高速公路舊波形梁護欄改造研究

劉 航,龔 帥,劉思源,鄧 寶,王 新,閆書明,

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

0 引言

據(jù)統(tǒng)計，2006年國內(nèi)高速公路總里程達到了4.1萬 km，在這部分高速公路上安裝的波形梁護欄大多是根據(jù)《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 074-94)(已廢止，簡稱“94版規(guī)范”)進行設(shè)置，其中主要應(yīng)用的波形梁護欄如圖1(a)所示[1]。到2017年國內(nèi)高速公路總里程達到了13.1萬km，新增加約9萬km，在這部分高速公路上安裝的波形梁護欄是根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81-2006)(已廢止，簡稱“06版規(guī)范”)進行設(shè)置，其中主要應(yīng)用的波形梁護欄結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示[2]?？梢钥闯瞿壳拔覈蟛糠指咚俟菲毡槭褂玫牟ㄐ瘟鹤o欄為A級雙波梁護欄結(jié)構(gòu)。

(a) 按“94年版規(guī)范”建的護欄

(b) 按“2006年版規(guī)范”建的護欄

A級雙波梁護欄在較長一段時期為保障高速公路的安全運營發(fā)揮了重要作用[3]，但隨著我國公路網(wǎng)絡(luò)化的形成，公路交通負荷與十幾年前相比，交通流量和通行車輛發(fā)生了明顯變化，主要表現(xiàn)為車輛向大型化、重型化發(fā)展[4]，導(dǎo)致護欄防護能力不足。同時國內(nèi)許多高速公路改擴建工程中對路面進行加鋪，導(dǎo)致波形梁護欄高度降低，更加劇了波形梁護欄防護能力的不足[5]，多種因素導(dǎo)致不少早期修建的高速公路波形梁護欄防護能力不能滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81-2017)(簡稱“新規(guī)范”)要求，需要進行升級改造[6]。

國內(nèi)對于舊波形梁護欄的改造升級已進行過一些科學(xué)研究工作，如直接在既有波形橫梁下方增加一層雙波梁，期望提升其安全性能，但是通過試驗驗證小型車碰撞后尚不能正常導(dǎo)出，如圖2中小客車發(fā)生橫轉(zhuǎn)；還有的研究采用將立柱加高后，在原有波形板上層增加一層雙波梁，改造為雙層雙波護欄[7]，防護等級可達到三(A)級，但是僅能滿足部分高速公路護欄升級改造的需要。根據(jù)新規(guī)范有些路段需要設(shè)置更高等級的護欄[6-8]，而目前尚缺少基于舊波形梁護欄改造后達到較高等級護欄的研究。

圖2 小客車碰撞護欄后未導(dǎo)出Figure 2 A car not export after impacting the barrier

結(jié)合國內(nèi)現(xiàn)階段雙波梁護欄的使用現(xiàn)狀，提出一種SB級波形梁護欄改造結(jié)構(gòu)，并通過仿真計算與碰撞試驗相結(jié)合的方法對護欄的防護能力進行檢驗，為其實際工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支撐。

1 改造波形梁護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 改造前波形梁護欄結(jié)構(gòu)

改造前的波梁護欄結(jié)構(gòu)如圖3所示，其結(jié)構(gòu)特點為：雙波波形梁板(310 mm×85 mm×3 mm)中心距地面高度為550 mm(路面加鋪導(dǎo)致護欄高度低于標(biāo)準(zhǔn)值600 mm)，立柱(Φ140 mm×4.5 mm)間距2 m，波形梁板和立柱之間設(shè)置六角形防阻塊(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)[6]，各結(jié)構(gòu)之間通過10.8級M16螺栓進行連接。

圖3 改造前波形梁護欄結(jié)構(gòu)圖(單位：mm)Figure 3 W-beam guardrail structure before modification (Units: mm)

1.2 改造方案

根據(jù)波形梁護欄的研究與工程使用經(jīng)驗，合理增加護欄高度和剛度，可以起到增強波形梁護欄安全防撞性能的重要作用，以此為出發(fā)點，提出基于舊波形梁護欄改造的SB級雙層兩波梁護欄結(jié)構(gòu)(見圖4)，其特點為：保持既有護欄結(jié)構(gòu)不動，僅在原有立柱內(nèi)增加Ф125 mm×5.5 mm內(nèi)套管進行加高，同時在原有波形梁板上方增加一層4 mm雙波梁，在上層波形梁和立柱內(nèi)套管之間通過加強型矩形防阻塊(192 mm×160 mm×200 mm×4.5 mm，見圖5)進行連接，改造后的雙層兩波梁護欄結(jié)構(gòu)其上層雙波梁板中心距地面高度為930 mm。

圖4 改造后波形梁護欄結(jié)構(gòu)Figure 4 W-beam guardrail structure after modification

(a) 立面圖

(b) 平面圖

2 雙層兩波梁護欄安全性能仿真分析

2.1 仿真分析理論基礎(chǔ)

車輛碰撞護欄屬于接觸-碰撞問題，其動力學(xué)方程[11]：

(1)

式中：V為接觸系統(tǒng)所占空間;σi為內(nèi)應(yīng)力；εv為虛應(yīng)變；S為除接觸摩擦力的外力表面；Fe為外力；uv為虛位移；Sc為接觸表面；Fef為接觸摩擦力；ur為兩個點的相對虛位移；ρ為密度；α為加速度。

對公式(1)離散得到等效弱形式：

(2)

利用中心差分法對公式(2)積分，其算法為：

(3)

(4)

(5)

2.2 仿真模型與可靠性驗證

2.2.1建立碰撞模型

按照現(xiàn)行公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)中四(SB)級碰撞條件[12](見表1)，分別建立小客車、大客車、大貨車撞擊雙層兩波梁護欄碰撞模型，如圖6所示。由于車體和護欄結(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%；護欄梁柱結(jié)構(gòu)之間采用梁單元連接；車輛與護欄發(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。

表1 碰撞條件Table 1 Impact conditions碰撞車型碰撞速度/(km·h-1)車輛總質(zhì)量/t碰撞角度/(°)小客車1001.520大客車8010.020大貨車6018.020

(a) 小客車

(b) 大客車

(c) 大貨車

2.2.2可靠性驗證

通過與實車碰撞試驗數(shù)據(jù)對比以及能量分析的方式對碰撞模型的精度進行驗證。

圖7為撞擊雙層兩波形梁護欄的結(jié)果，可見小客車碰撞后下層兩波板變形較大，上層兩波板變形較小，表明下層梁板對于小型客車防撞起主要作用；大型車輛撞擊后，上、下層兩波板變形較為平順，表明上下兩層梁板協(xié)同對于大型車起到有效防護；計算機仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本一致。在撞擊試驗中，通過高速攝像機記錄得到小客車、大客車和大貨車碰撞雙層兩波梁護欄的最大橫向動態(tài)變形值分別為200、1 350和850 mm，圖8為碰撞模型輸出的最大橫向動態(tài)變形點位移時程曲線。小客車、大客車和大貨車碰撞護欄最大動態(tài)變形量仿真值與試驗值誤差分別為1.62%、3.34%和4.26%。

(a)小客車碰撞護欄變形

(b)大客車碰撞護欄變形

(c)大貨車碰撞護欄變形

圖8 最大橫向動態(tài)變形點位移時程曲線Figure 8 Displacement time-history curve of the maximum transverse dynamic deformation point

通過提取碰撞能量時程曲線，發(fā)現(xiàn)碰撞過程中動能逐步減小，變形能與界面能逐漸增加，總能量不變，符合熱力學(xué)第一定律(即能量守恒定律)，單點高斯積分產(chǎn)生的偽變性能未超過總變形能的10%，滿足仿真精度需求[7]。圖9為小客車碰撞模型中提取的能量曲線，大客車與大貨車碰撞能量曲線與圖9規(guī)律相同。

圖9 碰撞能量曲線Figure 9 Collision energy curve

2.3 仿真分析結(jié)果

采用經(jīng)過驗證的計算機仿真模型對雙層兩波梁護欄結(jié)構(gòu)進行安全性能評估[7]。表2為雙層兩波梁護欄對3種車型防護效果的仿真分析結(jié)果。

表2 仿真分析結(jié)果Table 2 Simulation results碰撞車型碰撞結(jié)果小客車無穿越和下穿現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。大客車無穿越、翻越、騎跨現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。大貨車無穿越、翻越、騎跨現(xiàn)象,成功阻擋并導(dǎo)出車輛。

通過計算機仿真的方法對雙層兩波梁護欄進行安全性評估得出，雙層兩波梁護欄的各項防護性能指標(biāo)較優(yōu)，均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求，為后續(xù)采用實車足尺碰撞試驗對雙層兩波梁護欄進行安全性能評價奠定了基礎(chǔ)。

3 雙層兩波梁護欄安全防撞功能試驗

3.1 試驗車輛與試驗護欄

選取20°角作為碰撞角度，采用1.5 t重小客車碰撞速度100 km/h，10 t重大客車碰撞速度80 km/h，18 t重大貨車碰撞速度60 km/h對雙層兩波梁護欄進行實車足尺碰撞試驗，評價其安全性[12]，試驗車輛如圖10所示。

(a)小型客車

(b)中型客車

(c)大型貨車

根據(jù)設(shè)計圖紙按1∶1比例對雙層兩波梁護欄零部件進行加工制作，完成加工后運送至專門的實車碰撞試驗場，進行現(xiàn)場安裝。圖11為安裝后試驗護欄。

圖11 試驗用護欄

3.2 試驗結(jié)果

a.小客車。

小車試驗結(jié)果顯示：車輛與護欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護欄的導(dǎo)向和攔截功能良好[12]，圖12為小客車碰撞試驗護欄運動軌跡；乘員碰撞速度與乘員碰撞后加速度橫向分量均比縱向分量大，其中乘員碰撞速度橫向最大值為5.3 m/s2，乘員碰撞后加速度橫向最大值為139.1 m/s2，均符合評價指標(biāo)要求，說明護欄消能緩沖效果良好[12]，圖13為小客車碰撞試驗護欄的緩沖性能曲線。此外，車輛碰撞護欄后，其內(nèi)部座椅無損壞，車門能正常打開；但車輛前保險杠損壞，前大燈破裂，車體左側(cè)前段有損壞變形，車輛前橋亦發(fā)生損壞；試驗護欄殘余變形不大。如圖14所示為小客車與護欄碰撞后車輛和護欄損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護攔

圖12 小客車軌跡圖Figure 12 Trajectory diagram of the car

(a) 乘員碰撞速度橫向分量曲線

(b) 乘員碰撞加速度橫向分量曲線

圖14 小客車碰撞后護欄及車輛變形圖

最大橫向動態(tài)變形值0.20 m，護攔最大橫向動態(tài)位移外延值0.55 m。

b.大客車。

大客車試驗結(jié)果顯示：車輛與護欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護欄的導(dǎo)正和阻擋作用良好[12]，圖15為大客車碰撞試驗護欄的運動軌跡。車輛碰撞護欄后碰撞側(cè)車體損壞變形，制動系統(tǒng)完好，車門能自由打開；試驗護欄的殘余變形較大。如圖16所示為大客車與護欄碰撞后車輛和護欄的損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護攔最大橫向動態(tài)變形值1.35 m,護攔最大橫向動態(tài)位移外延值1.70 m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.75 m，車輛最大動態(tài)外傾值2.20 m。

圖15 大客車軌跡圖Figure 15 Trajectory diagram of the bus

圖16 大客車碰撞后護欄及車輛變形圖

c.大貨車。

大貨車試驗結(jié)果顯示：車輛與護欄發(fā)生碰撞后可以正常駛出，護欄的攔阻功能和導(dǎo)向作用良好[12]，圖17為大貨車碰撞試驗護欄的運動軌跡。車輛碰撞護欄后碰撞側(cè)車體損壞變形，前保險杠彎曲損壞，車輛左前大燈損壞脫落；試驗護欄的殘余變形較大。如圖18所示為大貨車與護欄碰撞后車輛和護欄的損壞情況，檢測指標(biāo)結(jié)果如下：護欄最大橫向動態(tài)變形值0.85 m，護欄最大橫向動態(tài)位移外延值1.2 m，車輛最大動態(tài)外傾值為1.4 m，車輛最大動態(tài)外傾值1.55 m。

圖17 大貨車軌跡圖Figure 17 Trajectory diagram of the truck

圖18 大貨車碰撞后護欄及車輛變形圖

綜合以上結(jié)果，試驗護欄對車輛和乘員起到了有效保護，且護欄和車輛的變形均符合評價標(biāo)準(zhǔn)要求，護欄具有較好的安全防撞功能[12]。

4 結(jié)論

a.提出了一種基于原有舊波形梁護欄結(jié)構(gòu)進行改造的雙層兩波梁護欄結(jié)構(gòu)，提升防護等級至SB級。

b.通過計算機仿真分析的方法對雙層兩波梁護欄進行安全性評估，仿真結(jié)果表明雙層兩波梁護欄的各項安全性能指標(biāo)較優(yōu)，具有良好的防護能力；通過實車足尺碰撞試驗的方法對雙層兩波梁護欄進行安全性能評價，試驗結(jié)果表明雙層兩波梁護欄的各項評價指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求，防護等級達到SB級。

c.SB級雙層兩波梁護欄研究成果在實際道路中的應(yīng)用將大大提升相應(yīng)路段的行車安全。