高速公路路側護欄碰撞能量需求研究

韓海峰，楊 軫，鄭 挺

(1.廣州市高速公路有限公司, 廣東 廣州 510000; 2. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804;3. 上?，F(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

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高速公路路側護欄碰撞能量需求研究

韓海峰1，楊 軫2，鄭 挺3

(1.廣州市高速公路有限公司, 廣東 廣州 510000; 2. 同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室,上海 201804;3. 上?，F(xiàn)代建筑設計(集團)有限公司，上海 200041)

為研究高速公路路側護欄碰撞能量需求，基于UC-win/Road進行了不同設計車速下的緊急避讓駕駛模擬試驗。結合Adams/Car車路耦合模型建模仿真，獲取了車輛與護欄的碰撞速度、碰撞角度的試驗值。通過回歸分別建立了碰撞速度、碰撞角度與平曲線半徑及轉向、運行速度、硬路肩寬度的相關模型。分析結果表明：碰撞角度總體上隨硬路肩寬度的增大而增大，隨運行速度的減小而增大，隨曲線曲率的增大而增大(左轉為正)；碰撞速度總體上隨運行速度的增大而增大，隨硬路肩寬度的減少而增大，隨曲線曲率的增加而增大。根據(jù)駕駛模擬試驗樣本，計算了不同設計速度下仿真試驗樣本的85%分位碰撞能量，將計算結果與規(guī)范值進行比較分析，提出應根據(jù)不同設計車速下的典型道路線形特征及其運行速度特點確定合理的防撞欄等級。

交通工程；路側護欄；駕駛模擬；碰撞能量；碰撞速度；碰撞角度

0 引言

我國是道路交通事故最嚴重的國家之一[1]，萬車死亡率和事故致死率一直高居不下[2]。隨著我國城鎮(zhèn)化和機動化進程的加快，我國的道路交通安全形勢不容樂觀[3]。E. Kopits在分析各國歷年的GDP和交通事故死亡率的關系時建立了回歸模型，根據(jù)相關數(shù)據(jù)預測得出，我國最早要到2020年才能實現(xiàn)交通安全狀況的根本好轉[4]，這一結論也獲得了國內(nèi)相關學者的支持[5]。

交通事故統(tǒng)計分析表明，路側事故不僅占有相當比例，而且死亡率高。根據(jù)美國2002年至2007年的道路交通事故數(shù)據(jù)，路側事故占道路交通事故總數(shù)的15%，但其死亡數(shù)卻高達42.9%。其中車輛駛離車道的事故占總事故數(shù)的18%，占總致死事故的44%[6-11]。對公安部近幾年發(fā)布的交通事故白皮書中相關數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，可以發(fā)現(xiàn)在1次死亡3人以上的重特大惡性道路交通事故中，由于車輛沖出道路而墜崖或墜橋的路側事故約占重特大惡性道路交通事故總數(shù)的一半[7]。高速公路行車速度快，交通量大，路側交通安全尤為重要。

路側護欄既要防止車輛沖出路面或對向車道，又要保障司乘人員在發(fā)生碰撞時獲得一定的緩沖，同時對車輛碰撞后的行駛軌跡要有較好的引導?！豆纷o欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)對具體的指標進行了規(guī)定[12]。通常有兩種方法對公路護欄的防護能力和效果進行分析，即實車碰撞法和有限元碰撞仿真法，這方面的研究已有一些成果。楊濟匡利用LS-Dyna軟件針對A級和B級護欄進行了客車與護欄碰撞仿真，發(fā)現(xiàn)了防護的薄弱點，并提出和驗證了改進設計[13]。呂國仁研發(fā)了一種新型波形梁護欄端頭，并通過實車足尺碰撞試驗驗證了利用波形梁卷曲可吸收車輛動能，能夠有效避免波形梁插入車體和翻車事故的發(fā)生，保護乘員安全[14]。

上述研究主要是確定護欄的防護能力，關于碰撞速度、角度的選用都是依據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》的規(guī)定。而事實上，當車輛在實際道路上行駛時，車速會隨道路線形和交通環(huán)境而改變，因此，如果發(fā)生與護欄的碰撞，碰撞速度也是有差異的。同樣，對于平曲線段，車輛與護欄碰撞的角度也可能與直線段有所不同,也就是說防護需求(碰撞能量需求)應該隨道路線形而變化。目前，這方面的研究還比較缺乏。對于失控車輛的防護，歸根結底在于碰撞能量的確定，因此如果能獲取85%分位的碰撞能量(同時考慮車速和碰撞角度)，對于確定路側設施的防護需求將更有意義?？紤]到獲取路側事故狀態(tài)下的車速和碰撞角度比較困難，采用駕駛模擬的方式通過情景仿真獲得相應的數(shù)據(jù)是一種可行的替代方法[15-16]。

1 試驗設計

1.1 試驗目的與總體要求

路側交通事故的原因主要有3方面：一是疲勞駕駛導致車輛逐漸偏離行車道；二是前方突現(xiàn)車輛墜落物或進行緊急避讓；三是彎道車速過快，車輛發(fā)生側滑。其中第2種情況約占70%，并且處于相對更不安全的工況。因此，本文關注定量研究緊急避讓條件下高速公路路側護欄處的車輛碰撞能量。而要計算該值，就需要設計駕駛模擬試驗以獲取碰撞速度和碰撞角度這兩個參數(shù)。車輛的碰撞角度和碰撞速度的大小與駕駛員的駕駛行為直接相關，且與碰撞前的道路線形、當前運行車速、路肩寬度等相關，因此需要考慮根據(jù)不同的設計速度及匹配的道路線形段來進行緊急避讓試驗。駕駛模擬試驗場景基于三維建模軟件UC-win/Road建立。

1.2 試驗場景設計

1.2.1 平面線形設計

首先對試驗道路的平面線形進行設計，起點從設計速度60 km/h的路段開始，依次經(jīng)過速度80 km/h 和100 km/h，最后連接到設計速度120 km/h的路段。為了研究在不同曲率段的駕駛行為，本試驗對每種設計車速分別設置直線段、一般最小半徑圓曲線段和極限最小半徑圓曲線段3種線形模式，并在每種線形類別上通過設置障礙物的方式來模擬緊急避讓場景。每類設計車速下的一般最小半徑和極限最小半徑取值參照《公路路線設計規(guī)范》(JTG/D20—2006)[17]，在直線段和圓曲線間插入緩和曲線，并對兩種半徑的圓曲線間插入直線段使之平順連接。結合《公路路線設計規(guī)范》中對于道路平面線形的要求，對道路平面線形進行相應的調(diào)整，最后得到本試驗道路平面線形設計要素(表1)。設計后全線全長20.787 km。

道路平面線形按表1設計速度60，80，100，120 km/h分段進行設計，每段按該表從左往右的順序以直線、平曲線(緩和曲線+圓曲線+緩和曲線)、直線、平曲線(緩和曲線+圓曲線+緩和曲線)進行連接。對上述線形按規(guī)范分別進行回旋線最小長度、平曲線最小長度、平曲線最大長度等檢查。檢查后，本試驗設計的道路平面線形要素全部滿足要求。

表1 道路平面線形指標

注：平曲線長度=緩和曲線長度+圓曲線長度+緩和曲線長度。

根據(jù)以上平面線形設計要素，用UC-win/Road 8.0進行平面線形設計，得到如圖1所示的道路平面線形圖。

圖1 道路平面線形圖Fig.1 Road horizontal alignment diagram

1.2.2 縱斷面設計

道路縱坡對車輛的運行速度具有一定的影響，關于縱坡影響下的運行速度的測算可按照《公路項目安全性評價規(guī)范》(JTG B05—2015)[18]進行預測。但是，在緊急避讓情況下，駕駛員從急打方向盤到與護欄發(fā)生側碰所發(fā)生的時間比較短，僅從這段范圍來說，縱坡對車速的影響非常有限，不像平曲線和硬路肩寬度對碰撞角度有較大的影響。因此，本研究在試驗階段忽略縱坡的影響，設定道路縱坡為0。

1.2.3 橫斷面設計

橫斷面布置采取雙向四車道。設計速度80，100，20 km/h，車道寬度取值3.75 m;設計時速60 km/h，車道寬度取值3.75 m；硬路肩寬度取值參照《公路路線設計規(guī)范》，其中設計速度80，100，120 km/h采用一般值，設計速度60 km/h用于模擬山區(qū)高速的場景特點，取規(guī)范的最小值。具體硬路肩寬度取值如表2所示。

表2 硬路肩寬度設置值

1.2.4 超高設計

直線段道路橫坡為2%，各設計車速下一般最小半徑和極限最小半徑的超高值如表3所示，按照繞中央分隔帶邊緣線進行超高變化，并在緩和曲線段完成。

表3 超高設置值

1.3 障礙物布設

為了模擬駕駛員應對不期而遇的障礙物緊急避讓的駕駛操縱，障礙物在設計上與路面顏色比較接近，使駕駛員從遠處不易發(fā)現(xiàn)。通過對障礙物顏色、紋理和大小的調(diào)整，經(jīng)模擬測試，使一般測試者發(fā)現(xiàn)障礙物并作出必要反應時距離為40～70 m，定型后的障礙物如圖2所示。

圖2 駕駛模擬試驗用障礙物Fig.2 Obstacle for driving simulation

對于障礙物的布設位置，采取在高速公路每個設計車速段的直線、一般最小半徑圓曲線和極限最小半徑圓曲線段都設置1個障礙物的方式，合計共12個障礙物。斷面位置布設在靠右的車行道上，各障礙物的布設位置(道路起始位置為0 m)如表4所示。

表4 障礙物的擺放位置

1.4 試驗過程

選擇12名年齡在20～35歲的熟練駕駛員，其中男性10名，女性2名。每名駕駛員在模擬場景下行駛一趟全程，可采集12個碰撞樣本。駕駛車輛選用UC-win/Road軟件自帶的小型車。

圖3為試驗進行中的場景。

圖3 駕駛模擬試驗場景Fig.3 Driving simulation experiment scenario

2 構建基于ADAMS/Car的車路耦合模型

將駕駛模擬試驗軟件UC-win/Road實時獲取的方向盤轉動、剎車、油門等數(shù)據(jù)輸入動力學仿真軟件ADAMS/Car中，即可得到所需的碰撞角度、碰撞速度等數(shù)據(jù)。為此，需要構建車路耦合模型。

ADAMS/Car提供了小型車整車模型，但其發(fā)動機是后置的，考慮一般小車的構造，將其設置為前置。整合前懸架子系統(tǒng)、后懸架子系統(tǒng)、轉向子系統(tǒng)、前輪胎子系統(tǒng)、后輪胎子系統(tǒng)、車身子系統(tǒng)、制動子系統(tǒng)，組裝后將傳動軸修改至前軸上，并修改車輛重心及轉動慣量等參數(shù)，得到發(fā)動機前置的整車模型，如圖4所示。

圖4 整車模型Fig.4 Integrated car model

道路模型選用軟件自帶的平坦2D路面文件2d_flat.rdf，并修改路面摩擦系數(shù)為0.6，駕駛員控制文件采用開環(huán)控制的方式。調(diào)入已經(jīng)建好的小車模型，并調(diào)用建好的道路模型和駕駛員控制文件，可構建車路耦合模型，如圖5所示。

圖5 車路耦合模型Fig.5 Vehicle-road coupling model

3 碰撞能量比較分析

將駕駛模擬的各緊急避讓樣本數(shù)據(jù)輸入ADAMS/Car運行仿真，可得到該樣本的碰撞角度和碰撞速度，匯總結果如表5所示。

表5中的運行速度為駕駛員發(fā)現(xiàn)障礙物進行減速轉向操縱前的速度。根據(jù)上述試驗結果，建立起碰撞速度和碰撞角度與運行速度、曲線曲率、硬路肩寬度的回歸公式：

Vc=-4.766 3+1.159Vo-9.164 6Ws+595.794 5/R， R2=0.711 6，

(1)

θc=44.317-0.604 7Vo+0.165 1Vo×Ws-7.499Ws+291.053/R， R2=0.600 1，

(2)

式中,Vc為碰撞速度；Vo為運行速度；Ws為右側硬路肩寬度；R為圓曲線半徑。按前進方向左轉為正，右轉為負。

由此可見，車輛因避讓障礙物而急打方向盤碰撞到右側護欄時，碰撞角度總體上隨硬路肩寬度增大而增大，隨運行速度的增大而減小，隨曲線曲率的增大而增大(左轉為正)；碰撞速度總體上隨運行速度增大而增大，隨硬路肩寬度的增加而減少，隨曲線曲率的增大而增大(左轉為正)?？紤]到碰撞能量是碰撞速度和碰撞角度的函數(shù)，其與運行速度、硬路肩寬度和曲線曲率的關系比較復雜，但是有一點可以確定，即曲率越大(左轉為正)，車輛對右側護欄的碰撞能量越大。

根據(jù)表5，可以計算車輛的碰撞能量(車輛質量根據(jù)《高速公路護欄安全性能評價標準》對于不同等級防撞護欄車體質量的規(guī)定值選取)。圖6～圖9為各防撞等級護欄的所有試驗樣本碰撞能量計算散點圖。

表5 運行車速、碰撞速度與碰撞角度匯總表

圖6 A級護欄碰撞能量散點圖Fig.6 Scattergram of collision energy for class A guardrail

圖7 SB級護欄碰撞能量散點圖Fig.7 Scattegram of collision energy for class SB guardrail

圖8 SA級護欄碰撞能量散點圖Fig.6 Scattergram of collision energy for class SA guardrail

圖9 SS級護欄碰撞能量散點圖Fig.7 Scattergram of collision energy for class SS guardrail

設計速度/(km·h-1)6080100120全樣本/kJ規(guī)范值/kJA級護欄9231132159121161579160SB級護欄9231132159121161579280SA級護欄—?1585222729622450400SS級護欄—?—?—?38093809520

注：對于“*”標記，《高速公路護欄安全性能評價標準》中對于碰撞速度的定義為：若某車型的平均車速高于設計速度,取最高限速的0.8倍；若平均車速低于最高限速,取平均車速的0.8倍。計算設計速度60，80 ，100，120 km/h的試驗樣本的平均車速分別為47.7，64.9，76.7，93 km/h，并結合《公路交通安全設施設計細則》[19]中對于路基護欄防撞等級適用條件的規(guī)定，確定該設計速度無有效85%分位碰撞能量值。

表6為85%分位碰撞能量的計算匯總?？梢钥闯?，按照全樣本的85%分位值看，除了A級防撞護欄設計速度120 km/h樣本的85%分位碰撞能量大于標準值約1/3、A級防撞護欄全部有效樣本的85%分位碰撞能量基本與規(guī)范值相當外，其他所有的85%分位碰撞能量均小于規(guī)范值。但是，相對同一防護級別，不同設計車速的85%分位碰撞能量(即防護需求，這里應考慮道路線形特點及運行車速特性的影響)還是有顯著的差別。因此，建議在考慮采用防護護欄級別時，應根據(jù)不同的設計車速參照表6的計算值選取。需要指出的是，本研究不涉及大車半實物模型的試驗樣本，計算碰撞能量時是以試驗樣本的小車碰撞角度和碰撞速度作為大車碰撞角度和碰撞速度的，在實際應用時可通過進一步試驗加以修正。

表6給出的85%分位碰撞能量值考慮了直線、左轉和右轉等曲線的綜合取值，但尚未考慮縱斷面線形及平縱組合的影響。因此，在實際應用時，首先應根據(jù)《公路項目安全性評價規(guī)范》中推薦的速度預測模型對運行速度進行預測，然后按照式(1)和式(2)計算出碰撞速度和碰撞角度，由此計算出碰撞能量需求，并參照表6和規(guī)范取值進行修正和調(diào)整。

4 結論

針對不同設計車速及其相匹配的道路線形進行高速公路緊急避讓場景的模擬駕駛，分析了碰撞速度、碰撞角度與道路幾何線形及運行速度的關系，比較了不同防撞等級和設計車速下的85%分位碰撞能量值與規(guī)范給出值的差異。結果表明：

(1)碰撞角度總體上隨硬路肩寬度的增大而增大，隨運行速度的增大而減小，隨曲線曲率的增大而增大(左轉為正)；碰撞速度總體上隨運行速度的增大而增大，隨硬路肩寬度的增大而減少，隨曲線曲率的增大而增大。

(2)不同設計車速下的防護能力需求有較大的差異，應根據(jù)該設計車速下的典型道路線形特征及其運行速度特點選擇合理的防撞欄等級。值得一提的是，曲率越大(左轉為正)，車輛對右側護欄的防護能力需求越大。

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Study on Collision Energy Requirement for Expressway Roadside Guardrail

HAN Hai-feng1，YANG Zhen2，ZHENG Ting3

(1.Guangzhou Expressway Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510000, China;2.Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China;3.Shanghai Xian Dai Architectural Design (Group) Co.,Ltd., Shanghai 200041,China)

In order to study the collision energy requirement for expressway roadside guardrail, the driving simulation experiment of emergency avoidance is implemented based on UC-WinRoad. The vehicle-road coupling model is built and simulated based on Adams/Car to obtain the experiment values of collision speed and collision angle. The models of collision speed and collision angle relating to horizontal curve radium and its direction, hard shoulder width and operation speed are derived by regression. The analysis result shows that (1) generally speaking, wider hard shoulder, slower operation speed and larger curvature (if given left turn is positive) cause larger collision angle; (2) on the whole, it can be also regard that larger operation speed, narrower hard shoulder and larger curvature cause larger collision speed. The 85 percentile collision energy values are calculated based on the driving simulation experiment samples, and the difference between the calculation results and specification values are analyzed. The suggestion that typical highway alignment character and operation speed character should be considered together to rank the levels of guardrail at different design speed is proposed.

traffic engineering; roadside guardrail; driving simulation; collision energy; collision speed; collision angle

2015-12-30

國家自然科學基金項目(51478352) ; “十二五”國家科技支撐計劃項目(2014BAG01B02)

韓海峰(1974-)，男，河北張家口人，博士，高級工程師.(149711102@qq.com)

10.3969/j.issn.1002-0268.2016.12.019

U491.5+9

A

1002-0268(2016)12-0118-07