西藏國省干線的波形梁護(hù)欄碰撞安全性分析

柳 甜，朱自成

（西安中交公路巖土工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710075）

隨著近年來西藏地區(qū)公路交通的深入發(fā)展，客運(yùn)車輛迅速增多，各種交通事故頻繁發(fā)生，2014年8月9日以及8月18日西藏自治區(qū)境內(nèi)國道318線相繼發(fā)生兩起特大交通事故，共造成47人遇難、13人失蹤、40人受傷。事故發(fā)生后，自治區(qū)黨委、政府高度重視，為深入貫徹黨的十八大和十八大三中、四中全會精神，貫徹落實(shí)習(xí)近平總書記系列重要講話精神，落實(shí)國務(wù)院的決策部署，牢固樹立以人文本、安全發(fā)展的理念，堅(jiān)守發(fā)展決不能以犧牲人的生命為代價(jià)的紅線意識，以防事故、保暢通為目標(biāo)，以落實(shí)安全生產(chǎn)責(zé)任為主線，以加強(qiáng)基層基礎(chǔ)建設(shè)為抓手，堅(jiān)持公路建設(shè)、養(yǎng)護(hù)、安全并舉，緊緊抓住公路安全這一工作重心；按照“消除存量、不添增量、動態(tài)排查”方針，大力整治公路安全隱患，不斷完善安全設(shè)施，依法強(qiáng)化綜合治理，全面提升公路安全服務(wù)水平，促進(jìn)全區(qū)道路交通安全形勢持續(xù)穩(wěn)定好轉(zhuǎn)，因此其道路安全性也愈發(fā)受到重視。

由于西藏地區(qū)地形地質(zhì)條件較差，大部分道路等級較低，同時(shí)因山高水急、路窄谷狹，一旦發(fā)生路側(cè)交通安全事故，很可能引發(fā)二次事故，其危險(xiǎn)性也更嚴(yán)重。從防患于未然的角度出發(fā)，應(yīng)合理準(zhǔn)確地預(yù)測事故發(fā)生時(shí)的狀態(tài)，安全經(jīng)濟(jì)地進(jìn)行防護(hù)設(shè)施的設(shè)計(jì)施工。安防設(shè)施眾多，其中護(hù)欄對于公路交通安全的重要性不言而喻，而路側(cè)波形梁護(hù)欄的使用是最多的，其也是半剛性防護(hù)的典型代表型式。依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）將路側(cè)防撞等級由低到高分為C、B、A、SB、SA、SS六級，分別對應(yīng)不同的碰撞能量。在發(fā)生碰撞時(shí)，波形梁護(hù)欄可以通過允許變形量吸收碰撞能量以保證車輛及司乘人員的安全，并使車輛安全停車或以安全的角度回到路面?！豆方煌ò踩O(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）中也明確給出了邊坡、路堤高度與設(shè)置護(hù)欄的關(guān)系和路基護(hù)欄防撞等級適用條件等，能夠滿足一般交通安全設(shè)計(jì)的使用。對于規(guī)范中結(jié)論性或原則性的要求，需要更多過程性的數(shù)據(jù)作為支撐參考，對其研究則是多多益善，以使規(guī)范更科學(xué)、準(zhǔn)確、合理。文章擬對車輛碰撞護(hù)欄的過程中的一些狀態(tài)進(jìn)行分析研究，力求獲得更準(zhǔn)確的過程量或界限值，為波形梁護(hù)欄的設(shè)計(jì)實(shí)施提供一些參考。

1 碰撞研究對象

（1）實(shí)際波形梁護(hù)欄的設(shè)置型式和位置。護(hù)欄一般構(gòu)造圖中提出了土基坡頂寬度、邊坡坡度、立柱的埋入深度和地基材料等支撐條件?，F(xiàn)場條件上述參數(shù)不同時(shí)，應(yīng)檢查所在位置的設(shè)置條件和基礎(chǔ)狀況，對承載能力小的基礎(chǔ)進(jìn)行改善。護(hù)欄設(shè)置于路肩的位置形式如圖1（a）所示。對于路肩寬度僅為50cm的路段，內(nèi)側(cè)護(hù)欄需保證建筑限界不能被侵占的要求，外側(cè)護(hù)欄立柱需保證保護(hù)層厚度的要求。圖1（a）為護(hù)欄設(shè)置于土路肩寬度為50cm的情況，其明顯不能滿足立柱外側(cè)保護(hù)層厚度25cm的要求。對于路側(cè)路基壓實(shí)度不能滿足現(xiàn)行《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015）中對路基路床壓實(shí)度要求時(shí)，或立柱外側(cè)土路肩保護(hù)層厚度＜25cm時(shí)，宜采用如圖1（b）所示的獨(dú)立混凝土基礎(chǔ)形式。

（2）碰撞模型假設(shè)。車輛在與護(hù)欄碰撞的前、中、后過程中，會有一些狀態(tài)量的改變，為了方便計(jì)算，在不影響最終結(jié)果或可忽略不計(jì)的情況下，應(yīng)當(dāng)做一些合理的假設(shè)，而后選取合適的參數(shù)及其量值進(jìn)行與護(hù)欄碰撞前后的分析比較。下述是在安全角度和微量忽略不計(jì)的情況下引用規(guī)范的假設(shè)：①從車輛碰撞護(hù)欄起到車輛改變方向平行于護(hù)欄止，車輛的縱向和橫向加速度不變，豎向加速度和轉(zhuǎn)動加速度忽略不計(jì)；②車輛在改變方向時(shí)不發(fā)生絆阻，車輛改變方向平行于護(hù)欄時(shí)車輛的橫向速度分量為0；③車輛近似為質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動，車輛碰撞護(hù)欄期間容許車輛發(fā)生變形，但車輛重心位置不變；④車輛與護(hù)欄、車輪與公路的摩擦力忽略不計(jì)；⑤波形梁護(hù)欄的變形值Z＞0，護(hù)欄連續(xù)設(shè)置。

（3）部分參數(shù)選取。規(guī)范的編制依據(jù)于大量的事實(shí)經(jīng)驗(yàn)和科學(xué)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，具有普遍的參考和指導(dǎo)意義?！豆方煌ò踩O(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）對于護(hù)欄設(shè)置原則和條件作出明確的細(xì)化區(qū)分，對于不同等級的護(hù)欄給出了詳細(xì)的各項(xiàng)指標(biāo)。如波形梁護(hù)欄，除了具體的構(gòu)型尺寸和設(shè)置要求，還給出了不同防護(hù)等級下可吸收的碰撞能量、不同車型在不同防撞等級下的對應(yīng)的護(hù)欄最大橫向動態(tài)外延值和車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值、說明了波形梁護(hù)欄強(qiáng)度和立柱剛度、土的承載力及梁的抗拉強(qiáng)度的關(guān)系等?！豆方煌ò踩O(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）中給出了混凝土護(hù)欄所受碰撞荷載分布和碰撞力，金屬梁護(hù)欄橫梁拼接處的設(shè)計(jì)拉力值，公路護(hù)欄碰撞條件，部分被調(diào)查公路的碰撞角度特征統(tǒng)計(jì)量匯總表，干線公路不同車型車輛占有率、平均車速匯總表以及其典型車型的車速統(tǒng)計(jì)、設(shè)計(jì)速度與碰撞速度取值表等。文章選取在西藏地區(qū)常用的路基波形梁護(hù)欄時(shí)，依據(jù)規(guī)范選擇碰撞基礎(chǔ)條件：三級道路，B級護(hù)欄（立柱φ114mm×4.5mm，無防阻塊，可吸收能量為70kJ）；碰撞車輛為小型客車（此類車輛在道路上占有率最高），碰撞速度為60km/h，由于碰撞發(fā)生的反應(yīng)時(shí)間和反應(yīng)距離極短，緊急剎車輪胎抱死時(shí)（剎車為負(fù)）的加速度一般最大為-8m/s2，故此處暫不考慮制動工況（制動下的安全性自然高一些）；碰撞角度最大選取25°（觀測值≤25°的約為一般調(diào)查統(tǒng)計(jì)的85%）。

圖1 護(hù)欄典型設(shè)置圖（單位：mm）

2 車輛與護(hù)欄碰撞過程的狀態(tài)分析

2.1 碰撞過程分析

碰撞發(fā)生的過程是短暫而劇烈的，車輛與護(hù)欄發(fā)生接觸沖撞后，金屬波形梁護(hù)欄在極短時(shí)間內(nèi)達(dá)到彈性應(yīng)力最大值，在這個(gè)過程中產(chǎn)生最大橫向沖擊力，之后波形梁護(hù)欄進(jìn)入屈服塑性變形階段，吸收部分碰撞能量，達(dá)到屈服應(yīng)力迫使車輛停止運(yùn)動或沿護(hù)欄轉(zhuǎn)向，重新回到地面沿路線方向。碰撞完成后，若車輛變形受損嚴(yán)重，將使車輛損壞至不能開動和危及乘員安全，阻礙影響后續(xù)交通。

在這個(gè)過程中，應(yīng)保證護(hù)欄的力學(xué)穩(wěn)定性和安全性，及車輛和乘員的安全性。需要界定3個(gè)能量及其關(guān)系：一是車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞所產(chǎn)生的總碰撞能量E總，這主要由碰撞時(shí)車輛質(zhì)量和碰撞速度決定；二是在碰撞中車輛將產(chǎn)生變形，吸收較大的一部分碰撞能量E車，此限度應(yīng)保證人車安全；三是護(hù)欄能夠吸收的碰撞能量E護(hù)欄。設(shè)置護(hù)欄時(shí)，其外側(cè)多為坡谷溝河或有構(gòu)造物等需要保護(hù)，其凈寬有一定的限制，所以細(xì)則中給出了不同型式級別護(hù)欄的最大橫向動態(tài)位移外延值（W，m）和車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值（VIn，m），這從客觀上決定了護(hù)欄的變形是有限度的，加上金屬波形梁護(hù)欄本身塑性變形能力有限，所以護(hù)欄在整體上吸收碰撞能量也是有限的。另外，碰撞前車輛的制動、碰撞摩擦?xí)r熱量的散失等也會抵消一部分碰撞能量，這些量值相對較小或難以準(zhǔn)確計(jì)算，記為E熱，雖忽略不計(jì)，卻可以作為富余量提高安全性。所以在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能提高護(hù)欄每單位變形量吸收碰撞能量的能力，合理限制車輛行駛速度，保證E總＜E車+E護(hù)欄+（o）E熱。

2.2 碰撞安全性驗(yàn)算

在無條件時(shí)，護(hù)欄一般選取混凝土基礎(chǔ)，其形狀規(guī)格為0.5m×0.5m×0.6m（高度d×長度L×寬度b）。

根據(jù)規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）式（3-2）計(jì)算碰撞橫向荷載，根據(jù)設(shè)計(jì)公路等級參考規(guī)范《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05—01—2013）表5—6取小型客車參數(shù)為m=2t、長5m、寬1.8m、碰撞速度60km/h、碰撞角25°。

（1）碰撞橫向荷載。

由8Pe=F橫max，得Pe=6.946kN。式中：F橫max為車輛作用在護(hù)欄上的最大橫向碰撞力，kN；m為車輛質(zhì)量，kg；V為車輛的碰撞速度，m/s；θ為車輛碰撞角度，°；C為車輛重心至前保險(xiǎn)杠之間的距離，m；b為車輛的寬度，m；Z為護(hù)欄的橫向變形，m。撞擊力分布圖如圖2所示。

圖2 撞擊力分布圖

（2）基礎(chǔ)穩(wěn)定性驗(yàn)算。穩(wěn)定性計(jì)算圖示如圖3所示。作用點(diǎn)高度h=0.5m；外力矩Me=pe×（h+d）=0.946kPa。地基和混凝土的相關(guān)參數(shù)：土的內(nèi)部摩擦角φ=25°，主動土壓系數(shù)Ka=0.406；被動土壓系數(shù)Kp=2.464，土和混凝土的摩擦系數(shù)μ=0.6；基地容許應(yīng)力[σ]=350kPa；土的密度γs=18kN/m3；混凝土的密度γc=25kN/m3；基礎(chǔ)抗滑動穩(wěn)定系數(shù)sf=1.2；基礎(chǔ)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)s0=1.2。①基礎(chǔ)滑動穩(wěn)定性驗(yàn)算。自重的摩擦阻力：pw=μWc=μ×d×L×b×γc=0.6×0.5×0.5×0.6×25=2.25kN。單側(cè)側(cè)向主動土壓力：Pa=Ka×γs×d×L/2=0.406×18×0.5×0.5/2=0.9135kN。單側(cè)側(cè)向主動土壓力的摩阻力：Pf=μpa=μ×Ka×γs×d×L/2=0.6×0.9135=0.5481kN。前面被動土壓力：pp=Kp×γs×b×d/2=2.464×18×0.6×0.5/2= 6.6528kN。相對于滑動的阻力：Pγ=Pw+2pf+PP=2.25+2×0.5481+6.6528=9.999kN。相對于滑動的穩(wěn)定性評價(jià)：sf×pe=1.2×6.946=7.983＜Pγ。滿足抗滑穩(wěn)定性。②基礎(chǔ)傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算?；字翂毫ψ畲笠贿叺倪吘壍木嚯x：Y=L/2=0.25m。外力合力偏心距：Mp=Pp×d/3=1.1088kN·m。Mf=Pf×d/3=0.0914kN·m。e0=Me-Mp-2Mf/Wc=1.51m?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)：K0=y/e0=0.17＜s0。滿足抗傾覆穩(wěn)定性。③基底應(yīng)力驗(yàn)算。M=Me-Mp-2Mf=5.6544kPa。σ=Wc/L×b+6M/L×b=125.588kPa＜[σ]?；讘?yīng)力滿足要求。

（3）碰撞能量轉(zhuǎn)換。車輛所具有的動能：E=1/2mv2=2×103×602/（2×3.62）≈278kJ。

根據(jù)規(guī)范無防阻塊的B級護(hù)欄吸收碰撞能量為70kJ；根據(jù)已有實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)結(jié)論認(rèn)為當(dāng)乘員側(cè)面碰撞速度＜12m/s，或正面碰撞速度＜15m/s，且加速度＜15g時(shí)，則乘員安全。以2t車輛為例，對應(yīng)的乘員保證安全情況下可接受的剩余碰撞能量為225kJ，則E車+E護(hù)欄=225+70=295kJ＞278kJ=E，略大于碰撞時(shí)所具有的動能。其中，車輛承受了較大部分的碰撞能量，護(hù)欄吸收較少的一部分，另外有較小一部分轉(zhuǎn)化為熱能散失。總體認(rèn)為其滿足安全要求，且最大經(jīng)濟(jì)性地利用了護(hù)欄的防護(hù)性能。

圖3 穩(wěn)定性計(jì)算圖示

3 結(jié)論

現(xiàn)有護(hù)欄碰撞分析方法主要采用實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)和LS-DNYA計(jì)算機(jī)仿真模擬的方法。文章借鑒前人試驗(yàn)方法和相關(guān)結(jié)論對于西藏地區(qū)現(xiàn)行國道三級公路路側(cè)B級波形梁護(hù)欄的碰撞安全性，以在較高車速60km/h和較大碰撞角25°的條件下進(jìn)行了分析驗(yàn)算，均滿足安全性要求。

4 問題與建議

查閱現(xiàn)有相關(guān)規(guī)范和同行著作，發(fā)現(xiàn)規(guī)范中有混凝土護(hù)欄的碰撞荷載分布卻無波形梁護(hù)欄碰撞荷載分布的相關(guān)研究。筆者認(rèn)為廣大同行可對此進(jìn)行研究完善，加深對波形梁護(hù)欄的發(fā)展提供助力安全防護(hù)性能的認(rèn)識。

同等級下的波形梁護(hù)欄，立柱間距的不同，其防護(hù)效果不同。小間距立柱布置除在線形上適用于小半徑曲線外，在防護(hù)上適用于危險(xiǎn)性較大地段，由于立柱分布相對密集，其防撞力高，橫梁變形小，可有效限制護(hù)欄外移破壞，同時(shí)給予碰撞車輛以較大的作用力；大間距立柱布置則與此相反，受碰撞時(shí)損壞變形較大，但可給予碰撞車輛更多的位移值緩沖。故在實(shí)際設(shè)計(jì)施工中，不宜一刀切采用同種設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，因地制宜，分別布置。