基于失控车辆诱导的斜护墩设计

魏连雨，冯 雷，宋 杨,2，张海峰,3

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061000 3. 华北高速公路股份有限公司，北京 100176)



基于失控车辆诱导的斜护墩设计

魏连雨1，冯 雷1，宋 杨1,2，张海峰1,3

(1. 河北工业大学 土木工程学院，天津 300401；2. 河北工程技术高等专科学校，河北 沧州 061000 3. 华北高速公路股份有限公司，北京 100176)

为建设更加安全、经济、环保的低等级公路侧路安保设施，提出了斜护墩的概念。通过结合HYPERMESH和LS-DYNA两种软件，对斜护墩、道路以及车辆碰撞模型体系进行整合，建立起完整的碰撞模型；使用LS-PREPOST对不同旋转角下车辆与斜护墩碰撞结果进行了数值分析。研究表明：斜护墩对失控车辆有着良好的诱导能力。结合公路交通安全设施设计规范，针对不同线型路段特点进行斜护墩旋转角度及布设间距研究，提出了一套较为完整的低等级公路路侧安保设施解决方案。

道路工程；斜护墩；数值模拟；低等级公路；路侧安保设施

随着我国经济建设的飞速发展，公路网的建设也取得了巨大的成就，其中三级、四级等低等级公路占很大比例。由于建设资金不充裕，部分低等级公路存在着安保设施不齐全的问题，许多学者已经在这方面展开了研究[1-2]。一些山区公路，依山临河而建，如果缺乏路侧安保设施，一旦车辆在这些路段冲出路面，后果将会十分严重。根据近几年事故资料统计[3]，由于安保设施不健全所引发的的事故已经成为交通事故主要原因之一。

路侧安保设施种类繁多，从设置特点上进行分类有连续式护栏，间断式护墩和警示类护桩等。从材料上分类有金属类护栏，钢筋混凝土类护栏和新材料类防护设施等[4]。从结构特点上分类有缆索式护栏，波形梁护栏，连续混凝土护栏，防护墩，警示桩以及各种仿生防护设施等。连续式的金属护栏和混凝土护栏一般造价较高、防护效果好，而间断式护墩或警示桩造价便宜但防护效果较差。

对于低等级公路安保设施设计，也有很多学者进行了研究。王仁伟等[5]对山区公路路侧护栏等级选择方法进行了总结；李雷等[6]提出了低成本的箱式填石护栏，徐倩等[7]对山区公路不同碰撞角度下的护栏结构进行了分析优化。

为解决低等级公路路侧安保设施的问题，笔者设计了一种新型间断式混凝土防护墩，即斜护墩。斜护墩通过一定程度角度转动以间断式护墩设置形式达到了连续护栏的诱导防护效果，以较少的建设资金投入，超低的养护成本，最大限度的减少低等级公路路侧事故造成的人员和财产损失。

1 设计综述

平顺的线型、平整的路面都有利于行车安全。但在车辆发生事故时，则主要依靠路侧安保设施对失控车辆进行保护，其保护作用主要有三个方面：

1)能够更加清晰的描绘出前方道路线性变化及道路轮廓，对驾驶员的驾驶起到良好的诱导作用，增加驾驶员行车安全感，并有一定程度的美化道路的作用。

2)在车辆失控时，通过与护栏的碰撞，能使车辆完成较小角度的转向，回到正常的形式路线中。在发生较大事故时，能起到阻拌车辆越出路外的作用，防止发生二次事故。

3)在碰撞中通过自身变形或使得车辆在一定程度上重心升高转化成势能，以此降低碰撞能量，减小撞击对驾驶员和乘客以及车辆的伤害。

不同类型的路侧安保设施所能达到的保护效果也不相同，逼着将一些典型的路侧安保设施功能及特点进行了汇总，如表1。

表1 不同类型路侧安保设施对比

由表1可以发现，防护效果较好的主要是连续护栏，但造价较高；而造价低的间断式护墩、警示桩，防护效果又不理想。对比高等级公路，许多低等级公路依山傍水，路侧就是悬崖，十分危险，路侧安保设施的设置又十分必要。多数低等级公路为了节省建设费用，公路线型多依照地形设计，弯道较多，线性较差，设计时速较低。在较低的行驶速度下，车辆失控碰撞的能量较小，这也使得修建较为经济的路侧安保设施成为可能。

间断式护墩作为路侧安保设施最大的优点是经济耐用，修建及养护都比较方便。缺点主要是由于是间断式布置，对失控车辆诱导能力差，如果失控车辆撞击在墩头处，会产生极大的碰撞能量。除了对车辆造成极大的伤害，也对护墩质量提出了极高的要求。同时规范中给出的建议布设间距没有根据线性和设计时速进行优化，也造成财产和资源的浪费。为优化间断式护墩作为路侧安保设施的防护效果和建设成本，逼着以安全、经济和环保作为设计理念，综合以上低等级公路的特点，结合JTG D81—2006《公路交通安全设施设计规范》[8](以下简称《规范》)中相关规定和要求研究设计了一种新型的间断式混凝土斜护墩，用以配套建设低等级公路路侧安保设施。

斜护墩是一种间断式路侧安保设施，通过转动上部墩块使之与行车路面方向形成一定角度，避免车辆直接撞击墩头处，对失控车辆产生良好的诱导，在一定程度上实现连续护栏的效果。同时根据道路线形、设计及运行时速及交通流构成进行斜护墩旋转角度及布设间距设计，进一步降低建设成本，达到安全、经济、环保的效果。

2 数值仿真模拟

在进行斜护墩布设间距及具体形式设计前，首先要确定斜护墩的保护效果以及影响斜护墩保护效果的重要因素。图1为斜护墩布设示意及与普通间断式护墩的对比。

图1 斜护墩与普通护墩对比及斜护墩保护车辆平面示意Fig.1 Oblique and general nursing care pier contrast and oblique care protection plan view of the vehicle

连续护栏相比较间断式护墩最大的优势是连续护栏以改变失控车辆行驶方向为主，有良好的诱导能力[9]，减小与车辆发生大角度碰撞而产生极大的冲击力，同时连续护栏可以作为整体吸收碰撞能量，避免车辆冲出路面。对于普通间断式护墩来说，失控车辆有50%的几率与墩头发生碰撞。如果车辆一旦与护墩墩头发生碰撞，会产生极大的碰撞能量，对车辆造重大损伤，如图1(a)。同时失控车辆也有可能冲垮护墩越出路外，造成二次伤害，这是笔者设计斜护墩时首要避免的问题。斜护墩则通过自身转动一定角度及布设间距的变化，保证车辆在以一定角度冲出路面时被墩身阻拦而不碰撞在墩头，以达到良好的诱导效果。

斜护墩碰撞角为冲出路面角度α及斜护墩自身转动角度β之和，较之于普通间断式护墩及护栏碰撞角要大，故本节数值模拟主要研究确定车辆冲击斜护墩时运动轨迹状态以及碰撞碰撞角度极限值，用以指导后文斜护墩具体设计。

2.1 建立模型

考虑到是低等级道路路侧安保设施，参照规范中公路护栏防撞等级B级要求，试验车质量10 t，碰撞速度40 km/h为基本条件建立模型。碰撞模型使用卡车总重9.99 t，总高度3.33 m，宽度2.4 m，总长8.6 m。模型主体采用壳单元，单元厚度为4.3 mm，采用24号材料MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY。悬架采用壳单元，单元厚度7.3 mm，采用24号材料。轮胎胎面采用壳单元，单元厚度20 mm，侧胎单元厚度10 mm，并均选用1号材料。模型中路面采用刚性材料，斜护墩高度80 cm，护墩设置为矩形，长200 cm，宽40 cm。以行车方向前端护墩中心为轴心向路外旋转不同角度。模型如图2。

图2 车辆碰撞整体模型Fig.2 Vehicle collision overall model

本次数值模拟计算假设条件如下：

1)假设车辆失控驶出路面为首次碰撞；

2)不考虑空气阻力影响，对车辆直接施加重力场；

3)考虑碰撞中摩擦影响，假设斜护墩在碰撞中不发生破坏；

4)假设碰撞前后车辆在初始设定条件下自由运动，不受驾驶影响。

2.2 碰撞结果分析

本次模拟假设车辆冲出路面角度为20°，共分析了斜护墩旋转角度5～40°(步长为5°)等8种不同情况，其碰撞角分别为25～60°[10]。此外，还进行了车辆碰撞墩头的仿真模拟。数值模拟计算主要在LS-DYNA中进行，使用LS-PREPOST进行分析可以得到9组仿真实验的结果。从车辆轨迹、车辆行驶速度变化、撞击力大小等方面进行分析，结果如表2。

表2 数值模拟结果分析

由表2可知，车辆撞击墩头时车辆直接损毁，撞击力峰值远大于与斜护墩碰撞时撞击力。在车辆与斜护墩碰撞时，随着碰撞角度的增大，车辆撞击减速的加速度值以及撞击力峰值都相应变大。由碰撞轨迹可知，当碰撞角度较小时，斜护墩对车辆的诱导作用主要是通过车头及车身与护墩擦碰使得车身回到正常行驶方向。当碰撞角较大时，车头与护墩产生严重碰撞，阻拦车辆越出路外。车身发生倾斜甩尾，与后方护墩产生二次碰撞摩擦。

图3为碰撞角为50°时行车轨迹。车辆于0.01 s碰撞到第1个斜护墩。第0.08 s车头右侧变形摩擦，车身发生轻微甩尾，车体向前行进。第0.28 s车头碰上第二个斜护墩，车身与第一个斜护墩摩擦，车体向前行进。0.45 s车头原理斜护墩，恢复正常行驶方向，显示出斜护墩良好的诱导能力。

图3 碰撞角为50°时车辆模型碰撞轨迹Fig.3 Vehicle model collision trajectory when the collision angle is 50 degree

通过数值模拟结果可知：斜护墩能够对车辆起到有效的诱导作用。碰撞角较小时，斜护墩在碰撞中改变失控车辆行驶方向，诱导车辆回到路面。同时应注意到的是，诱导过程中车辆与护墩会产生较大面积摩擦，故设计时应对斜护墩墩头进行优化，以弧形面为宜，以免在摩擦中墩头对车辆造成较大的二次损伤。碰撞角较大时，车辆与斜护墩产生严重碰撞摩擦，汽车重心升高，为保证车辆不侧翻，车辆与斜护墩极限碰撞角取50°。碰撞角越大对车辆伤害越大，故在设计时斜护墩旋转角β在综合各方面因素时应尽取最小值。

3 旋转角及布设单位长度研究

现有规范给出的间断式防护墩间距为2 m，为了更加经济、安全、环保的建设低等级公路路侧安保设施，逼着分析了研究低等级公路不同线型点，并设计出变间距斜护墩布设方案。

3.1 直线段条件下旋转角及布设单位长度研究

首先讨论直线段条件下斜护墩旋转角及布设单位长度问题。图1中：a代表护墩长度；b为最大布设单位长度，即一个护墩能够保护道路的最大长度；c为车辆宽度；α为车辆冲出路面的角度；β为护墩旋转的角度；车辆与斜护墩实际碰撞的角度为α与β两者之和。这4个变量互相影响。

按照《规范》[8]建议，首先确定护墩长度a=2 m，小车车辆宽度c=2 m。据统计，85%以上的车辆是以<20°的角度冲出路面的，《规范》[8]中也规定我国护栏碰撞角度为20°，所以笔者设计车辆冲出路面角度α最大取值20°。通过分别改变α与β的值来确定b的长度，如表3，其变化规律如图4。

表3 不同冲出角α下变化旋转角β时最大布设单位长度b的变化情况

图4 最大布设单位长度b随α和β变化规律Fig.4 The law of the max unit length b changing with different α and β

最大布设单位长度b的计算如式(1)：

b=a·sin(180-α-β)/sinα

(1)

通过表3及图4可以发现：随着斜护墩旋转角增大，最大布设单位长度b随之增大。当冲出角度较小时，b随β增大趋势较快；当冲出角较大时，b随β增大趋势较缓。对于低等级公路来说，一个护墩能保护的道路长度b越长，建设费用越经济；α与β角之和越小，碰撞能量越小。

在道路修建过程中，如果遇到较长的直线段，路面条件及视野较好时，考虑冲出角α时可以适当取较小值；如果直线段较短，或是复杂线性中的一段直线段时，α宜取较大值。

3.2 曲线段条件下旋转角及布设单位长度研究

较之于直线段，道路曲线段的斜护墩转角及布设单位长度研究更为复杂，增加了由平曲线半径决定的附加角γ等影响因素。图5为左转平曲线车辆冲出路面示意。

图5 车辆在曲线段冲出路面平面示意Fig.5 Vehicles off the road in a curve segment schematic plan

车辆通过直线段进入曲线段时，假设沿道路中心线行驶不转向直行，与路缘线形成的夹角为γ。车辆在弯道失控冲出路面时，设计中采用最不利情况下冲出路面角度为α与γ角度之和。故在弯道中失控车辆冲出路面角度一般大于直线段失控情况，这也是弯道事故多发的原因之一。

左转平曲线时γ角的取值主要是由平曲线半径以及路面宽度所决定的，设平曲线半径为r、路面宽度为d，则γ的计算如式(2)：

γ=arcos[r/(r+d)]

(2)

假设低等级公路为双向两车道，单幅路面宽度取3.75 m，表4为不同圆曲线半径下γ角取值大小。

表4 不同圆曲线半径值下γ角取值

左转平曲线条件下斜护墩转角及布设单位长度设计参照直线段设计情况，冲出路面角度取α与γ之和，斜护墩转角β取值为斜护墩与平曲线切线夹角，碰撞角即为α，γ和β这三者之和，如图3。最大布设单位长度b按直线段计算，施工时按曲线段弧长测量放样，其计算如式(3)：

b=a·sin(180-α-γ-β)/sin(α+γ)

(3)

假设最不利情况下α=20°。表5为不同曲线半径条件时各斜护墩旋转角下的最大布设单位长度及碰撞角大小。图6为各圆曲线半径下不同旋转角时最大单位布设长度变化趋势。

表5 各圆曲线半径下不同旋转角时最大单位布设长度及碰撞角

图6 各圆曲线半径下不同旋转角时最大单位布设长度变化趋势Fig.6 Each curve radius with different rotation angles of the largest units of different length change trends

由表5及图6可知，相同斜护墩旋转角度下，圆曲线半径越小，碰撞角度越大，最大布设单位长度b越小；相同圆曲线半径下，斜护墩旋转角度越大，碰撞角度越大，最小布设间距越大。对于墩长2 m的斜护墩来说，最大布设单位长度<3 m时，综合考虑安全保护效果及经济效益，修建连续型护栏更为合理。当圆曲线半径<250 m时，极限碰撞角为50°的前提下，最大布设单位长度均<3 m。所以当左转圆曲线半径<250 m时，宜布设连续护栏。

当弯道为右转平曲线时，失控车辆冲出路面角度为α与γ的差值，故碰撞角相应比直线段路面要更小，斜护墩布设单位长度可相应加大。但考虑弯道行车复杂性，故右转平曲线斜护墩布设单位长度宜与其连接的直线段上斜护墩布设单位长度相同。

4 低等级公路斜护墩布设建议

通过对斜护墩防护诱导效果的仿真模拟分析，结合斜护墩在不同道路线型情况下旋转角度及布设单位长度分析结果，笔者给出以下低等级道路斜护墩布设建议：

1)对于《规范》[8]要求设置路侧护栏的山区公路必须设置护栏，如受到资金限制可以采用笔者提出的斜护墩进行替代。

2)斜护墩旋转角取值主要根据路缘修建条件确定。路缘宽度较大，斜护墩可以取较大旋转角。

3)在较长直线段，视野及道路条件较好时，建议斜护墩旋转角度在15～30°之间，具体取值根据路缘条件确定。相应布设单位长度取4～10 m，具体长度依据旋转角度计算取整得到。在衔接圆曲线的较短直线段宜采取保守设计，布设单位长度不宜>6 m。

4)在行车方向左转圆曲线右侧斜护墩布设须根据圆曲线半径进行计算。当圆曲线半径<250 m时，宜采用连续护栏。当圆曲线半径>250 m时，随圆曲线半径增大可斜护墩布设单位长度从3 m逐渐变大，旋转角取值从25°相应减小，但布设单位长度不宜<4 m。

5)在行车方向右转曲线右侧斜护墩参照与其连接的直线段斜护墩布设单位长度进行布设。

6)直线段与曲线段相接的缓和曲线段斜护墩布设单位长度宜线性递增或递减衔接。

5 视觉引导特点及经济效益分析

5.1 斜护墩视觉引导特点

对于山区低等级道路来说，路侧护墩是十分重要的安保设施。而斜护墩最大的特点是其通过旋转一定的角度，达到了连续护栏的效果，通过对失控车辆的诱导，减少对事故车辆的损害，这一点较之于普通护栏有极大的优势。此外，斜护墩对驾驶员视觉也有着积极的引导作用。图7为等间距下普通护墩与斜护墩的驾驶员视角对比。

图7 驾驶员视角对比Fig.7 The comparison chart of driver’s perspective

通过图7可以看出，斜护墩有更好的视觉引导作用。在相同布设间距下从驾驶员的角度观察，普通护墩在车辆附近是间断的，而斜护墩则是连续的。山区道路路侧往往是深沟山涧，斜护墩产生的连续视觉效应不仅能够更加清晰的描绘出前方道路线形变化及道路轮廓，还能起到能集中驾驶员的注意力，增加驾驶员行车安全感的作用。同时由于斜护墩在视觉上是连续的，通过对斜护墩侧面图样的科学绘制，还能起到一定的道路信息传达作用。

5.2 斜护墩经济效益分析

斜护墩不影响路基宽度，一般道路路缘至边坡最少有0.5 m，斜护墩约有15°旋转空间，故一般道路都可修建斜护墩，不会影响原有路面宽度或增加路基建设成本。路侧空间越大，斜护墩可旋转角度越大。根据表3计算数据，对比现有规范的护墩布设方案，可得到单位公里建设成本节省数据。表6为斜护墩旋转角为30°时不同冲出角下采用斜护墩单位公里建设成本节省数据。

表6 采用斜护墩单位公里建设成本节省数据

由表6可知采用斜护墩可以大大减少路侧安保设施的建设成本，根据不同的布设形式可节省路侧安保设施建设资金10%～70%。这也就意味着可以用更少的建设资金使得更多道路得到保护，这对山区道路安全有着重要现实意义。

6 结 论

笔者通过数值仿真模拟研究了不同碰撞角下车辆与斜护墩撞击的各种情况，在此基础上分析研究了不同低等级公路线型斜护墩布设单位长度及旋转角度，得出以下主要结论：

1)斜护墩对失控车辆有良好的诱导作用，能在一定程度上起到连续护栏的保护效果；

2)为保证车辆不倾覆，车辆与斜护墩最大碰撞角为50°；

3)改变斜护墩旋转角度，可相应改变斜护墩布设单位长度。根据不同公路线型，斜护墩采取变间距布设方案，从而达到节约建设费用的效果。

[1] 刘唐志,唐伯明,凌建明,等.城乡结合部公路交通事故规律分析及治理对策[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2008,27(5):767 -771. Liu Tangzhi,Tang Boming,Ling Jianming,et al.Analysis on traffic accidents law and its countermeasures of rurbania roads [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2008,27(5):767-771.

[2] 刘伟.交通事故多发路段危险因素的模糊诊断法[J].重庆交通大学学报:自然科学版,2009,28(4):733-735. Liu Wei.Fuzzy diagnosis method of dangerous factors in road accident-prone section [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2009,28(4) :733-735.

[3] 杨树明.重庆交通简明统计资料[M].重庆:重庆市交通委员会,2008. Yang Shuming.The Concise Chongqing Traffic Statistics [M].Chongqing:Chongqing Traffic Committee,2008.

[4] JTG/T D 81—2006 公路交通安全设施设计细则[S].北京:人民交通出版社,2006. JTG/T D 81—2006 Guidelines for Design of Highway Safety Facilities [S].Beijing:China Communications Press,2006.

[5] 王仁伟,高建平.山区公路路侧护栏等级选择方法[J].西部交通科技,2008(3):24-27. Wang Renwei,Gao Jianping.Grading selection method for road side guardrail on mountainous highway [J].Western China Communications Science & Technology,2008(3):24-27.

[6] 李雷,贾宁,于海霞.山区公路低成本箱式填石护栏的研究开发[J].公路,2013(1):255-259. Li Lei,Jia Ning,Yu Haixia.Research and development of box stone-filled guardrail with low cost for mountain highway [J].Highway,2013(1):255-259.

[7] 徐倩,樊军,谭纪全.山区公路路侧护栏在不同碰撞角度下的结构分析与改善对策[J].交通科技,2012(2):100-103. Xu Qian,Fan Jun,Tan Jiquan.Structural analysis and corrective action of corrugated beam barrier on highway side in mountain area [J].Transportation Science & Technology,2012(2):100-103.

[8] 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 Specifications for Design of Highway Safety Facilities [S].Beijing:China Communications Press,2006.

[9] 雷正保.汽车纵向碰撞控制结构设计的理论与方法[M].长沙:湖南大学出版社,2001. Lei Zhengbao.Car Collision Theory and Method of Controlling the Vertical Structure Design [M].Changsha:Hunan University Press,2001.

[10] 交通部公路安全保障工程技术组.公路安全保障工程实施技术指南[M].北京:人民交通出版社,2007. The Group of Ministry of Transportation Highway Safety Engineering Technology.Technical Guide Highway Safety Project Implementation [M].Beijing:China Communications Press,2007.

Design of Oblique Guard Pier Based on Induction of Runaway Vehicle

Wei Lianyu1, Feng Lei1, Song Yang1, 2, Zhang Haifeng1, 3

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;2. Hebei Engineering & Technical College, Cangzhou 061000, Hebei, China;3. Huabei Expressway Co. Ltd, Beijing 100176, China)

In order to build safer, more economical and environmentally friendly rural road side security facilities, the concept of oblique guard pier was proposed. By using software HYPERMESH and LS-DYNA, oblique guard pier, road and vehicle collision model system were integrated, and a complete collision model was established. LS-PREPOST was used to carry out a numerical analysis on the vehicle and the oblique guard pier collision under different rotation angles. The results indicate that oblique guard pier has a good ability to induce the runaway vehicle. On this basis, combined with road traffic safety facilities design specifications, retaining pier oblique angle of rotation and linear layout spacing for different sections of study, a more complete rural highway roadside security infrastructure solutions were proposed.

road engineering; oblique guard pier; numerical simulation; low-grade highway; roadside security facility

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.12

2014-05-04；

2014-10-20

国家自然科学基金项目(50808064); 河北省交通运输厅科技计划项目(C080213)

魏连雨(1957—)，男，天津人，教授，博士生导师，主要从交通及道路方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

U491.59

A

1674-0696(2015)05-058-07