公路護(hù)欄碰撞分析及探討

黃贊華

摘要：隨著我國公路里程數(shù)和車輛保有量日益增長，道路交通事故中的公路護(hù)欄碰撞問題也層出不窮，迫切需要對交通安全設(shè)施工程進(jìn)行專項(xiàng)研究。文章通過分析公路護(hù)欄問題存在的現(xiàn)狀，研究國內(nèi)外護(hù)欄規(guī)范水平差異、設(shè)計(jì)原則及影響因素，分析了護(hù)欄碰撞問題囊括的運(yùn)動學(xué)、動量定理、質(zhì)量及能量守恒法公式，并對車輛碰撞公路護(hù)欄的數(shù)值模擬進(jìn)行研究，得出評價及建議，研究成果可為交安工程設(shè)計(jì)和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：公路;交安工程;護(hù)欄;碰撞分析

中國分類號：U491.5+9文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

根據(jù)調(diào)研，截至2019年，我國的公路總里程約為484.65萬km，高速公路約為14.26萬km，位居世界之首。然而，盡管我國的公路事故指標(biāo)（事故發(fā)生數(shù)、死亡數(shù)、受傷數(shù)、直接財(cái)產(chǎn)損失）得到有效控制，但是在普通干線公路上的事故中約有45%是車輛越出道路引起的，而在高速公路中則為30%，同時產(chǎn)生的特大及重大惡性交通事故比例為60%。我國交通事故造成的死亡人數(shù)達(dá)到全世界的1/7，由車輛碰撞公路路側(cè)死亡人數(shù)約為1/3，且人數(shù)每年增加，均為護(hù)欄碰撞事故。

鑒于護(hù)欄的碰撞問題顯著，較多學(xué)者對此進(jìn)行研究。黃紅武[1]通過計(jì)算機(jī)仿真建立汽車與護(hù)欄碰撞的模型，設(shè)置不同的碰撞條件，系統(tǒng)研究轎車與護(hù)欄發(fā)生碰撞時破壞特性和人員的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)仿真結(jié)果提出一種護(hù)欄立柱結(jié)構(gòu);毛娟娟[2]通過有限元仿真建立客車與護(hù)欄的碰撞仿真模型，模型考慮客車的幾何尺寸和護(hù)欄的連接方式等參數(shù)，對BHI型防阻塊半剛性三波護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行安全性能評估，分析客車與護(hù)欄碰撞對護(hù)欄的影響，提出增加防阻塊的橫向尺寸和增加立柱厚度能提高護(hù)欄的防護(hù)能力;朱超等[3]通過在護(hù)欄立柱上設(shè)置多個螺孔來調(diào)節(jié)護(hù)欄的高度;楊立偉等[4]基于SA級鋼護(hù)欄的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新型波形梁護(hù)欄，該新型護(hù)欄經(jīng)過碰撞試驗(yàn)，各項(xiàng)安全指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)需求，并用于張承高速公路;張朝旭和郭世永[5]對車輛在相同初速度下以不同角度與護(hù)欄進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)，得出m型護(hù)欄在車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時對車體的攔阻和保護(hù)效果較好。同時，關(guān)于公路護(hù)欄方面的設(shè)計(jì)、施工規(guī)范還存在紕漏，碰撞評判指標(biāo)不夠系統(tǒng)全面，需要進(jìn)一步研究。

1 公路護(hù)欄碰撞現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)外護(hù)欄研究水平

護(hù)欄是一種障礙物，是交通安全設(shè)施，作為公路工程重要的基礎(chǔ)設(shè)施，逐漸地成為高速公路的重要維護(hù)和安全保障措施。設(shè)置護(hù)欄的主要目的是阻擋碰撞能量小于或等于設(shè)計(jì)防護(hù)能量的碰撞車輛并導(dǎo)正其行駛方向。高速公路、一級公路、二級公路一般設(shè)置SB級、A級防護(hù)等級的三波護(hù)欄，其由三波鋼護(hù)欄板、防阻塊、立柱、拼接螺栓、連接螺栓等組成;而低等級道路如三、四級公路設(shè)置B級、C級的二波護(hù)欄，不設(shè)置防阻塊。

關(guān)于護(hù)欄的應(yīng)用，在交通運(yùn)輸建設(shè)期，較多學(xué)者就進(jìn)行了大量的研究，取得了豐富的科研及工程應(yīng)用成果。如19世紀(jì)50年代，美國通過交通工程科研委員會公布了世界上第一項(xiàng)關(guān)于護(hù)欄碰撞試驗(yàn)的準(zhǔn)則[6]。

然而，我國于19世紀(jì)70年代才開始研究護(hù)欄設(shè)施，并于1984年提出了第一個適用于我國公路條件的護(hù)欄結(jié)構(gòu)。由于科研資源匱乏，未開展相關(guān)系統(tǒng)的研究，只是直接借鑒了國外的護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)及形式，因此我國護(hù)欄存在一系列問題：如護(hù)欄的樣式較少;可選擇性較差;各類功能較為單一等。同時，我國車型和交通規(guī)則與國外的標(biāo)準(zhǔn)有所不同。綜上所述，目前國內(nèi)較少護(hù)欄能夠完全、合理地滿足我國的交通工程要求。

1.2 護(hù)欄設(shè)計(jì)的原則問題

護(hù)欄實(shí)際凈區(qū)寬度較小，當(dāng)凈區(qū)寬度小于計(jì)算凈區(qū)寬度，且車輛碰撞護(hù)欄駛出公路比不設(shè)護(hù)欄駛出公路損害小時，應(yīng)考慮在公路設(shè)置護(hù)欄。護(hù)欄的設(shè)置還應(yīng)考慮工程經(jīng)濟(jì)性。

通過合理的公路工程設(shè)計(jì)將駛出路外的事故影響降至最低，消除那些可能產(chǎn)生致命后果的因素，設(shè)置護(hù)欄只是降低駛出路外事故后果的方法或手段之一。護(hù)欄并不是設(shè)置得越多越好、強(qiáng)度越高越好，因?yàn)樽o(hù)欄本身也是一種障礙物，只有當(dāng)駛出路外的車輛碰撞障礙物與碰撞護(hù)欄相比，后果更嚴(yán)重，才考慮設(shè)置護(hù)欄。人的生命無價，但即使是發(fā)達(dá)國家，是否設(shè)置護(hù)欄也是基于工程經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果，而更少考慮人身安全。據(jù)此，護(hù)欄設(shè)計(jì)需要經(jīng)過大量研究，綜合考慮安全與經(jīng)濟(jì)原則。

1.3 護(hù)欄設(shè)計(jì)的影響因素

護(hù)欄設(shè)計(jì)時考慮的因素，主要是預(yù)估車輛駛出路外事故的風(fēng)險(xiǎn)。駛出路外的風(fēng)險(xiǎn)與事故概率及事故嚴(yán)重程度有關(guān)。具體駛出路外的風(fēng)險(xiǎn)評估，各地可根據(jù)已有公路的條件、事故的情況進(jìn)行論證分析，逐步建立和使用本地的風(fēng)險(xiǎn)評估模型及參數(shù)。

設(shè)計(jì)時應(yīng)考慮下列影響因素：路側(cè)或中間帶實(shí)際凈區(qū)寬度是否滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求;不能滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求時，路側(cè)或中央分隔帶障礙物的情況;不能滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求時，設(shè)計(jì)交通量、設(shè)計(jì)速度、總質(zhì)量≥25 t的貨車比例、路段線形條件等;滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求時，路側(cè)鄰近位置是否存在懸崖、深谷、深溝等危險(xiǎn)地形，中央分隔帶是否采取了防止車輛駛?cè)雽ο蜍嚨赖奶幹么胧?同時還應(yīng)考慮護(hù)欄的成本效益比，并與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。

需要指出的是，對于滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求的路段，如存在懸崖等危險(xiǎn)條件，仍需根據(jù)公路路線線形、交通量、車型構(gòu)成以及計(jì)算凈區(qū)寬度外風(fēng)險(xiǎn)源的位置等因素進(jìn)行交通安全綜合分析，以確定是否需要設(shè)置護(hù)欄。此外，路側(cè)有高速鐵路、高壓輸電線塔等時，護(hù)欄的設(shè)置還需要符合國家相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定。

2 碰撞原理研究

通過確定汽車與護(hù)欄端頭碰撞仿真試驗(yàn)的條件，介紹汽車與護(hù)欄端頭碰撞能量衰減裝置仿真分析涉及的理論，包括控制方程、單元類型的選擇、時間積分的算法以及碰撞試驗(yàn)過程中的沙漏控制方法等，確定本文對汽車與護(hù)欄端頭碰撞仿真試驗(yàn)采用的各種算法及方法。

2.1 運(yùn)動方程[7]

3 碰撞評價分析及建議

由碰撞仿真結(jié)果，采用幾個評價指標(biāo)對雙波形梁護(hù)欄進(jìn)行防撞評價。采用的評價指標(biāo)分別是：車輛方面采用《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)B05）規(guī)定;人員方面采用《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2017）（以下簡稱標(biāo)準(zhǔn)D81）規(guī)定;護(hù)欄方面采用標(biāo)準(zhǔn)B05規(guī)定。上述標(biāo)準(zhǔn)結(jié)合仿真可對防控指標(biāo)進(jìn)一步量化及優(yōu)化如下：

3.1 車輛方面

汽車與公路護(hù)欄發(fā)生碰撞時，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)B05，護(hù)欄應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，車輛碰撞后不得翻車。

3.2 人員方面

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)D81的規(guī)定，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量加速度≤200 m/s2。

3.3 護(hù)欄方面

根據(jù)B05規(guī)定，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。在碰撞發(fā)生時，通過以上指標(biāo)對護(hù)欄進(jìn)行評估，如碰撞不能達(dá)到以上指標(biāo)要求，即護(hù)欄安全性能達(dá)不到要求。

基于正交試驗(yàn)法通過上述研究，得出的建議可為公路工程護(hù)欄設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

4 結(jié)語

通過研究公路交通安全工程護(hù)欄設(shè)施，分析目前存在的問題，探討護(hù)欄碰撞原理，研究護(hù)欄碰撞模擬，得出以下結(jié)論：

（1）我國護(hù)欄的樣式較少，各類功能較為單一，較少護(hù)欄能夠完全滿足要求。護(hù)欄的設(shè)計(jì)除了權(quán)衡安全與經(jīng)濟(jì)原則的同時，應(yīng)考慮影響因素：路側(cè)或中間帶實(shí)際凈區(qū)寬度應(yīng)滿足計(jì)算凈區(qū)寬度要求;路側(cè)或中央分隔帶障礙物、設(shè)計(jì)交通量、設(shè)計(jì)速度、總質(zhì)量≥25 t的貨車比例、路段線形條件、不良地質(zhì)條件及環(huán)境等因素。

（2）護(hù)欄碰撞原理基于運(yùn)動方程、動量方程、質(zhì)量及能量守恒方程，結(jié)合面力和位移邊界條件，進(jìn)行離散公式轉(zhuǎn)換，推演碰撞機(jī)理公式。

（3）車輛與三波形梁護(hù)欄進(jìn)行仿真模擬碰撞試驗(yàn)，得出車輛的加速度較大，大于標(biāo)準(zhǔn)D81的規(guī)定的數(shù)值，加速度較大使乘員受傷，使得護(hù)欄的防護(hù)性能較差，從而引起嚴(yán)重傷亡事故，護(hù)欄達(dá)不到B05標(biāo)準(zhǔn)的要求。同時根據(jù)仿真結(jié)果可對雙波形梁護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化，性能有較大提高。

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