滕玉祿 段紹飛 秦延朋 張杏威

(1.北京市高速公路交通工程有限公司 北京 101102； 2.貴州泓陽(yáng)交通建設(shè)工程有限責(zé)任公司 貴陽(yáng) 550022)

在公路建設(shè)中，機(jī)電、交安門(mén)架立柱和上跨公路的橋梁墩柱一般會(huì)設(shè)置在公路中分帶內(nèi)，即在公路中分帶內(nèi)部形成障礙物。一旦發(fā)生失控車(chē)輛碰撞護(hù)欄產(chǎn)生側(cè)傾或穿越護(hù)欄直接碰撞橋墩和門(mén)架的事故，不僅會(huì)造成事故車(chē)輛和司乘人員自身?yè)p傷，還可能造成高速公路運(yùn)營(yíng)中斷，更有甚者會(huì)引起橋梁、機(jī)電、交安門(mén)架主體的垮塌二次惡性事故，經(jīng)濟(jì)損失巨大，進(jìn)而造成惡劣的社會(huì)影響。

為了降低失控車(chē)輛碰撞公路中分帶內(nèi)障礙物的概率，本文以三波梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)[1-2]為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，提出一種公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄，并根據(jù)JTG B05-01-2013 《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《標(biāo)準(zhǔn)》)的規(guī)定，利用計(jì)算機(jī)模擬仿真和實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)等技術(shù)，對(duì)護(hù)欄導(dǎo)向功能、緩沖功能與阻擋功能[3]進(jìn)行分析、優(yōu)化和驗(yàn)證。

1 低變形量護(hù)欄結(jié)構(gòu)

1.1 材料選擇

對(duì)常用的柔性纜索護(hù)欄、半剛性鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄和剛性混凝土護(hù)欄3種護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析，認(rèn)為半剛性鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄結(jié)構(gòu)：①具備一定剛性，可通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到較高安全防護(hù)等級(jí)；②具備一定柔性，大型車(chē)輛在碰撞時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定變形，吸收一部分能量;③可進(jìn)行較高護(hù)欄的設(shè)置而護(hù)欄寬度不受影響。因此可以達(dá)到較高的安全防護(hù)等級(jí)，宜作為公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)方案

國(guó)內(nèi)大部分高速公路中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄為波形梁護(hù)欄，采用波形梁板作為公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄的主要構(gòu)件可與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄保持一致[4]，具有較好的視線誘導(dǎo)效果，同時(shí)可與中分帶標(biāo)準(zhǔn)段波形梁護(hù)欄方便、有效地連接，合理漸變剛度[5]，保證公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)的錨固力。

原有波形梁護(hù)欄頂部高度為950 mm，高度較低，其防側(cè)傾能力較差。為了提升車(chē)輛防側(cè)傾能力，加高立柱整體高度，并在加高立柱上通過(guò)螺栓安裝防側(cè)傾上橫梁、防側(cè)傾下橫梁、防絆阻橫梁護(hù)欄，結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖1。

圖1 護(hù)欄圖

防側(cè)傾上橫梁頂部高度根據(jù)大型碰撞車(chē)輛重心而確定，在其端部向下彎折與防側(cè)傾下橫梁通過(guò)法蘭連接，保證上橫梁端部錨固力。防側(cè)傾下橫梁在端部先向內(nèi)側(cè)彎折后，通過(guò)套筒連接件與立柱進(jìn)行連接錨固，以保證防側(cè)傾上橫梁、防側(cè)傾下橫梁的抗側(cè)傾能力。防絆阻橫梁端部與中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄立柱相連接，提升防絆阻橫梁的抗彎折強(qiáng)度，有效地將碰撞車(chē)輛車(chē)輪導(dǎo)正，降低車(chē)輪碰撞立柱的風(fēng)險(xiǎn)。

護(hù)欄兩側(cè)的加高立柱之間設(shè)置橫向支撐梁，通過(guò)將單側(cè)車(chē)輛碰撞力通過(guò)橫向支撐梁傳導(dǎo)至另一側(cè)加高立柱的頂部與底部，使得兩側(cè)護(hù)欄協(xié)同受力，提升整體護(hù)欄安全防護(hù)能力，護(hù)欄受力方式見(jiàn)圖2。

圖2 護(hù)欄受力方式

2 護(hù)欄安全評(píng)價(jià)指標(biāo)

《標(biāo)準(zhǔn)》是國(guó)內(nèi)驗(yàn)證新型護(hù)欄是否可以在公路上應(yīng)用的唯一標(biāo)準(zhǔn)，由于失控車(chē)輛碰撞護(hù)欄的角度、速度和形態(tài)各異，綜合最不利因素，同時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性等原則，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碰撞位置、角度和速度等條件進(jìn)行明確規(guī)定。

為了更好地保護(hù)司乘人員安全和中分帶內(nèi)障礙物，根據(jù)《標(biāo)準(zhǔn)》中護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)要求，新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)須通過(guò)小型客車(chē)、大型客車(chē)、大型貨車(chē)3種車(chē)型實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)。碰撞試驗(yàn)位置和條件見(jiàn)圖3和表1。

圖3 碰撞位置

表1 碰撞條件

護(hù)欄安全評(píng)價(jià)指標(biāo)：應(yīng)能夠阻擋車(chē)輛穿越、翻越和騎跨，試驗(yàn)護(hù)欄構(gòu)件及脫離件不得侵入車(chē)輛乘員艙；乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s2，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2；車(chē)輛碰撞后不得翻車(chē)，車(chē)輛駛出駛離點(diǎn)后的輪跡不得越出導(dǎo)向駛出框的直線。

3 模擬仿真與實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)

3.1 模擬仿真模型與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

按表1中試驗(yàn)條件和圖3的碰撞位置，結(jié)合實(shí)際尺寸建立3種車(chē)輛模型和護(hù)欄模型，根據(jù)車(chē)輛和護(hù)欄的金屬材料特性，碰撞仿真以二維殼單元進(jìn)行建模，并保證四邊形殼單元大于等于模型單元總數(shù)的95%。根據(jù)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定小型車(chē)輛輪胎胎壓為0.3 MPa，大型車(chē)輛輪胎胎壓為0.8 MPa。采用基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決邊界非線性問(wèn)題。碰撞模型見(jiàn)圖4。

圖4 碰撞模型

為模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際道路安裝效果，驗(yàn)證實(shí)施項(xiàng)目的可行性。在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)設(shè)置公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄，中分帶護(hù)攔外側(cè)寬2 m，單側(cè)長(zhǎng)18 m(中分帶雙側(cè)共計(jì)36 m)，同時(shí)考慮護(hù)攔兩側(cè)錨固能力[6-7]和導(dǎo)向性能，按要求需在單側(cè)護(hù)攔碰撞行車(chē)方向上游端采用打樁安裝12 m 三波梁標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄，下游端安裝24 m 三波梁標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄，則單側(cè)試驗(yàn)護(hù)攔總長(zhǎng)度為54 m。碰撞試驗(yàn)見(jiàn)圖5。

圖5 碰撞車(chē)輛試驗(yàn)

3.2 模擬仿真與碰撞試驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬仿真與實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)，小客車(chē)、大客車(chē)和大貨車(chē)碰撞公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄行駛軌跡見(jiàn)圖6。由圖6可見(jiàn)，車(chē)輛碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，車(chē)輛駛出駛離點(diǎn)后的輪跡未越出導(dǎo)向駛出框的直線。車(chē)輛沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

圖6 試驗(yàn)車(chē)輛行駛軌跡

試驗(yàn)表明在車(chē)輛碰撞護(hù)欄后，小客車(chē)、大客車(chē)和大貨車(chē)前保險(xiǎn)杠損壞，車(chē)輛前大燈損壞脫離，車(chē)體左側(cè)有刮痕，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)良好，車(chē)門(mén)均能自由開(kāi)啟，其中大客車(chē)前擋風(fēng)玻璃破裂。試驗(yàn)車(chē)輛在碰撞護(hù)欄后車(chē)廂內(nèi)部空間沒(méi)有受到嚴(yán)重?cái)D壓，護(hù)欄構(gòu)件及脫離構(gòu)件未侵入車(chē)體內(nèi)部，可以保證車(chē)內(nèi)乘員的安全。

小客車(chē)實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)緩沖性能評(píng)價(jià)見(jiàn)表2。

表2 小型客車(chē)碰撞試驗(yàn)緩沖性能(標(biāo)準(zhǔn)段)

由表2可見(jiàn)，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量最大值6.9≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量最大值138.7≤200 m/s2，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，因此該護(hù)欄安全性能滿足SA級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。

試驗(yàn)測(cè)得大客車(chē)和大貨車(chē)最大橫向動(dòng)態(tài)外傾值見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn)，大客車(chē)碰撞中車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值VI=0.3 m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=0.35 m；大貨車(chē)碰撞中車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值VI=0.4 m，車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=0.45 m。相比JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中SB級(jí)波形梁護(hù)欄試驗(yàn)的大客車(chē)最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=2.27 m，減少了1.92 m，有效地減少了大型車(chē)輛在碰撞護(hù)欄中產(chǎn)生的側(cè)傾碰撞障礙物概率，較好地保護(hù)了車(chē)輛司乘人員及公路中分帶內(nèi)障礙物結(jié)構(gòu)。

圖7 車(chē)輛最大動(dòng)態(tài)外傾值

3.3 模擬仿真與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

基于LS-DYNA有限元軟件建立的3種車(chē)輛碰撞護(hù)欄計(jì)算機(jī)仿真模型，通過(guò)采用數(shù)百次實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型各項(xiàng)性能參數(shù)進(jìn)行校核，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。 一般而言，高精度計(jì)算機(jī)仿真模型一般數(shù)據(jù)誤差值不大于15%即為可靠。

模擬仿真與足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 模擬仿真與足尺試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比表

由表3分析結(jié)果可知，兩者的測(cè)試結(jié)果基本一致，誤差值最大值為8.7%，計(jì)算機(jī)模擬仿真具有較高的可靠性，可充分反映護(hù)欄結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)評(píng)價(jià)項(xiàng)目數(shù)據(jù)指標(biāo)，

4 過(guò)渡連接位置安全分析

由于公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄安全防護(hù)等級(jí)為SA級(jí)(防護(hù)能量≥400 kJ)，中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄防護(hù)等級(jí)為SB級(jí)(防護(hù)能量≥280 kJ),兩者之間防護(hù)等級(jí)不同，按要求其過(guò)渡連接位置防護(hù)等級(jí)不小于相鄰護(hù)欄最低防護(hù)等級(jí)，即過(guò)渡連接位置防護(hù)等級(jí)應(yīng)為SB級(jí)。為進(jìn)一步驗(yàn)證過(guò)渡連接位置的安全可靠性，采用經(jīng)驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)模擬仿真模型與技術(shù)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，碰撞試驗(yàn)位置和條件見(jiàn)圖8和表4。

圖8 碰撞位置

表4 碰撞條件

模擬仿真車(chē)輛碰撞過(guò)渡位置后行駛軌跡見(jiàn)圖9。

圖9 模擬仿真分析

由圖9可見(jiàn)，車(chē)輛碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

表5為過(guò)渡連接段小客車(chē)模擬仿真緩沖性能評(píng)價(jià)表。

表5 小型客車(chē)碰撞試驗(yàn)緩沖性能(過(guò)渡連接段)

由表5可見(jiàn)，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量最大值8.3≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量最大值114.6≤200 m/s2，均滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求，因此該護(hù)欄安全性能滿足SB級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)檢測(cè)表明結(jié)果，公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG B05-01-2013《標(biāo)準(zhǔn)》中SA級(jí)(防護(hù)能量≥400 kJ)的要求。大型車(chē)輛碰撞中大貨車(chē)最大動(dòng)態(tài)外傾值VI為0.4 m，最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn為0.45 m，可較好地保護(hù)車(chē)輛司乘人員及公路中分帶內(nèi)障礙物結(jié)構(gòu)。同時(shí)，經(jīng)計(jì)算機(jī)模擬仿真分析，公路中分帶障礙物防護(hù)低變形量護(hù)欄與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄過(guò)渡連接位置安全防護(hù)性能可靠，滿足實(shí)際工程需求。

目前該結(jié)構(gòu)護(hù)欄已在京哈擴(kuò)建工程、京雄高速公路、北京東六環(huán)改建工程中應(yīng)用，尚未發(fā)生失控車(chē)輛碰撞中分帶內(nèi)障礙物引發(fā)的惡性事故，防護(hù)效果安全可靠，下一步將以首都道路為示范點(diǎn)，向全國(guó)范圍高速公路推廣應(yīng)用，其廣泛應(yīng)用將有利于改善道路交通的安全水平，避免道路人員和財(cái)產(chǎn)損害，促進(jìn)交通事業(yè)的和諧發(fā)展。