搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄安全性能分析

滕玉祿

(北京市高速公路交通工程有限公司 101102)

引言

高速公路對(duì)向車(chē)道交通應(yīng)采用護(hù)欄完全封閉隔離, 正常運(yùn)營(yíng)期間普通車(chē)輛只能單向行駛, 為方便特種車(chē)輛掉頭和單側(cè)道路施工封閉時(shí)臨時(shí)開(kāi)啟放行[1,2], 高速公路中分帶開(kāi)口處須設(shè)置具有安全防護(hù)能力和便于開(kāi)啟的活動(dòng)護(hù)欄。

截至2018年, 高速公路絕大多數(shù)采用已廢止《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2006)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的插拔式活動(dòng)護(hù)欄和伸縮式活動(dòng)護(hù)欄, 在實(shí)踐應(yīng)用中, 發(fā)現(xiàn)這兩種活動(dòng)護(hù)欄僅具備誘導(dǎo)和隔離功能, 失控車(chē)輛碰撞易對(duì)車(chē)輛和司乘人員造成嚴(yán)重?fù)p害, 甚至車(chē)輛穿越或翻越活動(dòng)護(hù)欄造成二次惡性事故, 安全防護(hù)能力嚴(yán)重不足。

為增強(qiáng)高速公路安全服務(wù)運(yùn)營(yíng)水平, 國(guó)內(nèi)研究人員已對(duì)Am 級(jí)(防護(hù)能量≥160kJ)活動(dòng)護(hù)欄進(jìn)行相應(yīng)研究, 其僅適用于防護(hù)等級(jí)較低的道路。為進(jìn)一步提升中分帶開(kāi)口處活動(dòng)護(hù)欄安全防護(hù)能力, 以現(xiàn)行交通安全設(shè)施規(guī)范為基礎(chǔ), 提出一種搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)方案, 其防護(hù)等級(jí)為SBm(防護(hù)能量≥280kJ), 在滿(mǎn)足可快速開(kāi)啟和移動(dòng)的使用功能條件下, 通過(guò)模擬仿真分析和實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)對(duì)其各項(xiàng)安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 安全性能評(píng)價(jià)要求

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)中活動(dòng)護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)要求, 須采用小型客車(chē)、大客車(chē)、大型貨車(chē)三種車(chē)型分別對(duì)活動(dòng)護(hù)欄的中部和端部?jī)蓚€(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行六次碰撞試驗(yàn)[3],碰撞試驗(yàn)位置和條件如圖1 和表1 所示。碰撞評(píng)價(jià)指標(biāo): 阻擋功能, 緩沖功能, 導(dǎo)向功能。

圖1 活動(dòng)護(hù)欄碰撞位置Fig.1 Collision position of movable barriers

表1 SBm 級(jí)活動(dòng)護(hù)欄試驗(yàn)條件Tab.1 Test conditions for SBm level movable barriers

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

國(guó)內(nèi)大部分高速公路中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄為波形梁護(hù)欄, 采用波形板作為活動(dòng)護(hù)欄構(gòu)架可與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄保持一致, 具有較好的視線(xiàn)誘導(dǎo)效果; 《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2017)中高速公路SBm 級(jí)波形梁護(hù)欄均采用三波板, 為了更好地與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄過(guò)渡連接, 活動(dòng)護(hù)欄兩側(cè)采用4mm 三波形梁板, 中間焊接多個(gè)橫向支撐, 有效將兩側(cè)波形梁板連接一起, 使兩側(cè)波形梁板在碰撞過(guò)程中協(xié)同受力, 兩個(gè)三波板下方均設(shè)置槽鋼橫梁,防止小型客車(chē)碰撞時(shí)下穿活動(dòng)護(hù)欄, 活動(dòng)護(hù)欄單元框架下方設(shè)置萬(wàn)向輪, 可進(jìn)行快速移動(dòng), 活動(dòng)護(hù)欄框架單元形式如圖2 所示。

活動(dòng)護(hù)欄由多節(jié)框架單元組裝而成, 兩節(jié)活動(dòng)護(hù)欄框架單元采用插拔式立柱和連接構(gòu)件連接在一起, 如圖3 所示, 同時(shí)活動(dòng)護(hù)欄框架之間采用波形梁板搭接式, 避免了失控車(chē)輛碰撞過(guò)程中兩節(jié)活動(dòng)框架單元產(chǎn)生斷裂開(kāi)口刮蹭車(chē)體, 甚至護(hù)欄板插入車(chē)體的事故。

圖2 活動(dòng)護(hù)欄框架單元Fig.2 Movable barriers frame unit

圖3 活動(dòng)護(hù)欄框架單元搭接Fig.3 Movable barriers frame unit overlapping

3 計(jì)算機(jī)模擬仿真碰撞分析

按表1 中試驗(yàn)條件, 結(jié)合實(shí)際尺寸建立三種車(chē)輛模型, 依據(jù)車(chē)輛的材料屬性, 采用Cowper-Symons 模型來(lái)確定材料的應(yīng)變率。根據(jù)評(píng)價(jià)規(guī)范確定小型車(chē)輪胎胎壓為0.3MPa, 大型車(chē)胎壓為0.8MPa?；趹土P函數(shù)法的Automatic_Single_Surface 接觸類(lèi)型解決邊界非線(xiàn)性問(wèn)題[4]。

采用經(jīng)實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度有限元分析軟件LS-DYNA 仿真模型對(duì)搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄進(jìn)行仿真碰撞分析[5], 通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析, 各種車(chē)輛均可順利導(dǎo)出, 形態(tài)見(jiàn)圖4 和圖5,未發(fā)生穿越和翻車(chē)等不滿(mǎn)足安全指標(biāo)的狀況。

圖4 車(chē)輛碰撞護(hù)欄中部試驗(yàn)仿真Fig.4 Experimental simulation of vehicle impact on middle part of barriers

圖5 車(chē)輛碰撞護(hù)欄端部試驗(yàn)仿真Fig.5 Experimental simulation of vehicle impact on end part of barriers

通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬仿真分析, 6 輛車(chē)輛仿真碰撞護(hù)欄各項(xiàng)安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)均滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求, 但計(jì)算機(jī)存在一定人為設(shè)定因素, 具有一定誤差與局限性, 世界各國(guó)均要求公路護(hù)欄通過(guò)實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證方可應(yīng)用在實(shí)際道路中[6]。

4 實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄按計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果優(yōu)化后1∶1 比例進(jìn)行加工制作, 按高速公路一般長(zhǎng)度設(shè)置40m 試驗(yàn)樣品安裝在碰撞廣場(chǎng)上, 并在兩側(cè)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)段波形梁護(hù)欄錨固[7]。

4.1 小型客車(chē)試驗(yàn)結(jié)果

小型客車(chē)碰撞活動(dòng)護(hù)欄中部和端部行駛軌跡見(jiàn)圖6, 可見(jiàn)小型客車(chē)碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出, 并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

圖6 小型客車(chē)碰撞活動(dòng)護(hù)欄Fig.6 Passenger car impact on barriers

小型客車(chē)碰撞活動(dòng)護(hù)欄中部和端部緩沖性能評(píng)價(jià)如表2 所示, 可見(jiàn)乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m/s, 乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m/s2, 滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

表2 小型客車(chē)碰撞試驗(yàn)緩沖性能Tab.2 Buffering performance of passenger car collision

4.2 大型客車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果

大型客車(chē)碰撞活動(dòng)護(hù)欄中部和端部行駛軌跡分別見(jiàn)圖7, 可見(jiàn)大型客車(chē)碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出,并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

圖7 大型客車(chē)碰撞護(hù)欄Fig.7 Bus impact on barriers

4.3 大型貨車(chē)碰撞試驗(yàn)結(jié)果

大型貨車(chē)碰撞活動(dòng)護(hù)欄中部和端部行駛軌跡見(jiàn)圖8, 可見(jiàn)大型貨車(chē)碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出, 并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿(mǎn)足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

圖8 大型貨車(chē)碰撞護(hù)欄Fig.8 Single-unit truck impact on barriers

根據(jù)三種車(chē)型對(duì)活動(dòng)護(hù)欄兩個(gè)碰撞點(diǎn)共計(jì)六次實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果可知, 各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)的要求, 搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄安全性能滿(mǎn)足SBm 級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)高速公路中分帶開(kāi)口處需求, 結(jié)合高速公路中分帶護(hù)欄應(yīng)用情況, 采用計(jì)算機(jī)模擬仿真分析和實(shí)車(chē)足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證, 開(kāi)發(fā)了一種搭接式波形梁護(hù)欄, 其兩節(jié)框架單元采用波形梁板搭接結(jié)構(gòu), 有效防止活動(dòng)護(hù)欄框架單元斷裂開(kāi)口對(duì)失控車(chē)輛和人員損害。搭接式波形板活動(dòng)護(hù)欄各項(xiàng)安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)滿(mǎn)足規(guī)范中SBm 級(jí)(防護(hù)能量≥280kJ)的要求, 可有效提升高速公路安全防護(hù)水平, 同時(shí)搭接式波形梁護(hù)欄具備快速開(kāi)啟和移動(dòng)功能, 滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)管理人員使用要求。