèi)高速公路總里程達(dá)到了4.1萬 km，在這部分高速公路上安裝的波形梁護(hù)欄大多是根據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 074-94)(已廢止，簡稱“94版規(guī)范”)進(jìn)行設(shè)置，其中主要應(yīng)用的波形梁護(hù)欄如圖1(a)所示[1]。到2017年國內(nèi)高速公路總里程達(dá)到了13.1萬km，新增加約9萬km，在這部分高速公路上安裝的波形梁護(hù)欄是根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81-2006)(已廢止，簡稱“06版規(guī)范”)進(jìn)行設(shè)置，其中主要應(yīng)用的波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示[2]?？梢钥闯瞿壳拔覈蟛糠指咚俟菲毡槭褂玫牟ㄐ瘟鹤o(hù)欄為A級雙波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

(a) 按“94年版規(guī)范”建的護(hù)欄

(b) 按“2006年版規(guī)范”建的護(hù)欄

A級雙波梁護(hù)欄在較長一段時(shí)期為保障高速公路的安全運(yùn)營發(fā)揮了重要作用[3]，但隨著我國公路網(wǎng)絡(luò)化的形成，公路交通負(fù)荷與十幾年前相比，交通流量和通行車輛發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)為車輛向大型化、重型化發(fā)展[4]，導(dǎo)致護(hù)欄防護(hù)能力不足。同時(shí)國內(nèi)許多高速公路改擴(kuò)建工程中對路面進(jìn)行加鋪，導(dǎo)致波形梁護(hù)欄高度降低，更加劇了波形梁護(hù)欄防護(hù)能力的不足[5]，多種因素導(dǎo)致不少早期修建的高速公路波形梁護(hù)欄防護(hù)能力不能滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81-2017)(簡稱“新規(guī)范”)要求，需要進(jìn)行升級改造[6]。

國內(nèi)對于舊波形梁護(hù)欄的改造升級已進(jìn)行過一些科學(xué)研究工作，如直接在既有波形橫梁下方增加一層雙波梁，期望提升其安全性能，但是通過試驗(yàn)驗(yàn)證小型車碰撞后尚不能正常導(dǎo)出，如圖2中小客車發(fā)生橫轉(zhuǎn)；還有的研究采用將立柱加高后，在原有波形板上層增加一層雙波梁，改造為雙層雙波護(hù)欄[7]，防護(hù)等級可達(dá)到三(A)級，但是僅能滿足部分高速公路護(hù)欄升級改造的需要。根據(jù)新規(guī)范有些路段需要設(shè)置更高等級的護(hù)欄[6-8]，而目前尚缺少基于舊波形梁護(hù)欄改造后達(dá)到較高等級護(hù)欄的研究。

圖2 小客車碰撞護(hù)欄后未導(dǎo)出Figure 2 A car not export after impacting the barrier

結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)階段雙波梁護(hù)欄的使用現(xiàn)狀，提出一種SB級波形梁護(hù)欄改造結(jié)構(gòu)，并通過仿真計(jì)算與碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對護(hù)欄的防護(hù)能力進(jìn)行檢驗(yàn)，為其實(shí)際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 改造波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 改造前波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)

改造前的波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：雙波波形梁板(310 mm×85 mm×3 mm)中心距地面高度為550 mm(路面加鋪導(dǎo)致護(hù)欄高度低于標(biāo)準(zhǔn)值600 mm)，立柱(Φ140 mm×4.5 mm)間距2 m，波形梁板和立柱之間設(shè)置六角形防阻塊(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)[6]，各結(jié)構(gòu)之間通過10.8級M16螺栓進(jìn)行連接。

圖3 改造前波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Figure 3 W-beam guardrail structure before modification (Units: mm)

1.2 改造方案

根據(jù)波形梁護(hù)欄的研究與工程使用經(jīng)驗(yàn)，合理增加護(hù)欄高度和剛度，可以起到增強(qiáng)波形梁護(hù)欄安全防撞性能的重要作用，以此為出發(fā)點(diǎn)，提出基于舊波形梁護(hù)欄改造的SB級雙層兩波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)(見圖4)，其特點(diǎn)為：保持既有護(hù)欄結(jié)構(gòu)不動，僅在原有立柱內(nèi)增加Ф125 mm×5.5 mm內(nèi)套管進(jìn)行加高，同時(shí)在原有波形梁板上方增加一層4 mm雙波梁，在上層波形梁和立柱內(nèi)套管之間通過加強(qiáng)型矩形防阻塊(192 mm×160 mm×200 mm×4.5 mm，見圖5)進(jìn)行連接，改造后的雙層兩波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)其上層雙波梁板中心距地面高度為930 mm。

圖4 改造后波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)Figure 4 W-beam guardrail structure after modification

(a) 立面圖

(b) 平面圖

2 雙層兩波梁護(hù)欄安全性能仿真分析

2.1 仿真分析理論基礎(chǔ)

車輛碰撞護(hù)欄屬于接觸-碰撞問題，其動力學(xué)方程[11]：

(1)

式中：V為接觸系統(tǒng)所占空間;σi為內(nèi)應(yīng)力；εv為虛應(yīng)變；S為除接觸摩擦力的外力表面；Fe為外力；uv為虛位移；Sc為接觸表面；Fef為接觸摩擦力；ur為兩個(gè)點(diǎn)的相對虛位移；ρ為密度；α為加速度。

對公式(1)離散得到等效弱形式：

(2)

利用中心差分法對公式(2)積分，其算法為：

(3)

(4)

(5)

2.2 仿真模型與可靠性驗(yàn)證

2.2.1建立碰撞模型

按照現(xiàn)行公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中四(SB)級碰撞條件[12](見表1)，分別建立小客車、大客車、大貨車撞擊雙層兩波梁護(hù)欄碰撞模型，如圖6所示。由于車體和護(hù)欄結(jié)構(gòu)大多為金屬板殼，故碰撞模型以四邊形二維殼單元為主進(jìn)行建模，并控制三角形殼單元不超過模型中單元總數(shù)的5%；護(hù)欄梁柱結(jié)構(gòu)之間采用梁單元連接；車輛與護(hù)欄發(fā)生相互撞擊的部分采用基于懲罰函數(shù)法的接觸方式處理。

表1 碰撞條件Table 1 Impact conditions碰撞車型碰撞速度/(km·h-1)車輛總質(zhì)量/t碰撞角度/(°)小客車1001.520大客車8010.020大貨車6018.020

(a) 小客車

(b) 大客車

(c) 大貨車

2.2.2可靠性驗(yàn)證

通過與實(shí)車碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比以及能量分析的方式對碰撞模型的精度進(jìn)行驗(yàn)證。

圖7為撞擊雙層兩波形梁護(hù)欄的結(jié)果，可見小客車碰撞后下層兩波板變形較大，上層兩波板變形較小，表明下層梁板對于小型客車防撞起主要作用；大型車輛撞擊后，上、下層兩波板變形較為平順，表明上下兩層梁板協(xié)同對于大型車起到有效防護(hù)；計(jì)算機(jī)仿真計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。在撞擊試驗(yàn)中，通過高速攝像機(jī)記錄得到小客車、大客車和大貨車碰撞雙層兩波梁護(hù)欄的最大橫向動態(tài)變形值分別為200、1 350和850 mm，圖8為碰撞模型輸出的最大橫向動態(tài)變形點(diǎn)位移時(shí)程曲線。小客車、大客車和大貨車碰撞護(hù)欄最大動態(tài)變形量仿真值與試驗(yàn)值誤差分別為1.62%、3.34%和4.26%。

(a)小客車碰撞護(hù)欄變形

(b)大客車碰撞護(hù)欄變形

(c)大貨車碰撞護(hù)欄變形

圖8 最大橫向動態(tài)變形點(diǎn)位移時(shí)程曲線Figure 8 Displacement time-history curve of the maximum transverse dynamic deformation point

通過提取碰撞能量時(shí)程曲線，發(fā)現(xiàn)碰撞過程中動能逐步減小，變形能與界面能逐漸增加，總能量不變，符合熱力學(xué)第一定律(即能量守恒定律)，單點(diǎn)高斯積分產(chǎn)生的偽變性能未超過總變形能的10%，滿足仿真精度需求[7]。圖9為小客車碰撞模型中提取的能量曲線，大客車與大貨車碰撞能量曲線與圖9規(guī)律相同。

圖9 碰撞能量曲線Figure 9 Collision energy curve

2.3 仿真分析結(jié)果

采用經(jīng)過驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)仿真模型對雙層兩波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能評估[7]。表2為雙層兩波梁護(hù)欄對3種車型防護(hù)效果的仿真分析結(jié)果。

表2 仿真分析結(jié)果Table 2 Simulation results碰撞車型碰撞結(jié)果小客車無穿越和下穿現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。大客車無穿越、翻越、騎跨現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。大貨車無穿越、翻越、騎跨現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。

通過計(jì)算機(jī)仿真的方法對雙層兩波梁護(hù)欄進(jìn)行安全性評估得出，雙層兩波梁護(hù)欄的各項(xiàng)防護(hù)性能指標(biāo)較優(yōu)，均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，為后續(xù)采用實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)對雙層兩波梁護(hù)欄進(jìn)行安全性能評價(jià)奠定了基礎(chǔ)。

3 雙層兩波梁護(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

選取20°角作為碰撞角度，采用1.5 t重小客車碰撞速度100 km/h，10 t重大客車碰撞速度80 km/h，18 t重大貨車碰撞速度60 km/h對雙層兩波梁護(hù)欄進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)，評價(jià)其安全性[12]，試驗(yàn)車輛如圖10所示。

(a)小型客車

(b)中型客車

(c)大型貨車

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙按1∶1比例對雙層兩波梁護(hù)欄零部件進(jìn)行加工制作，完成加工后運(yùn)送至專門的實(shí)車碰撞試驗(yàn)場，進(jìn)行現(xiàn)場安裝。圖11為安裝后試驗(yàn)護(hù)欄。

圖11 試驗(yàn)用護(hù)欄

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

a.小客車。

小車試驗(yàn)結(jié)果顯示：車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護(hù)欄的導(dǎo)向和攔截功能良好[12]，圖12為小客車碰撞試驗(yàn)護(hù)欄運(yùn)動軌跡；乘員碰撞速度與乘員碰撞后加速度橫向分量均比縱向分量大，其中乘員碰撞速度橫向最大值為5.3 m/s2，乘員碰撞后加速度橫向最大值為139.1 m/s2，均符合評價(jià)指標(biāo)要求，說明護(hù)欄消能緩沖效果良好[12]，圖13為小客車碰撞試驗(yàn)護(hù)欄的緩沖性能曲線。此外，車輛碰撞護(hù)欄后，其內(nèi)部座椅無損壞，車門能正常打開；但車輛前保險(xiǎn)杠損壞，前大燈破裂，車體左側(cè)前段有損壞變形，車輛前橋亦發(fā)生損壞；試驗(yàn)護(hù)欄殘余變形不大。如圖14所示為小客車與護(hù)欄碰撞后車輛和護(hù)欄損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護(hù)攔

圖12 小客車軌跡圖Figure 12 Trajectory diagram of the car

(a) 乘員碰撞速度橫向分量曲線

(b) 乘員碰撞加速度橫向分量曲線

圖14 小客車碰撞后護(hù)欄及車輛變形圖

最大橫向動態(tài)變形值0.20 m，護(hù)攔最大橫向動態(tài)位移外延值0.55 m。

b.大客車。

大客車試驗(yàn)結(jié)果顯示：車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護(hù)欄的導(dǎo)正和阻擋作用良好[12]，圖15為大客車碰撞試驗(yàn)護(hù)欄的運(yùn)動軌跡。車輛碰撞護(hù)欄后碰撞側(cè)車體損壞變形，制動系統(tǒng)完好，車門能自由打開；試驗(yàn)護(hù)欄的殘余變形較大。如圖16所示為大客車與護(hù)欄碰撞后車輛和護(hù)欄的損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護(hù)攔最大橫向動態(tài)變形值1.35 m,護(hù)攔最大橫向動態(tài)位移外延值1.70 m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.75 m，車輛最大動態(tài)外傾值2.20 m。

圖15 大客車軌跡圖Figure 15 Trajectory diagram of the bus

圖16 大客車碰撞后護(hù)欄及車輛變形圖

c.大貨車。

大貨車試驗(yàn)結(jié)果顯示：車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護(hù)欄的攔阻功能和導(dǎo)向作用良好[12]，圖17為大貨車碰撞試驗(yàn)護(hù)欄的運(yùn)動軌跡。車輛碰撞護(hù)欄后碰撞側(cè)車體損壞變形，前保險(xiǎn)杠彎曲損壞，車輛左前大燈損壞脫落；試驗(yàn)護(hù)欄的殘余變形較大。如圖18所示為大貨車與護(hù)欄碰撞后車輛和護(hù)欄的損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值0.85 m，護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值1.2 m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.4 m，車輛最大動態(tài)外傾值1.55 m。

圖17 大貨車軌跡圖Figure 17 Trajectory diagram of the truck

圖18 大貨車碰撞后護(hù)欄及車輛變形圖

綜合以上結(jié)果，試驗(yàn)護(hù)欄對車輛和乘員起到了有效保護(hù)，且護(hù)欄和車輛的變形均符合評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，護(hù)欄具有較好的安全防撞功能[12]。

4 結(jié)論

a.提出了一種基于原有舊波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造的雙層兩波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)，提升防護(hù)等級至SB級。

b.通過計(jì)算機(jī)仿真分析的方法對雙層兩波梁護(hù)欄進(jìn)行安全性評估，仿真結(jié)果表明雙層兩波梁護(hù)欄的各項(xiàng)安全性能指標(biāo)較優(yōu)，具有良好的防護(hù)能力；通過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)的方法對雙層兩波梁護(hù)欄進(jìn)行安全性能評價(jià)，試驗(yàn)結(jié)果表明雙層兩波梁護(hù)欄的各項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)等級達(dá)到SB級。

c.SB級雙層兩波梁護(hù)欄研究成果在實(shí)際道路中的應(yīng)用將大大提升相應(yīng)路段的行車安全。