高速公路弯道缓冲护栏装置设计研究*

戴金钢，刘 军*，高博麟

(1.宁波大学 机械工程与力学学院，浙江 宁波 315211;2.中国汽车技术研究中心，天津 300300)

0 引言

随着我国公路里程量的扩展和汽车保有量的不断快速上升，公路交通的事故问题日益凸显，特别在中西部情形更加严峻，一则，由于经济落后等原因，车辆本身状况不容乐观。二则，中西部的地形复杂，多弯道和陡坡。弯道是公路的特殊路段，也是交通事故的高发路段，针对弯道护栏设计一般只会对道路单位长度增加立柱的数量来增加护栏整体的强度，其做法大都来源于经验，缺乏深入细致的分析。

《公路安全保障工程实施技术指南》［1］将急转弯道路段定义为设计速度小于60 km/h，北京工业大学在研究1 000 余个半径介于60 m～600 m 弯道路段后，发现平曲线半径小于60 m 时，速度存在突变现象，认为小于60 m 的平曲线半径为急弯［2］。

当车辆驶入急弯路段时，司机因对路况不熟悉而车速过快，车辆极易发生转向不足或转向失控，冲向外侧或内侧护栏，轻者车辆损坏，重者车辆则可能冲出路面，造成重大事故。在雨、雪、雾等能见度不利气象条件下，这种情况更为严重。

与直线路段车辆与护栏事故相比较，急弯路段内的失控车辆与护栏的碰撞角要远大于《公路安全设施设计细则》［3］规定的20°，以碰撞角θ=25°为例，根据动能定理E=m(v×sinθ)2/2，其碰撞能量是碰撞角θ=20°碰撞能量的1.53 倍。假如直线段护栏采用碰撞能量为160 kJ 的A 级半刚性护栏，则弯道内护栏需要采用碰撞能量为160×1.53≈240 kJ 的护栏，这个能量等级远大于A 级护栏的碰撞能量，采用加密立柱方案显然存在护栏防护能力不足缺陷，失控车辆可能冲出路外［4］。

因此，本研究对公路弯道路段的护栏装置设计进行理论及仿真研究。

1 模型参数确定

本研究借鉴北京工业大学的研究成果将急转弯道定义为半径小于60 m 的弯道。

1.1 传统弯道半刚性护栏模型仿真

1.1.1 传统弯道半刚性护栏模型参数

北京深华科交通工程有限公司的王康臣等［5］对波形梁各结构构件和整体性能进行了分析，通过对同等截面积的圆管形、H 形柱截面形式的立柱进行有限元动力碰撞分析，得到了H 立柱的抗弯惯性矩最大，抗扭惯性矩与圆柱接近，综合效果最佳;立柱基础选择常见的桩基础，防阻块选取普通的六角形防阻块。因此本文采取其结论，利用HyperWork 软件建立的小车建立同等结构的弯道波形梁防护栏模型如图1 所示。

图1 车与护栏碰撞CAE 模型示意图

本研究所使用的小车模型为福特公司生产的Taurus，整车参数如表1 所示。该模型来源于美国国家碰撞分析中心(NCAC)，Taurus 经过仿真与实车试验结果对标，其模型结构与材料与实车基本相同，因此，可以保证车辆模型的精确性［6］。

表1 Taurus 主要参数

防护栏波形梁、H 型立柱、防阻块皆采用* MAT 24 弹塑性材料，ρ=7.865×103kg/m3，弹性模量E=2.0× 105MPa，泊松比u=0.27，屈服应力σs=310 MPa，剪切模量G=763 MPa。

接触设置:汽车-防护栏碰撞模型中，对其主要的5 对接触进行设置，详细介绍如表2 所示。

表2 接触定义

汽车-护栏碰撞模型由于不考虑埋入土层的混凝土被碰撞情况，简化其接触定义，仅对地基施加底部固定约束。

模型的建立虽然经过了简化，但各项材料的类别定义和主要接触、约束、参数的设置与实际工况相符，符合行业的普遍做法［7-8］。

1.1.2 数值模拟

在数值模拟中采用的两种典型工况:

(1)小车相对弯道护栏以25°碰撞角、80 km/h 纵向速度撞击护栏(碰撞角为车辆纵轴线与其延长线与护栏相交点的切线之间的夹角)。

(2)小车相对弯道护栏以25°碰撞角、100 km/h 纵向速度撞击护栏。

评价指标参照《高速公路护栏安全性能评价标准》［9］，从车辆行驶轨迹、车辆质心加速度、系统能量以及车辆损伤形态4个方面来系统研究护栏在碰撞中的阻挡、缓冲及导向作用。

(1)车辆运行轨迹

防护栏导向功能是指碰撞车辆向行车方向顺利导出并恢复运行状态的能力，其最好的评价指标是车辆运行轨迹。

小车分别以25°的角度(小车纵向平面与护栏碰撞点处的切平面间的夹角)和不同速度撞击护栏的空间轨迹图如图2 所示。由图2 所示，普通护栏在碰撞过程中阻绊了小车，且H 形立柱发生了倒伏，护栏立柱与地面的最大夹角小于60°。最终小车钻入在普通护栏。

图2 车辆与护栏碰撞轨迹图

(2)乘员加速度

当车辆与护栏相撞并被护栏挡住后，车辆与乘员均会受到冲击加速度的作用。当冲击加速度达到一定程度后，人体就会受到相应程度的伤害。一般进行乘员安全评价时，主要考虑在碰撞过程中乘员所受冲击加速度持续时间为10 ms 时，其最大瞬时加速度，一般要求其小于20g，越小越好。

乘员加速度曲线如图3 所示，两个工况下普通护栏的X，Y 方向及和合成加速度的峰值均超过20g，表明在碰撞过程中，乘员受到剧烈冲击，造成人员和车辆被伤害。小车以80 km/h相撞后200 ms 左右，纵向减速度上升至300 m/s2(约为33g)，然后下降。

图3 乘员加速度曲线

(3)系统能量

系统能量变化如图4 所示，传统护栏在撞击过程中，车辆动能逐渐减小并转化为护栏和车辆的内能。A 工况动能转化内能的比率为72.8%，B 工况为76.7%，表明碰撞能量大部分由波形梁和立柱及车辆变形所吸收，这一点也可以从护栏车辆发生剧烈变形看出，车辆-传统护栏损伤形态如图5 所示。

图4 系统能量变化

图5 车辆-传统护栏损伤形态

(4)车辆—护栏损伤形态

截图均取自撞击力最大的时刻(A 工况0.074 s，B 工况为0.11 s，X 方向的位移最大值为143 mm，在0.075 s 处)。

两个工况同时存在轮罩、翼子板及前防撞梁被完全压溃，其A、B 柱变形显著，工况A 中有两根立柱与地面的夹角超过45°，且车前局部挤压变形剧烈，而工况B 右前轮因挤压变形而失效，右侧车门从中部折弯，并向外打开，同时有多根立柱与地面的夹角超过60°。

(5)横纵向速度分析

传统护栏:以80 km/h 速度、碰撞角度为25°，相撞后220 ms，速度降到最低(约为10 km/h)，然后基本保持速度不变，传统弯道护栏碰撞速度与时间曲线如图6 所示。

图6 传统弯道护栏碰撞速度与时间曲线

1.2 带防撞圈装置的弯道半刚性护栏模型

根据传统半刚性护栏在弯道碰撞事故仿真中出现的车辆与护栏损害过大的不足情况，本研究提出一种带有柔性防撞(刚-柔-刚组合结构)的护栏装置。近几年来，在桥梁防撞领域出现了一种新型的柔性防撞装置，其中宁波大学力学与材料研究中心为浙江象山港跨海大桥设计的柔性防撞装置如图7 所示。它的防撞理念是:一方面防撞装置吸收部分碰撞能量，另一方面防撞装置改变船舶的航向，使船舶带走大部分动能，从而大大降低了船舶的撞击力。这种柔性防护结构通常可以得到较好的防撞缓冲效果，对碰撞双方都能起到保护作用，并且它的造价也相对较低。2011年在宁波象山白墩港大桥主桥墩实船撞击实验中得以验证其有效性，如图7(c)、7(d)所示。

图7 浙江象山港跨海大桥新型柔性防撞装置

本研究将该种结构装置应用到高速护栏中，设计出一种新型的缓冲防护栏。该装置为外层刚构件、中间柔性单元(防撞圈)和内层刚构件组成的三层结构如图8(a)所示。受车辆高速撞击处的外层构件不会产生大的局部变形，其基本上能保持整体刚性移动，因而能带动位于其内侧的柔性防撞圈变形，柔性防撞圈的变形又为外刚围提供了移动空间。同时，柔性防撞圈又能起到隔阻强冲击波、减小撞击力、缓冲(延长低载荷下撞击过程时间)等多效果。尤其是延长较低载荷下撞击过程时间和阻止防撞护栏外层钢构较大移动，可使车辆有时间和空间转向，使车辆能沿防撞护栏外侧滑走，从而带走车的大部分动能，大幅降低车-护栏撞击过程中的碰撞力，减小因过度反弹进入另外车道发生二次碰撞事故的概率，从而尽最大可能地保护失控车辆和乘员的安全。

图8 新型缓冲防护栏

当车辆撞到防护栏装置上时，防护栏需要提供很好的柔性(即保证外钢围能够产生足够的位移)，这种柔性由防撞圈提供。防撞圈一般由钢丝绳圈或者橡胶圈构成，防撞圈仿真示意图如图8(b)所示。单个防撞圈的试验与理论模型的力—位移曲线［10-11］如图9 所示。其中试验数据来自于防撞圈的压缩试验，理论模型采用ZWT 模型［12］。应力应变关系式为:

转化为实际计算中需要的力—位移关系(力F、位移Δu、弹簧系数K、加载速度v(τ))为:

在冲击载荷下则与式(2)相对应地化为:

图9 直径400 mm 防撞圈压缩力—位移实验与理论曲线

在恒定的加载速度下，式(2)可化为:

在恒定卸载速度下，则化为:

式(5)中的材料参数可由与柔性防撞圈实测的力-位移试验曲线进行拟合确定。由于双层横梁之间的防撞圈表现出足够的柔性，车辆推着外侧横梁运动。由防撞圈的力学特性所示:在碰撞的初期，外侧横梁后退时产生的力较小(防撞圈的力—位移曲线有一个较大的低应力平台);撞击后期，当外侧横梁后退一定距离后，防撞圈被压实(防撞圈为空心)，作用力会加大(图9 中防撞圈二次弹性阶段)。由此可知撞击力能长时间保持在较低作用力下，使事故车辆有足够的时间和空间改变其行驶方向，且车辆的部分动能可保留在车辆上，继续沿外侧横梁侧向前滑动。这种设计既可缓冲撞击过程，防止二次事故的发生。

为了实现防撞圈的数值模拟，本研究采用4条粘弹性弹簧来实现与防撞圈相似的力-位移关系，如图8(b)所示。

2 仿真结果分析

2.1 车辆运动规律分析

2.1.1 运行轨迹分析

车辆与新型柔性缓冲装置防护栏碰撞轨迹图如图10 所示。小车分别以25°的角度(小车纵向平面与护栏碰撞点处的切平面间的夹角)和不同速度撞击护栏的空间轨迹图，新型柔性缓冲装置防护栏可以有效的防止车辆冲出路外，并且可以使车子贴着护栏外侧前进，并最终摆正车头，回到正常行驶方向。

图10 车辆与新型柔性缓冲装置防护栏碰撞轨迹图

2.1.2 横纵向速度分析

新型柔性缓冲装置防护栏碰撞速度与时间曲线如图11 所示。小车以80 km/h 相撞后250 ms 后，纵向速度降至51.6 km/h，然后保持不变，速度下降约来初始速度的64.5%;小车以100 km/h 相撞后350 ms 后，纵向速度降至39 km/h，然后保持不变，速度下降约为初始速度的39%说明小车在碰撞过程能量损耗小，当碰撞结束后，仍能以相对较大的速度回到原来车道行驶。

图11 新型柔性缓冲装置防护栏碰撞速度与时间曲线

2.1.3 乘员加速度分析

新型柔性缓冲装置防护栏的加速度与时间曲线如图12 所示:小车以80 km/h相撞后从25 ms～170 ms间，横、纵向减速度在5g 左右波动，最大和分别为8.8g和10g;100 km/h 相撞后从20 ms～250 ms间，横、纵向减速度在8g 左右波动，最大减速度分别为13g和15.5g表明小车处于稳定减速状态。

图12 柔性护栏撞击护栏的加速度与时间曲线

2.2 碰撞过程能量转化分析

能量-时间曲线如图13 所示。由图13 可知:在新型柔性防护栏作用下，参与交换并最终转化为小车与装置内能的动能远小于车辆的总动能。随着车辆总动能的增加，转化的比例越来越小，在100 km/h 的速度碰撞时，转化比例仅为初始总动能的15.3%，而80 km/h的速度碰撞时转化比例为44.4%。

图13 柔性护栏撞击护栏的能量与时间曲线

2.3 碰撞过程中力与损害的分析

传统半刚性护栏和装有缓冲装置的柔性护栏在A、B 工况下最大接触力与时间曲线分别如图14(a)、14(b)所示。从图14(a)可知:在碰撞过程中车辆对护栏撞击力剧烈波动，其最大值为70 kN，但从如图15所示的损伤示意图可以看到车前部件局部剧烈变形，防撞梁最大变形量达到143 mm，说明在小车与传统护栏碰撞过程中，局部受力和变形均非常大;而图14(b)中装有缓冲装置的柔性护栏以80 km/h 速度(左)和100 km/h 的速度(右)撞击护栏的最大接触力与时间曲线接触力变化平缓，但承受接触力的能力得到了极大地提升，约为普通护栏承载能力的580%。而且A、B 工况车辆的轮罩、翼子板等均显著变形，但防撞梁无变化，右前车门与护栏有轻微挤压变形现象，无立柱与地面的夹角小于60°，防撞梁最大变形量仅为20 mm，防护效果良好。

图14 接触力与时间曲线

图15 损伤示意图

3 结束语

研究结果表明:

(1)在急弯(R=60 m)处，小车撞向护栏的工况下，按直道半钢性波形梁护栏设计的护栏不能满足要求，车辆易发生小车穿越或钻入危险事故。

(2)安装在弯道处的新型柔性缓冲装置防护栏可以有效地将以大角度碰撞护栏的车辆拦在道路内，并且使车辆贴着外侧横梁前进，并最终摆正方向。

(3)在车辆与护栏碰撞接触过程中，柔性护栏在70%时间内维持一个稳定的应力水平，使车辆保持最初姿态，并且有足够的时间回到正常的行驶车道。

(4)在车辆与柔性护栏碰撞接触过程中，小车动能转化为内能的比例低，最高为35.3%，小于小车传统护栏相撞转化比例76.7%，并且小车还能以较大速度驶离防护栏，回到正常行驶车道，防止出现第二次事故。

(5)在车辆与柔性护栏碰撞接触过程中，小车防撞梁的最大变形仅约为车辆与传统护栏相撞变形的14%，极大地分散了对车辆和乘员的冲击力和减小了车辆的损伤，即降低了财产的损失。

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