王科超 ,常安德,2

(1.中國刑事警察學(xué)院,沈陽 110854;2.公安部痕跡檢驗鑒定技術(shù)重點實驗室,沈陽 110854)

由于部分公路現(xiàn)有護欄已達到或接近使用期限,護欄安全性能降低,無法較好地滿足當(dāng)前公路交通防護需求[1]。同時疲勞駕駛、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,使車輛易與公路護欄標準段發(fā)生側(cè)碰,造成人身及財產(chǎn)損失。因此,開展護欄標準段碰撞安全性研究對于提高當(dāng)前公路交通事故預(yù)防能力十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者針對護欄標準段的安全性能開展了諸多研究,如都雪靜等[2]使用ANSA 軟件建立護欄有限元模型,通過分析仿真試驗結(jié)果對高速公路現(xiàn)有波形板護欄的安全性進行評價;Marzougui 等[3]采用LS-DYNA 軟件作為碰撞模型建立的工具,通過模擬試驗結(jié)果與實車足尺試驗數(shù)據(jù)的比較,分析波形梁護欄板的設(shè)置高度對護欄防護能力的影響;Yin 等[4]通過數(shù)值模擬對混凝土護欄的性能進行研究,并對護欄的橫截面形狀進行優(yōu)化設(shè)計,以減小撞擊車輛的側(cè)傾角。在目前驗證公路護欄標準段的方法中,實車足尺試驗是獲得準確數(shù)據(jù)和真實碰撞效果的最優(yōu)方法,但開展相關(guān)試驗需要耗費較多人力和物力,不宜大范圍進行。隨著計算機仿真方法的普及,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)生過程,輔助分析交通事故成因與交通事故責(zé)任認定[5]。經(jīng)過與其他交通仿真軟件的實測比較,PC-Crash 軟件優(yōu)勢明顯,計算時間快、計算結(jié)果相對準確,事故過程模擬可多維呈現(xiàn)且形象具體,進行單車碰撞事故仿真時能獲得較好的試驗?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 個方面進行護欄標準段的安全性分析,實現(xiàn)對公路護欄標準段的安全性綜合評價,有助于交通管理部門完善事故處理工作,也為改進護欄標準段設(shè)計提供參考。

1 兩種典型護欄標準段

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

2 護欄標準段安全性能評價指標

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)[8],護欄標準段的安全性能評價指標應(yīng)符合:①阻擋功能:應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨;試驗護欄構(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-護欄標準段碰撞仿真試驗

3.1 試驗設(shè)計

第一階段:確定試驗車輛和護欄標準段種類,從軟件庫中調(diào)用試驗車輛模型,建立護欄標準段模型。

第二階段:建立車輛-護欄標準段基礎(chǔ)碰撞模型,調(diào)整模型初始參數(shù)和環(huán)境參數(shù),模擬碰撞過程。

第三階段:制訂試驗方案,依照方案中的試驗條件不斷調(diào)整模擬碰撞過程,獲取試驗結(jié)果。

3.2 建立護欄標準段模型

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

研究所建立的混凝土護欄模型包含8 個標準段結(jié)構(gòu)單元,單元長度為4 000 mm,采用地錨式護欄端頭;波形梁護欄模型包含11 個標準段結(jié)構(gòu)單元,單元長度為2 000 mm,采用直立式護欄端頭。

3.3 設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)

從軟件自帶車輛數(shù)據(jù)庫中選擇合適的車輛類型,試驗車輛信息如表2 所示,乘員質(zhì)量為80 kg,制動距離為100 m,制動遲滯時間為0.20 s,波形梁護欄標準段初始位置為(20.900,0.000)、混凝土護欄標準段初始位置為(-9.564,-0.934),其余參數(shù)均按默認設(shè)置[9]。

表2 試驗車輛信息

3.4 仿真試驗方案

因試驗針對較多研究客體,仿真試驗的開展須依據(jù)恰當(dāng)方案。改變碰撞角度、速度等參數(shù),參考《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)設(shè)計車輛-護欄標準段碰撞模型的試驗方案,碰撞仿真試驗方案如表3 所示。

表3 碰撞仿真試驗方案

4 仿真結(jié)果分析

4.1 護欄標準段防撞性分析

4.1.1 護欄標準段吸能性分析

碰撞試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 碰撞試驗結(jié)果

綜合5 種試驗車型,大型客車以80 km/h 碰撞混凝土護欄標準段的吸收能量值最大,混凝土護欄標準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)計規(guī)范》(JTG D81—2017)中車輛撞擊剛性護欄的實測統(tǒng)計結(jié)果,并匯總理論計算值,車輛撞擊剛性護欄的理論值與實測值[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,護欄標準段在碰撞時吸收的能量值較多。因此在試驗車輛與混凝土護欄標準段的碰撞仿真試驗中,護欄標準段模型在多種車型碰撞下不能滿足吸能要求。

表5 車輛撞擊剛性護欄的理論值與實測值

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81—2017)[11]對我國公路通常使用的波形梁護欄有明確的等級分類,細則內(nèi)容參考日本對護欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計和碰撞試驗,兩國波形梁護欄可吸收的碰撞能量等級分類如表6 所示。

表6 兩國波形梁護欄可吸收的碰撞能量等級分類

不同試驗車型與波形梁護欄標準段模型的碰撞試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 不同試驗車型與波形梁護欄標準段模型的碰撞試驗結(jié)果

綜合5 種試驗車型,波形梁護欄標準段吸收能量值在大型客車以80 km/h 的速度進行碰撞試驗時最大,波形梁護欄標準段能量吸收曲線如圖5 所示,所以波形梁護欄標準段模型在多種車型碰撞下不能滿足三級護欄的防護要求。

4.1.2 護欄標準段橫向動態(tài)變形分析

護欄標準段橫向動態(tài)變形的評價目前主要依據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》,公路護欄標準段應(yīng)符合最大橫向動態(tài)變形值D≤3.5 m,護欄橫向動態(tài)變形類別如表8 所示。此外,依據(jù)護欄防撞性能相關(guān)研究和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81—2017),D半剛性兩波波形梁護欄標準段≤100 cm,D半剛性三波梁護欄標準段≤75 cm,D剛性護欄標準段≤10 cm。結(jié)合上述兩種評價要求,以最大規(guī)范值3.5 m 作為衡量標準。

表8 護欄橫向動態(tài)變形類別

不同試驗車型碰撞護欄標準段模型,護欄標準段最大橫向動態(tài)變形值如圖6 所示。對于大型客車和大型貨車,混凝土護欄標準段的最大橫向動態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足剛性護欄碰撞變形要求;對于中型客車、大型客車和大型貨車,波形梁護欄標準段的最大橫向動態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足波形梁碰撞變形要求。

4.2 護欄標準段導(dǎo)向性分析

分析護欄標準段模型在不同車型、不同車輛總質(zhì)量以及不同碰撞速度等試驗條件下的導(dǎo)向作用,部分具有代表性的護欄標準段導(dǎo)向示意如圖7 所示,多種試驗車型出現(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為負值的情況,即無法按照標準設(shè)置導(dǎo)向駛出框,或者車輛行駛與導(dǎo)向駛出框圖不符,所以護欄標準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

在實車足尺試驗中,評價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(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(ThCC)] 應(yīng)滿足≤75 mm[12]。而在計算機仿真試驗中,通常根據(jù)護欄標準段的安全性能評價指標,使用車輛質(zhì)心處加速度對乘員安全性進行評價,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 種試驗車型中,中型客車以60 km/h 碰撞波形梁護欄標準段模型時沿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 個方向上的車輛質(zhì)心加速度均小于規(guī)范值20g,所以護欄標準段模型能夠滿足乘員安全性評價要求。

5 結(jié)論

通過試驗所得結(jié)論為:綜合阻擋、導(dǎo)向和緩沖3方面功能的實現(xiàn)情況,試驗中建立的混凝土護欄標準段和波形梁護欄標準段兩種模型不能完全滿足公路安全防護性能,與安全性能標準有偏差,需要優(yōu)化設(shè)計。

對實際不同種類的公路護欄標準段進行安全性評價,可參考本研究提出的評價方法,設(shè)計針對性試驗,借助PC-Crash 軟件的仿真支持獲取試驗數(shù)據(jù)及模擬過程,綜合防撞性、導(dǎo)向性和乘員安全性的分析評價結(jié)果,判斷是否滿足安全性能標準的相關(guān)規(guī)定,這有助于事故分析和處理工作,并可促進護欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進。