搭接式波形板活动护栏安全性能分析

滕玉禄

(北京市高速公路交通工程有限公司 101102)

引言

高速公路对向车道交通应采用护栏完全封闭隔离, 正常运营期间普通车辆只能单向行驶, 为方便特种车辆掉头和单侧道路施工封闭时临时开启放行[1,2], 高速公路中分带开口处须设置具有安全防护能力和便于开启的活动护栏。

截至2018年, 高速公路绝大多数采用已废止《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2006)标准中推荐的插拔式活动护栏和伸缩式活动护栏, 在实践应用中, 发现这两种活动护栏仅具备诱导和隔离功能, 失控车辆碰撞易对车辆和司乘人员造成严重损害, 甚至车辆穿越或翻越活动护栏造成二次恶性事故, 安全防护能力严重不足。

为增强高速公路安全服务运营水平, 国内研究人员已对Am 级(防护能量≥160kJ)活动护栏进行相应研究, 其仅适用于防护等级较低的道路。为进一步提升中分带开口处活动护栏安全防护能力, 以现行交通安全设施规范为基础, 提出一种搭接式波形板活动护栏结构方案, 其防护等级为SBm(防护能量≥280kJ), 在满足可快速开启和移动的使用功能条件下, 通过模拟仿真分析和实车足尺碰撞试验评价对其各项安全性能评价指标进行验证。

1 安全性能评价要求

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)中活动护栏安全性能评价要求, 须采用小型客车、大客车、大型货车三种车型分别对活动护栏的中部和端部两个碰撞点进行六次碰撞试验[3],碰撞试验位置和条件如图1 和表1 所示。碰撞评价指标: 阻挡功能, 缓冲功能, 导向功能。

图1 活动护栏碰撞位置Fig.1 Collision position of movable barriers

表1 SBm 级活动护栏试验条件Tab.1 Test conditions for SBm level movable barriers

2 结构方案设计

国内大部分高速公路中分带标准段护栏为波形梁护栏, 采用波形板作为活动护栏构架可与标准段护栏保持一致, 具有较好的视线诱导效果; 《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)中高速公路SBm 级波形梁护栏均采用三波板, 为了更好地与标准段护栏过渡连接, 活动护栏两侧采用4mm 三波形梁板, 中间焊接多个横向支撑, 有效将两侧波形梁板连接一起, 使两侧波形梁板在碰撞过程中协同受力, 两个三波板下方均设置槽钢横梁,防止小型客车碰撞时下穿活动护栏, 活动护栏单元框架下方设置万向轮, 可进行快速移动, 活动护栏框架单元形式如图2 所示。

活动护栏由多节框架单元组装而成, 两节活动护栏框架单元采用插拔式立柱和连接构件连接在一起, 如图3 所示, 同时活动护栏框架之间采用波形梁板搭接式, 避免了失控车辆碰撞过程中两节活动框架单元产生断裂开口刮蹭车体, 甚至护栏板插入车体的事故。

图2 活动护栏框架单元Fig.2 Movable barriers frame unit

图3 活动护栏框架单元搭接Fig.3 Movable barriers frame unit overlapping

3 计算机模拟仿真碰撞分析

按表1 中试验条件, 结合实际尺寸建立三种车辆模型, 依据车辆的材料属性, 采用Cowper-Symons 模型来确定材料的应变率。根据评价规范确定小型车轮胎胎压为0.3MPa, 大型车胎压为0.8MPa。基于惩罚函数法的Automatic_Single_Surface 接触类型解决边界非线性问题[4]。

采用经实车碰撞试验验证的高精度有限元分析软件LS-DYNA 仿真模型对搭接式波形板活动护栏进行仿真碰撞分析[5], 通过计算机仿真分析, 各种车辆均可顺利导出, 形态见图4 和图5,未发生穿越和翻车等不满足安全指标的状况。

图4 车辆碰撞护栏中部试验仿真Fig.4 Experimental simulation of vehicle impact on middle part of barriers

图5 车辆碰撞护栏端部试验仿真Fig.5 Experimental simulation of vehicle impact on end part of barriers

通过计算机模拟仿真分析, 6 辆车辆仿真碰撞护栏各项安全性能评价指标均满足评价标准的要求, 但计算机存在一定人为设定因素, 具有一定误差与局限性, 世界各国均要求公路护栏通过实车足尺碰撞试验验证方可应用在实际道路中[6]。

4 实车足尺碰撞试验验证

搭接式波形板活动护栏按计算机仿真结果优化后1∶1 比例进行加工制作, 按高速公路一般长度设置40m 试验样品安装在碰撞广场上, 并在两侧设置标准段波形梁护栏锚固[7]。

4.1 小型客车试验结果

小型客车碰撞活动护栏中部和端部行驶轨迹见图6, 可见小型客车碰撞护栏后平稳驶出, 并恢复到正常行驶姿态, 护栏导向性能良好; 没有穿越、翻越和骑跨护栏, 护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图6 小型客车碰撞活动护栏Fig.6 Passenger car impact on barriers

小型客车碰撞活动护栏中部和端部缓冲性能评价如表2 所示, 可见乘员碰撞速度的纵向和横向分量均不大于12m/s, 乘员碰撞后加速度的纵向和横向分量均不大于200m/s2, 满足评价指标要求。

表2 小型客车碰撞试验缓冲性能Tab.2 Buffering performance of passenger car collision

4.2 大型客车碰撞试验结果

大型客车碰撞活动护栏中部和端部行驶轨迹分别见图7, 可见大型客车碰撞护栏后平稳驶出,并恢复到正常行驶姿态, 护栏导向性能良好; 没有穿越、翻越和骑跨护栏, 护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图7 大型客车碰撞护栏Fig.7 Bus impact on barriers

4.3 大型货车碰撞试验结果

大型货车碰撞活动护栏中部和端部行驶轨迹见图8, 可见大型货车碰撞护栏后平稳驶出, 并恢复到正常行驶姿态, 护栏导向性能良好; 没有穿越、翻越和骑跨护栏, 护栏阻挡功能满足评价指标要求。

图8 大型货车碰撞护栏Fig.8 Single-unit truck impact on barriers

根据三种车型对活动护栏两个碰撞点共计六次实车足尺碰撞试验检测结果可知, 各项指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)的要求, 搭接式波形板活动护栏安全性能满足SBm 级防护等级要求。

5 结语

针对高速公路中分带开口处需求, 结合高速公路中分带护栏应用情况, 采用计算机模拟仿真分析和实车足尺碰撞试验验证, 开发了一种搭接式波形梁护栏, 其两节框架单元采用波形梁板搭接结构, 有效防止活动护栏框架单元断裂开口对失控车辆和人员损害。搭接式波形板活动护栏各项安全性能评价指标满足规范中SBm 级(防护能量≥280kJ)的要求, 可有效提升高速公路安全防护水平, 同时搭接式波形梁护栏具备快速开启和移动功能, 满足运营管理人员使用要求。