護欄高度變化對防撞能力影響研究

崔洪軍，崔 姍，邢小高，梁國鳳

(河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401)

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護欄高度變化對防撞能力影響研究

崔洪軍，崔 姍，邢小高，梁國鳳

(河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401)

護欄高度由于路面加鋪罩面而降低，使得其安全防護性能受到影響。利用LS-DYNA有限元分析軟件對不同高度下波形梁護欄進行了碰撞仿真實驗，量化分析了護欄高度降低與其安全防護能力關系，確定了護欄防撞性能不能滿足規(guī)范要求的臨界高度值。對沿海高速公路原有護欄提出改造方案，并運用計算機仿真證明其符合規(guī)范規(guī)定。

交通工程；護欄高度；碰撞；仿真模型；安全性能

我國高速公路頻繁罩面后護欄防護性能下降、護欄處事故不斷增加的問題日益凸顯[1]，京秦高速公路罩面后，2007—2009年該事故率加權平均值為25.81%，是罩面前2003—2004年該事故率加權平均值11.22%的2倍之多。但高度降低閾值的確定和對現(xiàn)有護欄改造措施一直是困擾道路工作者的難題[2]。

筆者利用LS-DYNA顯式動力分析程序，建立車輛-護欄碰撞仿真實驗模型，對護欄降低不同高度時波形梁護欄安全性能進行分析，得到頻繁罩面后必須進行護欄改造時的護欄高度下限閾值。提出沿海高速公路現(xiàn)有護欄改造方案，并對護欄的防撞能力進行計算機碰撞仿真檢驗。

1 不同護欄高度碰撞仿真實驗

為了深入分析護欄高度與其安全防護性能關系，利用LS-DYNA顯式動力分析程序，以半剛性波形梁護欄為研究對象，以其規(guī)范高度755 mm為標準，每降低20 mm進行一次碰撞仿真實驗。由于護欄高度的降低對小車防護性能影響較小，但易發(fā)生大車上跨越出護欄，對大車安全防護性能不利[3-5]，因此筆者對大客車與不同高度護欄碰撞進行了模擬仿真。

依照我國JTG/T F 83-01—2004《高速公路護欄安全性能評價標準》和JTG/T D 81—2006《公路交通安全設施設計細則》中A級防撞等級關于碰撞條件的規(guī)定，大客車碰撞速度取為60 km/h，大客車質量為10 t，碰撞角度為20°，以160 kJ的碰撞能量在2 000 ms時間內進行碰撞仿真模擬[6-7]。

1.1 車輛-護欄碰撞仿真模型

模擬采用的大客車是按照實際拆車建立的彈性體車模型，根據(jù)真實車輛模型建立車輛行駛系統(tǒng)，保證車輛的行駛軌跡正常，模型經(jīng)校驗后符合美國NHTSA350報告和歐洲EN1317相關規(guī)定?？蛙囉邢拊Ｐ涂偣?jié)點數(shù)量為48 592個；殼單元的數(shù)量為33 787個、其它單元5 338個。護欄有限元模型77 061個節(jié)點、71 856個四邊形單元，并與實體護欄按1∶1比例建立，實體護欄立柱間距2 m，總長度為72 m。大客車實車碰撞實驗與仿真實驗結果對比如圖1、圖2。

圖1 車輛與護欄碰撞實驗

圖2 護欄整體變形比較

從圖1 車輛與護欄同時刻碰撞形態(tài)及圖2 碰撞后護欄破損變形來看，兩次實驗結果基本一致，對比仿真與實車實驗數(shù)據(jù)，其中計算機仿真實驗與實車實驗主要參數(shù)表1。

表1 實車實驗與仿真實驗碰撞后主要參數(shù)對比

從表1可知，兩者實驗數(shù)據(jù)的誤差絕對值都小于10%，滿足誤差要求，從而證明了本次仿真實驗結果數(shù)據(jù)的準確性。

1.2 不同護欄高度碰撞仿真實驗

研究中，護欄高度每下降20 mm做一次模擬實驗。同高度護欄安全性能評價結果及變化規(guī)律如表 2，當護欄高度為715，735 mm時，各項指標滿足規(guī)范要求，達到了A級安全防護性能；而當護欄高度下降到695 mm時，碰撞仿真結果(表2)顯示，此時護欄達不到A級安全防護性能要求，因此選取護欄高度695，715 mm的中間值即705 mm，做進一步實驗。

通過對表2的分析，得出護欄高度最小值為705 mm，即罩面厚度超過50 mm后，護欄安全防護性能不能滿足規(guī)范要求。

不同高度護欄-車輛碰撞后前視和俯視如圖3。

表2 不同高度護欄碰撞仿真評價結果

Table 2 Collision simulation evaluation results with different height of guardrails

圖3 不同高度護欄碰撞后前視和俯視

2 護欄改造方案

2.1 新型護欄模型

針對罩面后護欄高度不足的情況，在結合國內現(xiàn)有理論措施的基礎上，提出可調高度護欄。高度可調節(jié)護欄設計方案和外觀及內部構造如圖4。

圖4 高度可調節(jié)護欄設計方案和外觀及內部構造

2.2 新型護欄仿真實驗

仿真實驗按照A，Am護欄防撞等級進行。碰撞中選擇活動立柱最高位置處插孔，仿真驗證護欄處于安全防護的最不利狀態(tài)下滿足安全標準，從而證明新型護欄滿足安全標準。

圖5為大客車與護欄碰撞最終過程前視和車輛駛出角度圖。從圖中可以明顯看出車輛碰撞護欄后成功回到原行駛方向，無騎跨和穿越護欄現(xiàn)象。

圖5 大客車與護欄碰撞最終過程前視和車輛駛出角度示意

2.3 碰撞仿真實驗結果

參考JTG/TF 83-01—2004《高速公路護欄安全性能評價標準》進行高度可調節(jié)護欄碰撞仿真實驗。結果表明，新型護欄滿足A級碰撞等級要求。評價結果匯總如表 3 。

表3 碰撞仿真實驗評價結果

3 結 語

建立了基于LS-DYNA顯式動力分析程序的車輛-護欄碰撞仿真實驗模型，按照我國規(guī)范和細則中規(guī)定的碰撞條件，對不同高度下護欄安全防撞能力進行仿真研究，得出護欄高度閾值為705 mm。在沿海高速公路護欄再利用中，提出高度可調節(jié)護欄設計方案，并進行仿真實驗證明其滿足規(guī)范要求，從而為高速公路改擴建或反復罩面后護欄再利用提供參考。

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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

河北省自然科學基金項目(E2013202228)

崔洪軍(1974—)，男，河北保定人，教授，博士，主要從事道路交通管理科學與技術方面的研究。E-mail：cuihj1974@126.com。

U417.1+2

A

1674-0696(2015)01-084-03