具有快速開啟功能的新型防撞活動護欄開發(fā)

栗學(xué)銘， 高建雨， 仝瑞金， 龔 帥， 鄧 寶， 亢寒晶， 閆書明

(1.廣東省南粵交通懷陽高速公路管理中心， 廣東 廣州 510100; 2.北京華路安交通科技有限公司， 北京 100070)

0 引言

活動護欄是應(yīng)用于中央分隔帶開口位置的應(yīng)兼具安全防護功能和便于開啟功能的交通安全設(shè)施。目前公路上廣泛應(yīng)用的中分帶開口護欄形式主要為插拔式和伸縮式結(jié)構(gòu)，這兩種護欄具有拆裝方便的特點，但均不具備防撞能力，導(dǎo)致公路中央分隔帶位置的安全防護不連續(xù)，存在隱患[1-2]。國內(nèi)科研人員為提升活動護欄的防護能力開展了許多研究工作，提出了一些活動護欄結(jié)構(gòu)，如框架式無預(yù)應(yīng)力中分帶活動護欄等[3]，雖然這些中分帶活動護欄結(jié)構(gòu)的安全防護能力得以提升，但是在開啟移動方便性方面還有待進一步完善。

為更好地解決目前中分帶活動護欄使用過程中存在的安全防護性不足和不便開啟的問題，本文研究提出活動護欄由快速開啟段和可開啟段組成的設(shè)計新理念，依據(jù)新理念設(shè)計出兼具快速開啟和安全防護功能的新型防撞活動護欄結(jié)構(gòu)方案，并利用計算機仿真技術(shù)對新型防撞活動護欄結(jié)構(gòu)方案的安全性能進行評估[4]，研究成果將對我國公路活動護欄設(shè)計和中央分隔帶開口處安全與運營管理水平具有較大的促進和提升作用。

1 活動護欄研究現(xiàn)狀

活動護欄是設(shè)置在中分帶開口處可在緊急情況下(如交通事故)臨時開啟的活動設(shè)施[5]。2017年頒布實施的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2017)對中分帶開口活動護欄進行相關(guān)規(guī)定，要求活動護欄要具有防護車輛的安全防撞能力和便于拆裝移動的靈活性。

目前公路上廣泛應(yīng)用的活動護欄形式主要為便于拆裝移動的插拔式與伸縮式，僅具有警示和視線誘導(dǎo)作用，不具有對車輛的安全防護性能(見圖1)，使得公路中分帶位置的安全防護不連續(xù)[1]，存在一定隱患。

圖1 插拔式與伸縮式活動護欄不具備安全防護能力

針對目前中分帶活動護欄安全性不足的現(xiàn)狀，國內(nèi)相關(guān)研究人員為全面提高活動護欄的安全防護性能研發(fā)出了多種形式的活動護欄結(jié)構(gòu)，如圖2所示的鋼管預(yù)應(yīng)力索活動護欄和框架式無預(yù)應(yīng)力活動護欄等[3](見圖2)，上述活動護欄結(jié)構(gòu)的安全性能得到很大提升[6-8]，但在開啟移動方便性上還有待進一步優(yōu)化。

(a)鋼管預(yù)應(yīng)力索活動護欄

2 活動護欄設(shè)計新理念

通?；顒幼o欄主要在兩種情況下需要開啟：

a.非緊急開啟，大多是滿足交通組織需要(如路面大修時)，在此情況下，活動護欄滿足開啟功能即可，對于開啟所需時間無嚴格要求，但是該情況一般需要活動護欄全部或大部分開啟以滿足需要。

b.緊急開啟，主要為方便緊急救援車輛、交通安全事故處理車輛等特殊車輛在緊急情況下能夠順利通行[5]，要求活動護欄應(yīng)能快速開啟，但是對于開啟長度沒有特殊要求，只要滿足特種車輛通過即可。

針對中分帶開口活動護欄的開啟與關(guān)閉方便性能及可移動的靈活性，相關(guān)規(guī)范規(guī)定在兩人操作的情況下，應(yīng)保證活動護欄在10min內(nèi)開啟至少10m的長度[5]。目前我國具有防撞能力的活動護欄(見圖2)基本不具備緊急開啟功能，只可滿足非緊急情況下的開啟需求，存在不足?；诖私Y(jié)合活動護欄研發(fā)經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范要求，提出活動護欄設(shè)計新理念，即在護欄中間段設(shè)置快速開啟結(jié)構(gòu)，達到護欄閉合時具有可靠的安全防護性能、護欄開啟時可滿足全部開啟(見圖3路面大修和養(yǎng)護時)和局部快速開啟(見圖4特種車輛通行時)的綜合功能，如圖5所示為快速開啟功能示意圖。

圖3 路面大修

圖4 車輛緊急通行

圖5 新理念活動護欄快速開啟功能示意圖

3 新型防撞活動護欄設(shè)計

依據(jù)活動護欄新理念設(shè)計出的新型活動護欄結(jié)構(gòu)方案具有快速開啟和安全防護功能。如圖6所示，活動護欄由快速開啟段、可開啟段和端部過渡段3部分組成，總長度約45 m。

圖6 新型防撞活動護欄設(shè)計方案

3.1 快速開啟段結(jié)構(gòu)

如圖7所示為快速開啟段結(jié)構(gòu)，設(shè)計長度10m(經(jīng)試驗檢驗開啟寬度6 m時，即可滿足55 t的六軸鞍式貨車順利通過，見圖8)，波形板采用中心距地面高度為700mm的3mm厚三波梁板；快速開啟段兩端各采用兩根連接銷與可開啟段結(jié)構(gòu)進行連接，同時為增加護欄穩(wěn)定性，減小護欄橫向變形，在快速開啟段中間設(shè)置一根插拔式立柱(φ140mm×4.5mm型號)；為方便活動護欄的移動，安裝了帶有萬向輪的支撐結(jié)構(gòu)。當(dāng)活動護欄需要緊急開啟時，只需拔出兩端連接銷和中間立柱，通過萬向輪推走中間部分，即可實現(xiàn)快速開啟。

圖7 快速開啟段結(jié)構(gòu)

圖8 開啟試驗

3.2 可開啟段結(jié)構(gòu)

可開啟段結(jié)構(gòu)采用一柱雙板結(jié)構(gòu)型式(見圖9)，由4m一節(jié)的結(jié)構(gòu)單元組成；波形板為中心距地面高度700mm的3mm厚三波梁板；立柱采用直徑140mm厚度4.5mm的鋼管，插拔式設(shè)計，方便開啟和移動；波形梁板通過螺栓和方便連接的六角形防阻塊固定于立柱上。

圖9 可開啟段單元節(jié)

3.3 端部過渡段結(jié)構(gòu)

活動護欄端部應(yīng)與中央分隔帶護欄進行合理的過渡設(shè)計才能對失控車輛形成連續(xù)有效的防護[9-10]，對于中分帶護欄設(shè)置為波形梁結(jié)構(gòu)的路段，新型活動護欄結(jié)構(gòu)端部與波形梁護欄結(jié)構(gòu)相似可進行連接，達到結(jié)構(gòu)平順和剛度過渡的效果；但對于中分帶護欄設(shè)置為混凝土結(jié)構(gòu)的路段，新型活動護欄端部結(jié)構(gòu)與混凝土結(jié)構(gòu)存在較大差別，過渡設(shè)計需通過研究確定。如圖10所示為活動護欄端部過渡設(shè)計方案，過渡段長度為5 m，波形板采用厚度4mm，中心距地面高度700mm 的三波形板；立柱采用130mm×130mm×厚6mm的方形管，立柱間距1m設(shè)置(圖10中過渡段結(jié)構(gòu)最右側(cè)方立柱與可開啟段圓形立柱間距2m)；方形立柱和三波梁板之間設(shè)置方便連接的矩形防阻塊并利用螺栓固定。

圖10 端部過渡段結(jié)構(gòu)

4 新型防撞活動護欄安全性能評估

4.1 仿真模型可靠性驗證

為保障計算機仿真評估數(shù)據(jù)的準確性，在對新型防撞活動護欄安全性能進行評估前需對模型的準確性和可靠性進行驗證[11-12]。圖11為小客車、大客車和大貨車分別碰撞波形護欄結(jié)構(gòu)的仿真與試驗結(jié)果對比，可見仿真分析中3種車型碰撞護欄后的行駛軌跡及變形趨勢與試驗結(jié)果相符，從車輛行駛軌跡和變形趨勢的角度驗證了仿真分析中所用模型具有較高的精度和可靠性[11]。

(a)小客車碰撞

表1為波形護欄緩沖功能技術(shù)指標的仿真與試驗結(jié)果對比，可以看出護欄緩沖性能指標的仿真值

表1 緩沖性能指標的仿真與試驗結(jié)果對比表Table 1 Simulation and test results of buffering indicators結(jié)果對比乘員碰撞速度(OIV)/(m·s-1)乘員碰撞后加速度(ORA)/(m·s-2)縱向橫向縱向橫向仿真結(jié)果3.45.0128135試驗結(jié)果3.84.3112155

與試驗值基本一致，通過仿真和試驗中護欄的緩沖指標的比較驗證了仿真中所用模型具有較高的精確度和可靠性。

圖12為小客車、大客車和大貨車碰撞后波形護欄變形的仿真與試驗結(jié)果對比，可以看出波形護欄整體變形趨勢及變形范圍基本吻合，從護欄變形角度進一步校核了仿真分析中所用模型具有較高的精度和可靠性[11]。

(a)小客車碰撞后

根據(jù)大量波形護欄碰撞試驗與仿真計算的數(shù)據(jù)對比，可知車輛碰撞護欄的仿真分析模型的準確性和可靠性較高[12]，可用于護欄安全性能評估。

4.2 活動護欄安全性能評估

根據(jù)文獻[13]對Am級護欄碰撞條件的規(guī)定，如表2所示，新型防撞活動護欄方案需滿足表2所示的碰撞條件，碰撞點應(yīng)包括活動護欄中點和沿行車方向距離活動護欄終點2 m的位置，如圖13所示。

表2 碰撞條件Table 2 Impact test conditions試驗車型車輛質(zhì)量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ小型客車1.510020—中型客車10.06020≥160 中型貨車10.06020

圖13 活動護欄碰撞點位置

按照上述碰撞條件和碰撞點位置，分別建立小客車、中客車及中貨車碰撞新型防撞活動護欄中點與端部的仿真模型，依據(jù)表2所示的碰撞條件對新型防撞活動護欄安全防護性能進行評估。

表3為活動護欄對車輛阻擋和導(dǎo)向的仿真分析結(jié)果：3種車輛碰撞活動護欄后均能順利駛出，且碰撞后3種車輛均能順利導(dǎo)出，說明活動護欄具有較好的阻擋功能；由車輛模型碰撞后的行駛輪跡可以看出護欄達到了標準對導(dǎo)向性的要求，護欄的導(dǎo)向功能較好。

表3 活動護欄對車輛阻擋和導(dǎo)向的仿真分析結(jié)果Table 3 Containment performance and redirective perform-ance of movable barriers碰撞車型碰撞點活動護欄中點距離活動護欄終點2 m小型客車中型客車中型貨車

圖14為小客車碰撞活動護欄方案中點和端部的緩沖指標曲線：車輛碰撞護欄中點的乘員碰撞后縱向加速度和橫向加速度分量分別為178、86.1 m/s2，碰撞護欄端部的乘員碰撞后縱向加速度和橫向加速度分量分別為127.6、68.9 m/s2，未超過200 m/s2；車輛碰撞護欄中點的乘員碰撞的縱向速度和橫向速度分量分別為4.4、5.7 m/s，碰撞護欄端部的乘員碰撞縱向速度和橫向速度分量分別為6.8、7.2 m/s，均未大于12 m/s，護欄緩沖功能良好。

通過計算機仿真分析，可知新型防撞活動護欄方案的3個評價指標均符合標準規(guī)定，防護等級可達到Am級，但要在實際工程中應(yīng)用，此活動護欄結(jié)構(gòu)安全防護性能仍需通過實車試驗進行評價驗證。

圖14 乘員碰撞后加速度

5 結(jié)論

通過對新型防撞活動護欄的研究可得出如下結(jié)論：

a.現(xiàn)有活動護欄型式不兼具安全防撞與快速開啟功能，未能較好地滿足公路中央分隔帶開口位置對活動護欄使用功能的需求。

b.提出了活動護欄閉合時應(yīng)具有可靠的安全防護功能、開啟時應(yīng)具備全部開啟與局部快速開啟功能的設(shè)計新理念。

c.提出了由快速開啟段、可開啟段和端部過渡段3部分組成的具有快速開啟功能的新型防撞活動護欄設(shè)計方案。

d.新型防撞活動護欄方案的安全性經(jīng)計算機仿真評估，防護等級可達到Am級，但是在實際工程應(yīng)用之前仍需要采用實車足尺碰撞試驗對護欄安全性能做進一步評價。