护栏高度变化对防撞能力影响研究

崔洪军，崔 姗，邢小高，梁国凤

(河北工业大学 土木工程学院，天津 300401)



护栏高度变化对防撞能力影响研究

崔洪军，崔 姗，邢小高，梁国凤

(河北工业大学 土木工程学院，天津 300401)

护栏高度由于路面加铺罩面而降低，使得其安全防护性能受到影响。利用LS-DYNA有限元分析软件对不同高度下波形梁护栏进行了碰撞仿真实验，量化分析了护栏高度降低与其安全防护能力关系，确定了护栏防撞性能不能满足规范要求的临界高度值。对沿海高速公路原有护栏提出改造方案，并运用计算机仿真证明其符合规范规定。

交通工程；护栏高度；碰撞；仿真模型；安全性能

我国高速公路频繁罩面后护栏防护性能下降、护栏处事故不断增加的问题日益凸显[1]，京秦高速公路罩面后，2007—2009年该事故率加权平均值为25.81%，是罩面前2003—2004年该事故率加权平均值11.22%的2倍之多。但高度降低阈值的确定和对现有护栏改造措施一直是困扰道路工作者的难题[2]。

笔者利用LS-DYNA显式动力分析程序，建立车辆-护栏碰撞仿真实验模型，对护栏降低不同高度时波形梁护栏安全性能进行分析，得到频繁罩面后必须进行护栏改造时的护栏高度下限阈值。提出沿海高速公路现有护栏改造方案，并对护栏的防撞能力进行计算机碰撞仿真检验。

1 不同护栏高度碰撞仿真实验

为了深入分析护栏高度与其安全防护性能关系，利用LS-DYNA显式动力分析程序，以半刚性波形梁护栏为研究对象，以其规范高度755 mm为标准，每降低20 mm进行一次碰撞仿真实验。由于护栏高度的降低对小车防护性能影响较小，但易发生大车上跨越出护栏，对大车安全防护性能不利[3-5]，因此笔者对大客车与不同高度护栏碰撞进行了模拟仿真。

依照我国JTG/T F 83-01—2004《高速公路护栏安全性能评价标准》和JTG/T D 81—2006《公路交通安全设施设计细则》中A级防撞等级关于碰撞条件的规定，大客车碰撞速度取为60 km/h，大客车质量为10 t，碰撞角度为20°，以160 kJ的碰撞能量在2 000 ms时间内进行碰撞仿真模拟[6-7]。

1.1 车辆-护栏碰撞仿真模型

模拟采用的大客车是按照实际拆车建立的弹性体车模型，根据真实车辆模型建立车辆行驶系统，保证车辆的行驶轨迹正常，模型经校验后符合美国NHTSA350报告和欧洲EN1317相关规定。客车有限元模型总节点数量为48 592个；壳单元的数量为33 787个、其它单元5 338个。护栏有限元模型77 061个节点、71 856个四边形单元，并与实体护栏按1∶1比例建立，实体护栏立柱间距2 m，总长度为72 m。大客车实车碰撞实验与仿真实验结果对比如图1、图2。

图1 车辆与护栏碰撞实验

图2 护栏整体变形比较

从图1 车辆与护栏同时刻碰撞形态及图2 碰撞后护栏破损变形来看，两次实验结果基本一致，对比仿真与实车实验数据，其中计算机仿真实验与实车实验主要参数表1。

表1 实车实验与仿真实验碰撞后主要参数对比

从表1可知，两者实验数据的误差绝对值都小于10%，满足误差要求，从而证明了本次仿真实验结果数据的准确性。

1.2 不同护栏高度碰撞仿真实验

研究中，护栏高度每下降20 mm做一次模拟实验。同高度护栏安全性能评价结果及变化规律如表 2，当护栏高度为715，735 mm时，各项指标满足规范要求，达到了A级安全防护性能；而当护栏高度下降到695 mm时，碰撞仿真结果(表2)显示，此时护栏达不到A级安全防护性能要求，因此选取护栏高度695，715 mm的中间值即705 mm，做进一步实验。

通过对表2的分析，得出护栏高度最小值为705 mm，即罩面厚度超过50 mm后，护栏安全防护性能不能满足规范要求。

不同高度护栏-车辆碰撞后前视和俯视如图3。

表2 不同高度护栏碰撞仿真评价结果

Table 2 Collision simulation evaluation results with different height of guardrails

图3 不同高度护栏碰撞后前视和俯视

2 护栏改造方案

2.1 新型护栏模型

针对罩面后护栏高度不足的情况，在结合国内现有理论措施的基础上，提出可调高度护栏。高度可调节护栏设计方案和外观及内部构造如图4。

图4 高度可调节护栏设计方案和外观及内部构造

2.2 新型护栏仿真实验

仿真实验按照A，Am护栏防撞等级进行。碰撞中选择活动立柱最高位置处插孔，仿真验证护栏处于安全防护的最不利状态下满足安全标准，从而证明新型护栏满足安全标准。

图5为大客车与护栏碰撞最终过程前视和车辆驶出角度图。从图中可以明显看出车辆碰撞护栏后成功回到原行驶方向，无骑跨和穿越护栏现象。

图5 大客车与护栏碰撞最终过程前视和车辆驶出角度示意

2.3 碰撞仿真实验结果

参考JTG/TF 83-01—2004《高速公路护栏安全性能评价标准》进行高度可调节护栏碰撞仿真实验。结果表明，新型护栏满足A级碰撞等级要求。评价结果汇总如表 3 。

表3 碰撞仿真实验评价结果

3 结 语

建立了基于LS-DYNA显式动力分析程序的车辆-护栏碰撞仿真实验模型，按照我国规范和细则中规定的碰撞条件，对不同高度下护栏安全防撞能力进行仿真研究，得出护栏高度阈值为705 mm。在沿海高速公路护栏再利用中，提出高度可调节护栏设计方案，并进行仿真实验证明其满足规范要求，从而为高速公路改扩建或反复罩面后护栏再利用提供参考。

[1] 黄红武,莫劲翔,杨济匡,等.影响护栏防护性能的相关因素研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2004,31(2):45-47. Huang Hongwu,Mo Jinxiang,Yang Jikuang,et al.Research on correlative factors of the protective performance of W-beam guardrail [J].Journal of Hunan University:Natural Science,2004,31 (2):45-47.

[2] 杨宏志,张胜平,杨少伟.高速公路中间带护栏碰撞仿真实验[J].长安大学学报:自然科学版,2008,28(2):44-48. Yang Hongzhi,Zhang Shengping,Yang Shaowei.Simulation test on collision of vehicles on guard-rail of expressway median [J].Journal of Chang’an University:Natural Science Edition,2008,28(2):44-48.

[3] JTG D 81—2006 公路交通安全设施设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006. JTG D 81—2006 The Design Specification in Freeway Traffic Safety Facilities [S].Beijing:China Communications Press,2006.

[4] 周炜,张天侠,乔希永,等.汽车与不同形式高速公路护栏碰撞的试验研究[J].公路交通科技,2006,23(7):137-141. Zhou Wei,Zhang Tianxia,Qiao Xiyong,et al.Experiment on vehicle impact with different guardrails [J].Journal of Highway and Transportation Reach and Development,2006,23(7):137-141.

[5] 刘孔杰,崔洪军,郄彦辉.高速公路双波梁钢护栏改造方案碰撞实验研究[J].交通世界,2010(6):159-160. Liu Kongjie,Cui Hongjun,Qie Yanhui.The retrofit scheme collision experiment research on freeway double wave joist steel guardrail [J].Transportation World,2010(6):159-160.

[6] 黄红武,刘正恒,杨济匡.基于计算机仿真的汽车与高速公路护栏碰撞事故的分析与研究[J].湖南大学学报:自然科学版,2002,29(6):42-47. Huang Hongwu,Liu Zhengheng,Yang Jikuang.Analysis and investigation on car impact with highway barrier based on computer simulation [J].Journal of Hunan University:Natural Science,2002,29 (6):42-47.

[7] JTG/TF 83-01—2004 高速公路护栏安全性能评价标准[S].北京:人民交通出版社,2004. JTG/TF 83-01—2004 The Safety Performance Evaluation Standards of Guardrail on Freeway [S].Beijing:China Communications Press,2004.

Impact of Guardrail Height Variation on Anti-collision Capability

Cui Hongjun, Cui Shan, Xing Xiaogao, Liang Guofeng

(School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China)

Because of pavement overlaying, the guardrail height lowered, which influenced the safety performance of guardrail significantly. LS-DYNA, a kind of finite element (FE) analysis software, was used to carry out the simulated collision test with different heights of waved guardrails. The relationship between guardrail height lowering and security capabilities was analyzed quantitatively. The height threshold value of guardrail crash performance which met the requirement of specifications was determined. Reforming project on the original guardrail of highway along the sea was proposed, and the reforming project was proved to meet the requirement of specifications by computer simulation.

traffic engineering; height of guardrail; collision; simulation model; safety performance

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.01.18

2013-09-24；

2014-03-21

河北省自然科学基金项目(E2013202228)

崔洪军(1974—)，男，河北保定人，教授，博士，主要从事道路交通管理科学与技术方面的研究。E-mail：cuihj1974@126.com。

U417.1+2

A

1674-0696(2015)01-084-03