王科超 ,常安德,2

(1.中國(guó)刑事警察學(xué)院,沈陽(yáng) 110854;2.公安部痕跡檢驗(yàn)鑒定技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,沈陽(yáng) 110854)

由于部分公路現(xiàn)有護(hù)欄已達(dá)到或接近使用期限,護(hù)欄安全性能降低,無(wú)法較好地滿足當(dāng)前公路交通防護(hù)需求[1]。同時(shí)疲勞駕駛、雨雪天超車等駕駛員因素或車輛突發(fā)故障導(dǎo)致的車輛失控,使車輛易與公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段發(fā)生側(cè)碰,造成人身及財(cái)產(chǎn)損失。因此,開(kāi)展護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段碰撞安全性研究對(duì)于提高當(dāng)前公路交通事故預(yù)防能力十分必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性能開(kāi)展了諸多研究,如都雪靜等[2]使用ANSA 軟件建立護(hù)欄有限元模型,通過(guò)分析仿真試驗(yàn)結(jié)果對(duì)高速公路現(xiàn)有波形板護(hù)欄的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià);Marzougui 等[3]采用LS-DYNA 軟件作為碰撞模型建立的工具,通過(guò)模擬試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)車足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,分析波形梁護(hù)欄板的設(shè)置高度對(duì)護(hù)欄防護(hù)能力的影響;Yin 等[4]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)混凝土護(hù)欄的性能進(jìn)行研究,并對(duì)護(hù)欄的橫截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以減小撞擊車輛的側(cè)傾角。在目前驗(yàn)證公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的方法中,實(shí)車足尺試驗(yàn)是獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和真實(shí)碰撞效果的最優(yōu)方法,但開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)需要耗費(fèi)較多人力和物力,不宜大范圍進(jìn)行。隨著計(jì)算機(jī)仿真方法的普及,交通仿真軟件由于其在節(jié)省成本和提高效率方面的優(yōu)勢(shì)被日益推廣。

PC-Crash 交通事故仿真軟件可以模擬交通事故涉事車輛碰撞發(fā)生過(guò)程,輔助分析交通事故成因與交通事故責(zé)任認(rèn)定[5]。經(jīng)過(guò)與其他交通仿真軟件的實(shí)測(cè)比較,PC-Crash 軟件優(yōu)勢(shì)明顯,計(jì)算時(shí)間快、計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確,事故過(guò)程模擬可多維呈現(xiàn)且形象具體,進(jìn)行單車碰撞事故仿真時(shí)能獲得較好的試驗(yàn)?zāi)M效果,可為本研究提供較好的技術(shù)支持。

基于PC-Crash 仿真軟件,從防撞性、導(dǎo)向性以及乘員安全性3 個(gè)方面進(jìn)行護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性分析,實(shí)現(xiàn)對(duì)公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性綜合評(píng)價(jià),有助于交通管理部門完善事故處理工作,也為改進(jìn)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)提供參考。

1 兩種典型護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段

我國(guó)采用的護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段形式主要包含混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段、波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段和纜索護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段[6]。在部分風(fēng)景區(qū)路段目前使用纜索護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段較多,事故發(fā)生率較低;在中央分隔帶和路側(cè)區(qū)域使用波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段和混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段較多,事故發(fā)生率較高[7]。因此針對(duì)公路常見(jiàn)且事故多發(fā)的波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段和混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計(jì)車輛-護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段碰撞仿真試驗(yàn)。

2 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)[8],護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)應(yīng)符合:①阻擋功能:應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨;試驗(yàn)護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。②緩沖功能:乘員碰撞速度的縱向分量與橫向分量均不得大于12 m/s;乘員碰撞后加速度的縱向分量與橫向分量均不得大于200 m/s2。③導(dǎo)向功能:車輛碰撞后不得翻車。車輛輪跡導(dǎo)向駛出框圖如圖1 所示,導(dǎo)向駛出時(shí)不得越出直線F,參數(shù)A和參數(shù)B的取值如表1 所示。

表1 參數(shù)A 和參數(shù)B 的取值 (m)

3 車輛-護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段碰撞仿真試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

第一階段:確定試驗(yàn)車輛和護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段種類,從軟件庫(kù)中調(diào)用試驗(yàn)車輛模型,建立護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型。

第二階段:建立車輛-護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段基礎(chǔ)碰撞模型,調(diào)整模型初始參數(shù)和環(huán)境參數(shù),模擬碰撞過(guò)程。

第三階段:制訂試驗(yàn)方案,依照方案中的試驗(yàn)條件不斷調(diào)整模擬碰撞過(guò)程,獲取試驗(yàn)結(jié)果。

3.2 建立護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型

采用PC-Crash 軟件建立護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型,通常有兩種方法,第一種是先構(gòu)建模型基礎(chǔ)部件,通過(guò)功能設(shè)置使相同單元部件相互連接,再組成護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段整體模型,混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型如圖2 所示;第二種是在PC-Crash 軟件模型庫(kù)中調(diào)用軟件自帶的模型,調(diào)用的護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型與真實(shí)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)相同且外形相符,波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型如圖3 所示。

研究所建立的混凝土護(hù)欄模型包含8 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)單元,單元長(zhǎng)度為4 000 mm,采用地錨式護(hù)欄端頭;波形梁護(hù)欄模型包含11 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)段結(jié)構(gòu)單元,單元長(zhǎng)度為2 000 mm,采用直立式護(hù)欄端頭。

3.3 設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)

從軟件自帶車輛數(shù)據(jù)庫(kù)中選擇合適的車輛類型,試驗(yàn)車輛信息如表2 所示,乘員質(zhì)量為80 kg,制動(dòng)距離為100 m,制動(dòng)遲滯時(shí)間為0.20 s,波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段初始位置為(20.900,0.000)、混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段初始位置為(-9.564,-0.934),其余參數(shù)均按默認(rèn)設(shè)置[9]。

表2 試驗(yàn)車輛信息

3.4 仿真試驗(yàn)方案

因試驗(yàn)針對(duì)較多研究客體,仿真試驗(yàn)的開(kāi)展須依據(jù)恰當(dāng)方案。改變碰撞角度、速度等參數(shù),參考《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)設(shè)計(jì)車輛-護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段碰撞模型的試驗(yàn)方案,碰撞仿真試驗(yàn)方案如表3 所示。

表3 碰撞仿真試驗(yàn)方案

4 仿真結(jié)果分析

4.1 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段防撞性分析

4.1.1 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段吸能性分析

碰撞試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 碰撞試驗(yàn)結(jié)果

綜合5 種試驗(yàn)車型,大型客車以80 km/h 碰撞混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的吸收能量值最大,混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段能量吸收曲線如圖4 所示。

梳理《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81—2017)中車輛撞擊剛性護(hù)欄的實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,并匯總理論計(jì)算值,車輛撞擊剛性護(hù)欄的理論值與實(shí)測(cè)值[10]如表5 所示。在滿足碰撞角度相同、碰撞速度增加且車輛總質(zhì)量增加的情況下,護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段在碰撞時(shí)吸收的能量值較多。因此在試驗(yàn)車輛與混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的碰撞仿真試驗(yàn)中,護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型在多種車型碰撞下不能滿足吸能要求。

表5 車輛撞擊剛性護(hù)欄的理論值與實(shí)測(cè)值

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2017)[11]對(duì)我國(guó)公路通常使用的波形梁護(hù)欄有明確的等級(jí)分類,細(xì)則內(nèi)容參考日本對(duì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和碰撞試驗(yàn),兩國(guó)波形梁護(hù)欄可吸收的碰撞能量等級(jí)分類如表6 所示。

表6 兩國(guó)波形梁護(hù)欄可吸收的碰撞能量等級(jí)分類

不同試驗(yàn)車型與波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型的碰撞試驗(yàn)結(jié)果如表7 所示。

表7 不同試驗(yàn)車型與波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型的碰撞試驗(yàn)結(jié)果

綜合5 種試驗(yàn)車型,波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段吸收能量值在大型客車以80 km/h 的速度進(jìn)行碰撞試驗(yàn)時(shí)最大,波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段能量吸收曲線如圖5 所示,所以波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型在多種車型碰撞下不能滿足三級(jí)護(hù)欄的防護(hù)要求。

4.1.2 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段橫向動(dòng)態(tài)變形分析

護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段橫向動(dòng)態(tài)變形的評(píng)價(jià)目前主要依據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》,公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段應(yīng)符合最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D≤3.5 m,護(hù)欄橫向動(dòng)態(tài)變形類別如表8 所示。此外,依據(jù)護(hù)欄防撞性能相關(guān)研究和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2017),D半剛性兩波波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段≤100 cm,D半剛性三波梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段≤75 cm,D剛性護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段≤10 cm。結(jié)合上述兩種評(píng)價(jià)要求,以最大規(guī)范值3.5 m 作為衡量標(biāo)準(zhǔn)。

表8 護(hù)欄橫向動(dòng)態(tài)變形類別

不同試驗(yàn)車型碰撞護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型,護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段最大橫向動(dòng)態(tài)變形值如圖6 所示。對(duì)于大型客車和大型貨車,混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足剛性護(hù)欄碰撞變形要求;對(duì)于中型客車、大型客車和大型貨車,波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足波形梁碰撞變形要求。

4.2 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)向性分析

分析護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型在不同車型、不同車輛總質(zhì)量以及不同碰撞速度等試驗(yàn)條件下的導(dǎo)向作用,部分具有代表性的護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段導(dǎo)向示意如圖7 所示,多種試驗(yàn)車型出現(xiàn)穿越、橫轉(zhuǎn)以及側(cè)翻等情況,存在車輛輪跡導(dǎo)向駛出框圖,出現(xiàn)圖1 中參數(shù)A為負(fù)值的情況,即無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置導(dǎo)向駛出框,或者車輛行駛與導(dǎo)向駛出框圖不符,所以護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型不能滿足碰撞后車輛導(dǎo)向要求。

4.3 乘員安全性分析

在實(shí)車足尺試驗(yàn)中,評(píng)價(jià)乘員的安全性符合要求是經(jīng)碰撞造成的頭部傷害[頭部性能指標(biāo)(HPC)]應(yīng)滿足≤1 000,大腿傷害應(yīng)滿足≤10 kN,胸部傷害[胸部壓縮指標(biāo)(ThCC)] 應(yīng)滿足≤75 mm[12]。而在計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)中,通常根據(jù)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo),使用車輛質(zhì)心處加速度對(duì)乘員安全性進(jìn)行評(píng)價(jià),只有滿足車輛質(zhì)心在規(guī)定方向上的加速度數(shù)值α≤20g(1g=10 m/s2),乘員受傷程度才可能會(huì)較低。以車輛質(zhì)心x、y、z軸為規(guī)定方向,分別代表PC-Crash 軟件繪圖中的縱向、側(cè)面以及鉛直方向。

5 種試驗(yàn)車型中,中型客車以60 km/h 碰撞波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型時(shí)沿y軸的加速度為最大分量加速度,數(shù)值為10.35g,中型客車質(zhì)心加速度如圖8所示,即3 個(gè)方向上的車輛質(zhì)心加速度均小于規(guī)范值20g,所以護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段模型能夠滿足乘員安全性評(píng)價(jià)要求。

5 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)所得結(jié)論為:綜合阻擋、導(dǎo)向和緩沖3方面功能的實(shí)現(xiàn)情況,試驗(yàn)中建立的混凝土護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段和波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段兩種模型不能完全滿足公路安全防護(hù)性能,與安全性能標(biāo)準(zhǔn)有偏差,需要優(yōu)化設(shè)計(jì)。

對(duì)實(shí)際不同種類的公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段進(jìn)行安全性評(píng)價(jià),可參考本研究提出的評(píng)價(jià)方法,設(shè)計(jì)針對(duì)性試驗(yàn),借助PC-Crash 軟件的仿真支持獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)及模擬過(guò)程,綜合防撞性、導(dǎo)向性和乘員安全性的分析評(píng)價(jià)結(jié)果,判斷是否滿足安全性能標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定,這有助于事故分析和處理工作,并可促進(jìn)護(hù)欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進(jìn)。