新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄研發(fā)*

常志宏 楊福宇 劉航 龔帥 亢寒晶

(1.山東高速股份有限公司 濟(jì)南250014; 2.北京華路安交通科技有限公司 100070)

引言

中央分隔帶開口護(hù)欄(以下簡(jiǎn)稱活動(dòng)護(hù)欄)在正常情況下要求具有一定的防撞和隔離性能, 在臨時(shí)開啟放行時(shí)應(yīng)能快速、方便地移動(dòng)[1]。2018年我國最新實(shí)施的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81—2017)中規(guī)定: 高速公路中央分隔帶開口護(hù)欄不得低于三(Am)級(jí)。目前國內(nèi)采用的活動(dòng)護(hù)欄大多僅滿足方便開啟, 但是不防撞或防撞等級(jí)偏低; 還有小部分特殊路開口段設(shè)置混凝土護(hù)欄或者與地面錨固的鋼結(jié)構(gòu), 幾乎喪失了移動(dòng)和開啟的使用功能[2-4], 事故發(fā)生后需要開啟時(shí), 給車輛通行或救援增加了很大難度。

本文提出一種新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄, 在滿足高速公路基本防護(hù)能力的基礎(chǔ)上, 可實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)、方便開啟的使用效果, 并根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求, 采用計(jì)算機(jī)有限元仿真模擬計(jì)算和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)兩種技術(shù)手段[5], 對(duì)護(hù)欄各項(xiàng)安全性能指標(biāo)進(jìn)行分析和驗(yàn)證。

1 新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)

新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為三(Am)級(jí), 主要由標(biāo)準(zhǔn)段框架結(jié)構(gòu)、單元連接構(gòu)件以及端部結(jié)構(gòu)組成。

1.1 標(biāo)準(zhǔn)段框架結(jié)構(gòu)

圖1 為活動(dòng)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段框架, 主要由橫梁鋼管、連接框架、鋼絞線、錨具、支撐柱及萬向輪等部件組成, 橫梁鋼管內(nèi)穿入鋼絞線并在兩端采用錨具施加一定預(yù)應(yīng)力; 每節(jié)設(shè)置三層兩排共6根橫梁鋼管, 每根橫梁的高度均結(jié)合車輛碰撞過程進(jìn)行確定, 每根橫梁均通過連接框架錨固成整體, 使其能夠協(xié)同受力; 連接框架設(shè)計(jì)為類“目”字通透形, 具有較高的整體性和強(qiáng)度, 彎管結(jié)構(gòu)可以防止車輛碰撞時(shí)發(fā)生絆阻; 連接框架底部設(shè)置支撐柱及萬向輪, 在保證車輛碰撞時(shí)高度的同時(shí)方便護(hù)欄靈活移動(dòng), 每套活動(dòng)護(hù)欄中由若干標(biāo)準(zhǔn)段框架組裝成中間段。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)段框架結(jié)構(gòu)Fig.1 Frame structure of standard segment

1.2 單元連接構(gòu)件

單元連接構(gòu)件設(shè)置在每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段框架之間,是保證護(hù)欄整體協(xié)同受力的關(guān)鍵。圖2 為本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)單元連接構(gòu)件, 其主要由U 形連接外套、U形連接內(nèi)套組成, 兩側(cè)構(gòu)件通過通孔和連接銷實(shí)現(xiàn)連接, 并通過錨墊蓋環(huán)、錨墊板及錨具固定在橫梁鋼管兩端, 通過圓孔套連設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn), 能夠很好地適用于直道和彎道線形路段。

圖2 連接結(jié)構(gòu)Fig.2 Connection structure

1.3 端部結(jié)構(gòu)

端部是新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄的重要結(jié)構(gòu), 起到錨固活動(dòng)護(hù)欄中間段、合理過渡活動(dòng)護(hù)欄中間段到中分帶護(hù)欄的作用, 活動(dòng)護(hù)欄端部結(jié)構(gòu)由端部框架、端部可調(diào)節(jié)連接桿、過渡板及端部基礎(chǔ)組成, 見圖3。

圖3 端部結(jié)構(gòu)Fig.3 Terminal structure

1.端部框架

端部框架是與路面錨固的唯一受力構(gòu)件, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)活動(dòng)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的有效錨固和自身結(jié)構(gòu)的協(xié)調(diào), 主要由鋼管桁架及法蘭板組成, 采用5 根立柱成三排排列, 靠近中間段的第一排立柱為1根, 后兩排分別為2 根, 立柱之間焊接導(dǎo)向管和鋼管橫梁, 以實(shí)現(xiàn)對(duì)碰撞端部的車輛進(jìn)行導(dǎo)向并使框架整體協(xié)調(diào)受力, 底部通過法蘭板與路面鋼筋混凝土基礎(chǔ)內(nèi)預(yù)埋螺栓連接錨固。

2.端部可調(diào)節(jié)連接桿

端部可調(diào)節(jié)連接桿使活動(dòng)護(hù)欄中間段與端部框架連接, 構(gòu)件主體是兩端設(shè)有螺紋的長(zhǎng)螺桿,并將其插入端部框架上縱向設(shè)置的導(dǎo)向管內(nèi), 預(yù)緊裝置設(shè)置在端部連接構(gòu)件處, 長(zhǎng)螺桿、螺母和端部框架的配合使護(hù)欄具有長(zhǎng)度適應(yīng)性, 實(shí)現(xiàn)活動(dòng)護(hù)欄長(zhǎng)度約1m 的調(diào)節(jié), 很大程度提升了護(hù)欄的安裝適用性。

3.過渡板

活動(dòng)護(hù)欄端部框架兩側(cè)采用三波板作為過渡板, 并通過過渡板實(shí)現(xiàn)活動(dòng)護(hù)欄到中分帶護(hù)欄的過渡, 三波形板形式可滿足絕大部分的過渡結(jié)構(gòu)形式。

4.端部基礎(chǔ)

端部基礎(chǔ)通過法蘭板錨固端部框架, 錨固螺栓可以通過預(yù)埋或植筋兩種形式, 達(dá)到較好的錨固效果, 同時(shí)損壞更換施工簡(jiǎn)便, 利于后期養(yǎng)護(hù)維修。

2 碰撞條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)

活動(dòng)護(hù)欄關(guān)閉時(shí)應(yīng)具備相應(yīng)的隔離和防撞能力, 防止車輛闖入對(duì)向行車道。參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1,6], Am 防撞等級(jí)碰撞條件如表1 所示, 碰撞點(diǎn)位置包括護(hù)欄中點(diǎn)處和距終點(diǎn)2m 處。

表1 碰撞條件[6]Tab.1 Impact conditions[6]

活動(dòng)護(hù)欄的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括: 能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨, 且試驗(yàn)護(hù)欄構(gòu)件及脫離件不得侵入車輛乘員艙; 碰撞后車輛能夠平穩(wěn)駛出(不得翻車), 車輛駛離軌跡不得超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的導(dǎo)向駛出框范圍; 乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12m/s; 乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200m/s2[6,7]。

3 有限元仿真計(jì)算和實(shí)車碰撞試驗(yàn)

3.1 模型建立和試驗(yàn)準(zhǔn)備

按照表1 碰撞條件, 按1∶1 實(shí)際尺寸分別建立小客車、中型客車、中型貨車撞擊護(hù)欄中點(diǎn)處和距終點(diǎn)2m 處兩個(gè)碰撞點(diǎn)的碰撞模型[8], 如圖4 所示。由于車輛和護(hù)欄結(jié)構(gòu)大多為金屬板殼, 故碰撞模型以四邊形二維殼單元為主進(jìn)行建模, 并控制三角形殼單元不超過模型中單元總數(shù)的5%; 連接螺栓及預(yù)應(yīng)力索采用一維單元模擬;車輛與護(hù)欄發(fā)生相互撞擊的部分采用基于懲罰函數(shù)法的接觸方式處理[9,10]。

圖4 碰撞模型Fig.4 Impact models

按照表1 碰撞條件, 根據(jù)設(shè)計(jì)圖建造試驗(yàn)護(hù)欄, 并準(zhǔn)備試驗(yàn)車輛, 對(duì)活動(dòng)護(hù)欄中點(diǎn)處和距終點(diǎn)2m 處兩個(gè)碰撞點(diǎn)進(jìn)行安全性能評(píng)價(jià), 如圖5所示。小客車、中型客車、中型貨車分別配載至1.5t、10t 和10t, 車輛總質(zhì)量、整備質(zhì)量和重心位置符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)要求, 試驗(yàn)車輛的內(nèi)外進(jìn)行清潔處理, 頂部與側(cè)面根據(jù)圖像數(shù)據(jù)采集需要設(shè)置明顯清晰的基準(zhǔn)線和基準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)識(shí)[6]。

圖5 試驗(yàn)車輛Fig.5 The test vehicle

3.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果

1.碰撞中點(diǎn)處

仿真計(jì)算結(jié)果和碰撞試驗(yàn)結(jié)果均表明: 護(hù)欄防護(hù)性能滿足要求; 車輛沒有在標(biāo)準(zhǔn)段試驗(yàn)區(qū)發(fā)生絆阻、騎越和穿越護(hù)欄現(xiàn)象, 如表2 所示為護(hù)欄變形及車輛外傾數(shù)據(jù); 碰撞后車輛駛離軌跡沒有超出導(dǎo)向駛出框范圍, 如圖6 所示為三種車型碰撞護(hù)欄中點(diǎn)處運(yùn)動(dòng)軌跡。根據(jù)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果顯示, 小客車乘員碰撞速度橫向分量較大, 為4.3m/s(小于12m/s), 乘員碰撞后加速度橫向分量亦大于縱向分量, 其最大值為139.1m/s2(小于200m/s2), 緩沖功能良好, 如圖7 所示為小型客車碰撞護(hù)欄中點(diǎn)處乘員碰撞后加速度橫向分量曲線。

表2 護(hù)欄變形及車輛外傾數(shù)據(jù)(單位: m)Tab.2 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

圖6 車輛行駛軌跡Fig.6 The vehicle trail

圖7 小型客車乘員碰撞后加速度橫向分量曲線Fig.7 Acceleration curves of the car

根據(jù)碰撞護(hù)欄中點(diǎn)處的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果, 碰撞后三種試驗(yàn)車輛車身均刮蹭變形, 制動(dòng)系統(tǒng)均完好, 車輛內(nèi)部座椅無損壞, 車門都能自由打開,車輛整體主要結(jié)構(gòu)保持完整, 其中貨車車前風(fēng)擋玻璃脫落, 車輛出現(xiàn)二次碰撞情況。如圖8 所示為碰撞后車輛變形損壞情況。

圖8 碰撞后車輛變形Fig.8 The deformation results of vehicle

2.碰撞距終點(diǎn)2m 處

仿真計(jì)算結(jié)果和碰撞試驗(yàn)結(jié)果均表明: 護(hù)欄防護(hù)性能滿足要求; 車輛沒有在端部試驗(yàn)區(qū)發(fā)生絆阻、騎跨和穿越護(hù)欄現(xiàn)象, 如表3 所示為護(hù)欄變形及車輛外傾數(shù)據(jù); 碰撞后車輛平穩(wěn)駛出, 如圖9 所示為三種車型碰撞護(hù)欄后運(yùn)動(dòng)軌跡, 未超出導(dǎo)向駛出框范圍。根據(jù)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果顯示, 小客車乘員碰撞速度橫向分量較大, 為6m/s(小于12m/s), 乘員碰撞后加速度縱向分量大于橫向分量, 其最大值為119.3m/s2(小于200m/s2), 緩沖功能良好, 如圖10 所示為小型客車碰撞護(hù)欄距終點(diǎn)2m 處乘員碰撞后加速度縱向分量曲線。

表3 護(hù)欄變形及車輛外傾數(shù)據(jù)(單位: m)Tab.3 Data of the barrier deformation and vehicles declination(unit: m)

圖9 車輛行駛軌跡Fig.9 Vehicle running track

根據(jù)碰撞護(hù)欄距終點(diǎn)2m 處的實(shí)車試驗(yàn)結(jié)果, 碰撞后三種試驗(yàn)車輛制動(dòng)系統(tǒng)均完好, 車輛內(nèi)部座椅均無損壞, 車門都能自由打開, 其中小型客車碰撞側(cè)前、后輪胎均爆胎, 中型貨車碰撞側(cè)前輪胎爆胎。如圖11 所示為碰撞后車輛變形損壞情況。

圖10 小型客車乘員碰撞后加速度縱向分量曲線Fig.10 Acceleration curves of the car

圖11 碰撞后車輛變形Fig.11 The deformation results of vehicle

4 新型鋼管預(yù)應(yīng)力索活動(dòng)護(hù)欄實(shí)際使用效果

新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄已在國內(nèi)多地區(qū)高速公路上應(yīng)用(圖12)。實(shí)踐表明, 活動(dòng)護(hù)欄閉合時(shí)具有可靠的安全防護(hù)性能, 成功攔截了多次事故車輛, 應(yīng)用路段交通事故率和財(cái)產(chǎn)損失率均有大幅度下降; 活動(dòng)護(hù)欄開啟時(shí)具有操作方便、移動(dòng)靈活的功能, 2 人即可實(shí)現(xiàn)快速開啟和移動(dòng), 如圖13 所示, 通過旋擰端部預(yù)緊構(gòu)件使整體預(yù)緊力松弛, 再逐個(gè)拆除標(biāo)準(zhǔn)段框架間連接銷, 向后退入兩側(cè)U 形套件至互不干涉, 最后通過底部萬向輪側(cè)向推開, 實(shí)現(xiàn)完全開啟, 滿足車輛應(yīng)急通行。

圖12 新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄Fig.12 New crashworthy movable barrier with pretension strand in steel tube

圖13 活動(dòng)護(hù)欄使用效果Fig.13 Applying effect of the movable barrier

5 結(jié)語

新型鋼管預(yù)應(yīng)力索防撞活動(dòng)護(hù)欄兼具安全防撞、方便安裝、防盜、易開啟和移動(dòng)的使用功能, 其安全性能通過了三種車型、兩個(gè)碰撞點(diǎn)共六次實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證, 防護(hù)能力滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)Am 級(jí)要求(防護(hù)能量≥160kJ), 可滿足實(shí)際工程的使用需求, 將對(duì)高速公路中央分隔帶開口位置形成有效防護(hù)。