新型钢管预应力索防撞活动护栏研发*

2021-01-20常志宏杨福宇刘航龚帅亢寒晶

特种结构 2020年6期

常志宏杨福宇刘航龚帅亢寒晶

(1.山东高速股份有限公司济南250014; 2.北京华路安交通科技有限公司 100070)

引言

中央分隔带开口护栏(以下简称活动护栏)在正常情况下要求具有一定的防撞和隔离性能, 在临时开启放行时应能快速、方便地移动[1]。2018年我国最新实施的行业标准《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)中规定: 高速公路中央分隔带开口护栏不得低于三(Am)级。目前国内采用的活动护栏大多仅满足方便开启, 但是不防撞或防撞等级偏低; 还有小部分特殊路开口段设置混凝土护栏或者与地面锚固的钢结构, 几乎丧失了移动和开启的使用功能[2-4], 事故发生后需要开启时, 给车辆通行或救援增加了很大难度。

本文提出一种新型钢管预应力索防撞活动护栏, 在满足高速公路基本防护能力的基础上, 可实现灵活移动、方便开启的使用效果, 并根据相关标准要求, 采用计算机有限元仿真模拟计算和实车足尺碰撞试验两种技术手段[5], 对护栏各项安全性能指标进行分析和验证。

1 新型钢管预应力索防撞活动护栏结构

新型钢管预应力索防撞活动护栏设计防护等级为三(Am)级, 主要由标准段框架结构、单元连接构件以及端部结构组成。

1.1 标准段框架结构

图1 为活动护栏标准段框架, 主要由横梁钢管、连接框架、钢绞线、锚具、支撑柱及万向轮等部件组成, 横梁钢管内穿入钢绞线并在两端采用锚具施加一定预应力; 每节设置三层两排共6根横梁钢管, 每根横梁的高度均结合车辆碰撞过程进行确定, 每根横梁均通过连接框架锚固成整体, 使其能够协同受力; 连接框架设计为类“目”字通透形, 具有较高的整体性和强度, 弯管结构可以防止车辆碰撞时发生绊阻; 连接框架底部设置支撑柱及万向轮, 在保证车辆碰撞时高度的同时方便护栏灵活移动, 每套活动护栏中由若干标准段框架组装成中间段。

图1 标准段框架结构Fig.1 Frame structure of standard segment

1.2 单元连接构件

单元连接构件设置在每节标准段框架之间,是保证护栏整体协同受力的关键。图2 为本设计结构单元连接构件, 其主要由U 形连接外套、U形连接内套组成, 两侧构件通过通孔和连接销实现连接, 并通过锚垫盖环、锚垫板及锚具固定在横梁钢管两端, 通过圆孔套连设计可实现360°旋转, 能够很好地适用于直道和弯道线形路段。

图2 连接结构Fig.2 Connection structure

1.3 端部结构

端部是新型钢管预应力索防撞活动护栏的重要结构, 起到锚固活动护栏中间段、合理过渡活动护栏中间段到中分带护栏的作用, 活动护栏端部结构由端部框架、端部可调节连接杆、过渡板及端部基础组成, 见图3。

图3 端部结构Fig.3 Terminal structure

1.端部框架

端部框架是与路面锚固的唯一受力构件, 可实现对活动护栏标准段的有效锚固和自身结构的协调, 主要由钢管桁架及法兰板组成, 采用5 根立柱成三排排列, 靠近中间段的第一排立柱为1根, 后两排分别为2 根, 立柱之间焊接导向管和钢管横梁, 以实现对碰撞端部的车辆进行导向并使框架整体协调受力, 底部通过法兰板与路面钢筋混凝土基础内预埋螺栓连接锚固。

2.端部可调节连接杆

端部可调节连接杆使活动护栏中间段与端部框架连接, 构件主体是两端设有螺纹的长螺杆,并将其插入端部框架上纵向设置的导向管内, 预紧装置设置在端部连接构件处, 长螺杆、螺母和端部框架的配合使护栏具有长度适应性, 实现活动护栏长度约1m 的调节, 很大程度提升了护栏的安装适用性。

3.过渡板

活动护栏端部框架两侧采用三波板作为过渡板, 并通过过渡板实现活动护栏到中分带护栏的过渡, 三波形板形式可满足绝大部分的过渡结构形式。

4.端部基础

端部基础通过法兰板锚固端部框架, 锚固螺栓可以通过预埋或植筋两种形式, 达到较好的锚固效果, 同时损坏更换施工简便, 利于后期养护维修。

2 碰撞条件和评价指标

活动护栏关闭时应具备相应的隔离和防撞能力, 防止车辆闯入对向行车道。参照有关标准规定[1,6], Am 防撞等级碰撞条件如表1 所示, 碰撞点位置包括护栏中点处和距终点2m 处。

表1 碰撞条件[6]Tab.1 Impact conditions[6]

活动护栏的评价指标主要包括: 能够阻挡车辆穿越、翻越和骑跨, 且试验护栏构件及脱离件不得侵入车辆乘员舱; 碰撞后车辆能够平稳驶出(不得翻车), 车辆驶离轨迹不得超出标准规定的导向驶出框范围; 乘员碰撞速度的纵向与横向分量均不得大于12m/s; 乘员碰撞后加速度的纵向与横向分量均不得大于200m/s2[6,7]。

3 有限元仿真计算和实车碰撞试验

3.1 模型建立和试验准备

按照表1 碰撞条件, 按1∶1 实际尺寸分别建立小客车、中型客车、中型货车撞击护栏中点处和距终点2m 处两个碰撞点的碰撞模型[8], 如图4 所示。由于车辆和护栏结构大多为金属板壳, 故碰撞模型以四边形二维壳单元为主进行建模, 并控制三角形壳单元不超过模型中单元总数的5%; 连接螺栓及预应力索采用一维单元模拟;车辆与护栏发生相互撞击的部分采用基于惩罚函数法的接触方式处理[9,10]。

图4 碰撞模型Fig.4 Impact models

按照表1 碰撞条件, 根据设计图建造试验护栏, 并准备试验车辆, 对活动护栏中点处和距终点2m 处两个碰撞点进行安全性能评价, 如图5所示。小客车、中型客车、中型货车分别配载至1.5t、10t 和10t, 车辆总质量、整备质量和重心位置符合现行标准要求, 试验车辆的内外进行清洁处理, 顶部与侧面根据图像数据采集需要设置明显清晰的基准线和基准点标识[6]。

图5 试验车辆Fig.5 The test vehicle

3.2 仿真与试验结果

1.碰撞中点处

仿真计算结果和碰撞试验结果均表明: 护栏防护性能满足要求; 车辆没有在标准段试验区发生绊阻、骑越和穿越护栏现象, 如表2 所示为护栏变形及车辆外倾数据; 碰撞后车辆驶离轨迹没有超出导向驶出框范围, 如图6 所示为三种车型碰撞护栏中点处运动轨迹。根据实车碰撞试验结果显示, 小客车乘员碰撞速度横向分量较大, 为4.3m/s(小于12m/s), 乘员碰撞后加速度横向分量亦大于纵向分量, 其最大值为139.1m/s2(小于200m/s2), 缓冲功能良好, 如图7 所示为小型客车碰撞护栏中点处乘员碰撞后加速度横向分量曲线。

表2 护栏变形及车辆外倾数据(单位: m)Tab.2 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

图6 车辆行驶轨迹Fig.6 The vehicle trail

图7 小型客车乘员碰撞后加速度横向分量曲线Fig.7 Acceleration curves of the car

根据碰撞护栏中点处的实车试验结果, 碰撞后三种试验车辆车身均刮蹭变形, 制动系统均完好, 车辆内部座椅无损坏, 车门都能自由打开,车辆整体主要结构保持完整, 其中货车车前风挡玻璃脱落, 车辆出现二次碰撞情况。如图8 所示为碰撞后车辆变形损坏情况。

图8 碰撞后车辆变形Fig.8 The deformation results of vehicle

2.碰撞距终点2m 处

仿真计算结果和碰撞试验结果均表明: 护栏防护性能满足要求; 车辆没有在端部试验区发生绊阻、骑跨和穿越护栏现象, 如表3 所示为护栏变形及车辆外倾数据; 碰撞后车辆平稳驶出, 如图9 所示为三种车型碰撞护栏后运动轨迹, 未超出导向驶出框范围。根据实车碰撞试验结果显示, 小客车乘员碰撞速度横向分量较大, 为6m/s(小于12m/s), 乘员碰撞后加速度纵向分量大于横向分量, 其最大值为119.3m/s2(小于200m/s2), 缓冲功能良好, 如图10 所示为小型客车碰撞护栏距终点2m 处乘员碰撞后加速度纵向分量曲线。

表3 护栏变形及车辆外倾数据(单位: m)Tab.3 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

图9 车辆行驶轨迹Fig.9 Vehicle running track

根据碰撞护栏距终点2m 处的实车试验结果, 碰撞后三种试验车辆制动系统均完好, 车辆内部座椅均无损坏, 车门都能自由打开, 其中小型客车碰撞侧前、后轮胎均爆胎, 中型货车碰撞侧前轮胎爆胎。如图11 所示为碰撞后车辆变形损坏情况。

图10 小型客车乘员碰撞后加速度纵向分量曲线Fig.10 Acceleration curves of the car

图11 碰撞后车辆变形Fig.11 The deformation results of vehicle

4 新型钢管预应力索活动护栏实际使用效果

新型钢管预应力索防撞活动护栏已在国内多地区高速公路上应用(图12)。实践表明, 活动护栏闭合时具有可靠的安全防护性能, 成功拦截了多次事故车辆, 应用路段交通事故率和财产损失率均有大幅度下降; 活动护栏开启时具有操作方便、移动灵活的功能, 2 人即可实现快速开启和移动, 如图13 所示, 通过旋拧端部预紧构件使整体预紧力松弛, 再逐个拆除标准段框架间连接销, 向后退入两侧U 形套件至互不干涉, 最后通过底部万向轮侧向推开, 实现完全开启, 满足车辆应急通行。