新型旋轉式護欄防車撞能力與導向機理

鄭 植， 耿 波， 楊 波， 陳 巍， 魏思斯

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400045；2.招商局重慶交通科研設計院有限公司 橋梁工程結構動力學國家重點試驗室，重慶 400067；3.西南交通大學 土木工程學院，成都 611756)

截至2019年，我國公路總里程已達501.25萬km，其中高速公路達14.96萬km，位居世界第一[1]。隨著交通強國建設綱要的逐步實施，汽車保有量增加，車輛重型化、快速化發(fā)展，公路交通流量與貨物吞吐量將進一步增加，道路交通安全事故也愈加頻繁，嚴重威脅著人們的生命財產安全和交通設施的正常使用。在發(fā)生的公路交通事故中，汽車尤其是大型車輛與路邊安全設施的碰撞事故比例高達30%以上[2]。

護欄作為保護車輛行駛安全的最后一道屏障，其可靠防護性至關重要，因此護欄的防護性能與機理得到了許多學者的關注。張晶等[3]分析了彎道混凝土護欄的曲線半徑對乘員在碰撞過程中所承受沖擊加速度的影響，得到乘員風險的最不利護欄半徑；雷正保等[4-7]建立了完整的汽車-護欄-乘員-座椅-安全帶一體化模型對山區(qū)公路上常用的4種典型混凝土護欄進行了碰撞仿真分析，研究了汽車撞擊護欄時車內乘員的安全性，指出了間斷式混凝土護欄與連續(xù)式混凝土護欄存在的問題，并研究了新型聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)護欄、柔性護欄的安全防護性能。Dinnella等[8]提出了一種新型混凝土護欄，通過實車碰撞試驗驗證該護欄能夠承受38 t重型車輛的連續(xù)撞擊；宋彥琦等[9]提出了一種具有較高剛性新型過渡段護欄，能夠抵擋重型車輛碰撞時產生的巨大能量，并能起到很好卸能效果；Gutowski等[10]對不同傾斜度、坡面及不同設置高度的波形護欄進行了碰撞仿真分析，并通過碰撞后的運行軌跡、傾斜程度、碰撞角、橫向位移和橫向速度等指標評估護欄性能。Noh等[11]研究了立柱的結構容差效應對開放式護欄系統(tǒng)的影響，并指出大于15°的角容差是必須避免的；Yang等[12]提出了一種新型鉸接式可移動的高速公路混凝土中央分隔帶護欄，與標準混凝土護欄相比能有效降低乘員傷害、減輕車輛側翻程度。Yin等[13]針對傳統(tǒng)波形護欄易出現拌阻而降低護欄的轉向性能，設計了一種7字型立柱，能夠有效防止拌阻現象。Reid等[14]研究了不同外傾率對波形護欄安全性的影響，指出外傾率是護欄安全性的重要影響因素。楊少偉等[15]提出了適合中國高速公路的合理中間帶結構型式，并指出高速公路中間帶護欄外側不宜設置凸起式路緣石。Hou等[16]發(fā)現在碰撞過程中，立柱對車輪產生的拌阻作用會導致汽車嚴重變形，以護欄尺寸為設計變量對波形梁護欄系統(tǒng)進行了優(yōu)化，提高了碰撞安全性。Atahan等[17]提出了一種新型輕鋼護欄，進行了6次全尺寸碰撞試驗，驗證了其防護性能。

上述研究主要集中在以現有的混凝土護欄、波形護欄為基礎進行升級改造，而對旋轉式護欄這一新型防護結構鮮有報道。旋轉式護欄最早由韓國ETI公司研發(fā)，在美日韓等國家被廣泛使用，近年來我國進行了引進并開展了相關研究。目前已在國內多條高速公路、國道等不同等級道路上運用[18-20]。根據蘇州繞城高速統(tǒng)計數據，與傳統(tǒng)波形護欄相比，安裝旋轉式護欄前后一年某匝道交通事故數由63次降低至10次，護欄損壞數由24個降低至3個，事故率與碰撞損傷程度分別降低了84%，87%，證明了其優(yōu)越性[21]。盡管旋轉式護欄已得到較為廣泛應用，但相關文獻較少，已有的文獻僅定性分析了旋轉式護欄的工作原理，僅整理、對比了1.5 t小轎車碰撞下旋轉式護欄與其他形式護欄的車體加速度指標[22]。旋轉式護欄在大噸位客車與貨車撞擊下的防護能力、導向機理尚未有文獻報道。鑒于此，本文基于LS-DYNA建立了輕型貨車、中型客車、大型貨車-護欄的精細化有限元模型，對相同防護等級下的旋轉式護欄、三波護欄、混凝土護欄進行了碰撞數值模擬，對比了多個評價指標，并與實車碰撞試驗進行了對比，驗證了數值模擬結果的合理性，研究了旋轉式護欄的防護能力與導向機理。

1 旋轉式護欄介紹

旋轉式護欄由立柱、橫梁、旋轉桶組成，為加強護欄橫向剛度，采用“一柱四欄”形式，可有效防止汽車穿越或沖斷護欄。將復合材料柔性旋轉桶套在立柱上形成獨特的旋轉結構，在受到失控車輛撞擊時，多個旋轉筒旋轉，一方面可撥轉車頭回到行駛方向；另一方面可分散部分撞擊力，從而有效減輕交通事故造成的后果。根據DB33/T 888—2013《旋轉式防撞護欄設置規(guī)范》[23]，選用RG-SB-1型進行分析，其構造見圖1所示。旋轉防撞桶外徑350 mm，內徑145 mm，高490 mm，旋轉桶噴涂醒目顏色并設置反光條，具有良好的視線引導與警示功能，內部設置PVC耐磨套管，外徑165mm，厚度8mm。防撞橫梁尺寸為100.0 mm×80.0 mm×3.5 mm(b×h×δ)。橫梁與立柱采用M20螺栓連接，立柱布置間距為700 mm。立柱直徑為140 mm，厚度4.5 mm，路面以上高度為960 mm。

圖1 旋轉式護欄構造(mm)Fig.1 Structural dimensions of rotary guardrail(mm)

旋轉桶以乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)為主料，添加聚乙烯(polyethylene,PE)及相關化學助劑等17種輔料，在一定溫度及壓力下復合而成，具有輕質耐沖擊、回彈率高等特點。由于碰撞中旋轉桶受壓，為在后續(xù)仿真中精細模擬旋轉桶，進行了壓縮性能試驗，將工程上運用的成品截取制作5個邊長50 mm正方體試件，統(tǒng)一編號后進行試驗，試驗結果見圖2，試驗前后試件無明顯變化，力學性能表現為超彈性。

2 碰撞系統(tǒng)有限元模型及碰撞工況

2.1 汽車有限元模型

碰撞車輛選取了道路交通運輸中較為常見的3種車型，分別為2 t輕型貨車、10 t中型客車及18 t兩軸大型貨車，由于汽車車身主要為薄壁金屬結構，因此單元類型以殼單元為主，單元算法選用缺省的Belytschko-Tsay單點積分，該算法在處理大應變問題中具有更高的精度與計算效率。同時為獲得良好單元以保持數值計算的穩(wěn)定性，控制四邊形單元翹曲角不大于15°，碰撞區(qū)域最小特征長度均控制在20 mm左右，單元長寬比小于3。車身各部分主要采用點焊與剛性連接，通過關鍵字*CONSTRAINED_SPOTWELD與*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY實現。輪胎與懸掛的連接、轉動與轉向采用球鉸與鉸鏈模擬，通過關鍵字*CONSTRAINED_JOINT_SPHERICAL與*CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE實現。輪胎胎壓通過關鍵字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL來模擬，輕型貨車胎壓為0.3 MPa，中型客車與大型貨車胎壓為0.8MPa。為模擬行駛過程中輪胎的轉動，通過關鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION定義輪胎旋轉軸并施加角速度來實現。碰撞車輛有限元模型來自美國國家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center, NCAC)，見圖3，車輛模型結構參數見表1。

圖3 碰撞車輛有限元模型Fig.3 FE models of vehicles

表1 車輛模型結構參數

2.2 旋轉式護欄有限元模型

建立護欄精細化有限元模型，防撞橫梁、立柱、PVC套管均采用四邊形殼單元建立，厚度分別為3.5 mm，4.5 mm，8 mm。螺栓采用六面體單元建立，旋轉桶采用五面體單元建立，PVC套管與旋轉桶通過共節(jié)點方式連接。實體單元算法采用缺省的連續(xù)應力積分，為避免碰撞中由于接觸剛度差異過大旋轉桶出現負體積現象，對旋轉桶采用包殼處理，厚度取1 mm，護欄接觸碰撞區(qū)域單元尺寸均控制在10～20 mm內。有限元模型見圖4，限于篇幅僅列出局部細節(jié)，實際有限元模型全長為70 m，共設置100個旋轉桶。

圖4 旋轉式護欄有限元模型Fig.4 FE models of rotary guardrail

2.3 常見護欄有限元模型

選取相同防護等級的混凝土護欄、三波護欄，分別與旋轉式護欄的防護性能進行對比。建立精細化有限元模型，混凝土護欄采用六面體單元建立，護欄長60 m，共劃分59 200個單元，66 732個節(jié)點。三波護欄采用四邊形殼單元建立，布設長度為80m，立柱間距1 m，共劃分118 814個單元，120 078個節(jié)點。護板厚度為4 mm，防阻塊厚度為4.5 mm，立柱厚度為6 mm。三者采用點焊單元進行連接，其法向失效拉力fsn=70 kN，剪切失效力fss=45 kN。兩種護欄構造及有限元模型見圖5。

圖5 常見護欄有限元模型(mm)Fig.5 FE models of common guardrails(mm)

2.4 邊界條件定義

接觸設置：為模擬車輛與地面接觸，利用關鍵字*LOAD_BODY_Z給各碰撞系統(tǒng)施加重力加速度，通過*RIGIDWALL_PLANAR定義輪胎與地面的接觸，摩擦因數取0.7；通過*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義各碰撞車輛內部自接觸；通過*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE分別定義各車輛與護欄接觸；其中混凝土護欄與三波護欄接觸較為簡單，可將其作為整體定義接觸。旋轉式護欄立柱與橫梁的連接通過建立實際的螺栓進行模擬，連接性能通過接觸實現；車輛與護欄、地面的相互作用均通過接觸模擬。為了模擬碰撞過程中旋轉桶的旋轉導向功能，旋轉桶與立柱定義自動面面接觸，旋轉護欄碰撞系統(tǒng)接觸設置見表2。為方便對比分析，不同碰撞系統(tǒng)靜、動摩擦因數均設置為0.2[24]。

表2 旋轉護欄碰撞系統(tǒng)接觸定義

約束設置：根據文獻[25]，立柱最大彎矩發(fā)生位置與柱徑、埋深無關，最大彎矩位于地面以下400 mm處。因此土壤與立柱的相互作用可直接固接地面以下400 mm進行簡化，不會影響計算精度，同時可提高仿真效率，通過*BOUNDARY_SPC_SET進行約束。

材料模型：旋轉式護欄防撞橫梁、立柱與三波護欄均采用Q235鋼材，材料模型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，密度7 850 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強度235 MPa，切線模量1 180 MPa，失效應變0.34，應變率參數C=40.4，P=5[26]。旋轉式護欄螺栓采用理想彈塑性模型，屈服強度為375 MPa，屈服應變?yōu)?.001 78，失效應變0.34，不考慮應變率效應。旋轉桶材料密度為188 kg/m3，采用*MAT_HYPERELASTIC_RUBBER超彈性本構模型，該模型在處理大變形問題時十分穩(wěn)定，且材料參數輸入方便，能夠直接輸入圖2的試驗曲線進行模擬；旋轉桶包殼層采用*MAT_NULL空物質材料模型，密度10 kg/m3，彈性模量10 MPa，泊松比0.3；PVC套管材料彎曲性能表現為彈塑性，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY分段線性彈塑性模型，密度1 500 kg/m3，彈性模量1.4 GPa，泊松比0.38，屈服強度23.4 MPa，拉伸強度39.4 MPa，失效應變0.22?；炷磷o欄由于屬于剛性護欄，碰撞中幾乎沒有明顯變形，根據文獻中混凝土護欄足尺實車撞擊試驗與有限元的對比，采用剛體模型模擬混凝土，能夠保證結果的可靠性，且能提高計算效率[27-29]。故采用*MAT_RIGID剛體模型，密度2 500 kg/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.17。

工況設置：根據文獻[30]，并參考Yang等，邰永剛[31]，閆書明[32]的取值，碰撞工況為2 t輕型貨車、10 t中型客車及18 t大型貨車分別以100 km/h，80 km/h，65 km/h行駛速度20°撞擊各護欄，見表3所示。

表3 碰撞工況

3 碰撞結果對比分析

3.1 輕型貨車碰撞結果

車輛與護欄碰撞以后，會受到沖擊加速度作用，當加速度達到一定程度，乘員就會受到不同程度傷害且有死亡的可能。在輕型車輛碰撞護欄過程中，需進行乘員安全評價，要求車輛重心處縱向與橫向加速度10 ms間隔平均值的最大值不得超過20g。車體重心處加速度時程曲線如圖6所示，其中撞擊旋轉式護欄縱橫向加速度最大值分別為12.6g，9.7g；撞擊三波護欄加速度最大值分別為12.8g，11.5g；撞擊混凝土護欄加速度最大值分別為18.4g，16.1g，均滿足要求。

圖6 車輛重心加速度時程曲線Fig.6 Acceleration time history curves of vehicle’s center of gravity

圖7為撞擊力時程曲線，可以發(fā)現在車頭碰撞階段撞擊旋轉式護欄的峰值力要略高于三波護欄，遠低于混凝土護欄，隨后三波護欄與混凝土護欄直接進入甩尾碰撞階段，出現第二個撞擊力峰值，而旋轉式護欄憑借多個旋轉桶的旋轉導向及彈性反作用，使車頭在0.1 s內橫向偏離一定距離，不再接觸護欄，甩尾碰撞接觸面積減小，再加上旋轉桶的柔性，使得第二個峰值相對于三波護欄與混凝土護欄降低了82%。碰撞過程中三波護欄最大橫向變形為275 mm，碰撞結束彈性變形恢復后穩(wěn)定在250 mm，而旋轉式護欄沒有明顯變形，整體未出現破壞，見圖8。

圖7 撞擊力時程Fig.7 Time history curve of impact force

圖8 護欄橫向變形Fig.8 Lateral deformation of guardrail

圖9給出了3種護欄在碰撞過程中車輛高度變化，圖9實線為重心高度變化，虛線為離地最高的輪胎抬高變化。以車輛的行進方向區(qū)分左右輪胎，撞擊旋轉式護欄車輛重心降低了8 cm，左前輪最大抬高至30 cm，隨后回到地面；撞擊混凝土護欄與三波護欄車輛重心分別抬高了28 cm，15 cm，車輛右后輪抬高最為劇烈，最大達到了58 cm，這表明在完全脫離護欄以后車輛將在此高度落下碰撞地面給乘員帶來豎向沖擊。

圖9 車輛高度變化時程Fig.9 Time history of vehicle height variations

圖10 碰撞角度變化時程Fig.10 Time history of collision angle variations

圖10給出了從碰撞到駛離護欄過程的角度變化，可以發(fā)現由于混凝土護欄的剛性碰撞，車輛駛出角度達到了12°，三波護欄駛出角最小，僅為5.1°。陳國興等給出了旋轉式護欄在1.5 t小客車以100 km/h速度撞擊下的實車碰撞試驗實測駛出角度為6.32°，本文有限元模擬得到的駛出角為6.52°。

輕型貨車碰撞結束后車輛與護欄的形態(tài)見圖11，可以發(fā)現，在分別撞擊3種護欄下，車輛輪胎均未脫落，車門無變形，玻璃完好，乘座室完整，乘員沒有被侵入物傷害的可能。其中撞擊三波護欄車頭左側變形最為嚴重，撞擊旋轉式護欄與混凝土護欄車輛變形最小，三波護欄出現明顯橫向變形，旋轉式護欄未出現破壞，整體形態(tài)完好。旋轉式護欄能夠有效抑制小型車輛的抬高，這在發(fā)生事故時是極為有益的。

圖11 輕型貨車碰撞形態(tài)對比Fig.11 Comparison of collision patterns under the light truck collision

3.2 中型客車碰撞結果

圖12為中型客車碰撞下的撞擊力時程，可以發(fā)現第一階段車頭碰撞時，撞擊旋轉式護欄與三波護欄的碰撞力峰值區(qū)別不大，為370 kN，撞擊混凝土護欄峰值達到700 kN；由于三波護欄發(fā)生較大的橫向變形，在0.35 s時刻達到720 mm，碰撞結束后穩(wěn)定在650 mm，見圖13，因此在第二階段客車甩尾時撞擊不到護欄，不會出現第二個峰值。對于旋轉式護欄，橫梁與立柱產生塑性變形、旋轉桶產生旋轉與柔性彈性變形，使車頭在0.40～0.55 s內橫向偏離一定距離，不再接觸護欄，甩尾碰撞接觸面積減小，使得第二個峰值相比車頭碰撞時降低了46%，與混凝土護欄的第二個峰值相比則降低了88%。

旋轉式護欄車頭碰撞階段護欄橫向變形最大為470 mm，恢復彈性變形后穩(wěn)定為420 mm，甩尾碰撞護欄變形最大增加了42 mm，碰撞結束后變形穩(wěn)定在466 mm，見圖13。旋轉式護欄受碰撞產生的峰值力盡管與三波護欄基本一樣，但護欄的變形降低了28%，旋轉式護欄的耐撞性能更好。

圖12 撞擊力時程Fig.12 Time history curve of impact force

圖13 護欄橫向變形Fig.13 Lateral deformation of guardrail

圖14給出了客車重心高度與輪胎最大抬高變化，撞擊旋轉式護欄車輛重心僅升高了5.6 cm，右后輪最大抬高為16 cm；撞擊三波護欄車輛高度變化最大，重心升高了20 cm，右前輪離地最高達到43 cm。

圖14 車輛高度變化時程Fig.14 Time history of vehicle height variations

圖15為碰撞角度變化，撞擊混凝土護欄的駛出角最小，撞擊旋轉式護欄駛出角為11°，三波護欄為13°。碰撞結束以后發(fā)現，客車撞擊旋轉式護欄僅左前輪處發(fā)生輕微變形，駕駛室完好，撞擊三波護欄時駕駛室變形最為嚴重，見圖16。

圖15 碰撞角度變化時程 Fig.15 Time history of collision angle variations

圖16 中型客車碰撞形態(tài)對比Fig.16 Comparison of collision patterns under the mediumbus collision

3.3 大型貨車碰撞結果

圖17為大型貨車撞擊3種護欄的碰撞力時程曲線，由于混凝土護欄剛性碰撞，使得車頭與車尾碰撞護欄時的峰值最高，達到700 kN，在0.85 s時刻貨車側翻貨廂撞擊護欄，引起第三個撞擊峰值，為250 kN；三波護欄由于護板被撞斷，車頭隨后碰撞立柱，碰撞峰值增加；旋轉式護欄在貨車撞擊下其完整性與導向性均較好，仍正常工作，其車頭碰撞、甩尾碰撞兩個階段峰值力相當，分別為353 kN，340 kN，相比于混凝土護欄與波形護欄，車頭碰撞階段撞擊力峰值分別降低了50%，34%。

圖18為護欄橫向變形，撞擊旋轉式護欄車頭碰撞階段最大變形為245 mm，甩尾碰撞時變形最高達到358 mm，經過兩階段碰撞，護欄最終橫向變形穩(wěn)定為327 mm。三波護欄變形達到270 mm時護板發(fā)生斷裂，隨后車輛沖斷護板無法導向。撞擊旋轉護欄時車輛高度變化見圖19，車輛重心最高升高至22 cm，右后輪抬高最為劇烈，但在0.74 s時刻甩尾碰撞階段達到最大值86 cm后，將不再繼續(xù)抬高，并逐步返回地面。

圖17 撞擊力時程Fig.17 Time history curve of impact force

圖18 護欄橫向變形Fig.18 Lateral deformation of guardrail

圖19 撞擊旋轉護欄車輛高度變化時程Fig.19 Time history of vehicle height variations of rotary guardrail

圖20給出了車輛碰撞角度變化，撞擊旋轉式護欄車輛在0.4 s時刻車頭被完全撥正，最終駛出角為7°，表明車輛順利得到了轉向。三波護欄由于其完整性不足，無法順利引導車輛轉向，在1.3 s時刻車身縱向軸線與護欄夾角達到了25°。

圖20 碰撞角度變化時程Fig.20 Time history of collision angle variations

車輛運行軌跡是護欄導向功能最好的評價指標，通過實車碰撞試驗與數值模擬得到的軌跡對比，能夠定性評價數值模擬的可靠性。試驗與數值仿真采用的車輛均為NCAC發(fā)布的HGV16型貨車。圖21對比了貨車碰撞試驗與數值模擬得到的車輛運行軌跡與護欄橫向變形，0.12 s時刻車頭碰撞護欄，左前輪轉向與護欄平行，旋轉桶旋轉逐漸撥正車頭，0.39 s時刻車輛軸線與護欄幾乎完全平行，0.48 s時刻發(fā)生甩尾碰撞，隨后貨車駛離護欄。從圖21可知，在碰撞進程中，車輛沒有翻越、騎跨護欄，且未發(fā)生橫擺、調頭、翻車等狀況，車輛駛出護欄后順利恢復到正常行駛姿態(tài)。車輛運行軌跡的仿真結果與試驗結果基本一致。

圖22為貨車碰撞3種護欄全過程，對于旋轉式護欄，0.2 s時刻車輛右前輪撥正方向，左前輪抬高，到0.4 s時刻左前輪回到地面，車頭被撥轉回到行駛方向，0.6 s時刻發(fā)生甩尾，左后輪撞擊護欄，貨車右側騰空有側翻趨勢，到1 s時刻回到地面隨后駛離護欄，車輛僅左前側保險杠處出現輕微破壞，其余部位未發(fā)生明顯變形，見圖22(g)；對于三波護欄，碰撞中護板被撞斷，車輛無法轉向回到行駛方向，繼續(xù)侵入護欄外側；對于混凝土護欄，左前輪無法爬上護欄坡面，只能產生碰撞，在0.4 s時刻貨車甩尾，左后輪與護欄坡面頂部發(fā)生剛性碰撞，車輛以左側輪胎頂部為支點外翻，右側輪胎迅速抬高導致翻車。旋轉式護欄在抵御重型貨車撞擊時更具優(yōu)勢，能夠有效保障乘員安全。

4 旋轉式護欄導向機理及防護性能

車輛失控撞擊護欄獲得良好轉向的關鍵在于與護欄碰撞的輪胎能否被撥正方向，旋轉式護欄設置上下兩道防撞橫梁，中間設置柔性旋轉桶，為減輕車輛外翻旋轉桶中心線略高于車輛輪軸。圖23(a)表明車輪剛撞擊護欄時為點接觸，將受到垂直于輪面的反作用力，隨后車輪繞輪軸扭轉回正，由點接觸轉變?yōu)槊娼佑|，見圖23(b)。

圖21 實車碰撞試驗與數值模擬車輛軌跡對比Fig.21 Collision test and simulation of vehicle trajectory comparison

圖24給出了大型貨車撞擊旋轉式護欄的轉向過程，左前輪回正以后繞輪軸水平方向的扭轉基本鎖死，車輪將平行緊靠在橫梁上向前運動，并隨著旋轉桶反方向的旋轉引導駛離護欄，駛出角為7°。

碰撞過程旋轉桶受力見圖25，旋轉桶受到擠壓產生可恢復的彈性變形進行緩沖，受到的橫向壓力分別為85 kN，104 kN，150 kN，車輛與旋轉桶間的縱向滾動摩擦力分別為79 kN，91 kN，118 kN，顯著低于車與護欄間的整體碰撞力，能減輕對乘員傷害。同時，由于多個旋轉桶受力，一方面通過繞立柱反方向旋轉撥轉車頭，快速導向；另一方面占據了橫梁間空隙，可有效防止碰撞后小型車輛下穿護欄，見圖26。

圖22 大型貨車碰撞下各時刻動態(tài)響應Fig.22 Dynamic response under the heavy truck collision

圖24 旋轉式護欄的轉向過程Fig.24 Turning process of rotatary guardrail

設置下橫梁的作用一方面可以托住旋轉桶，更重要的是能夠有效防止輪胎撞擊立柱發(fā)生拌阻。波形護欄由于護板底部與立柱間的空隙，易發(fā)生車輪拌阻，見圖27(a)、圖27(b)所示。拌阻發(fā)生以后車輛運行軌跡無法明確，存在以下三種情況：①克服拌阻順利導向；②由于巨大慣性車身橫擺翻轉；③碰撞方式轉變?yōu)槟芰拷粨Q的偏置正碰，撞斷護板、立柱。圖27(c)說明了波形護欄的拌阻機理，可見在車輪中心上下一定距離設置兩道橫梁能夠對車輪形成橫向推力，有利于轉向。

車輛碰撞旋轉式護欄全過程的行駛軌跡見圖28，輪跡均未越出導向駛出框直線F。在輕型貨車撞擊下，旋轉式護欄沒有明顯變形，整體未出現破壞；在中型客車與大型貨車撞擊下，護欄均出現塑性變形，最大橫向動態(tài)位移外延值分別為746 mm，636 mm，變形長度范圍分別為11.2 m，7.7 m。

圖25 旋轉桶碰撞受力Fig.25 Collision force of rotating barrel

圖26 旋轉桶旋轉導向Fig.26 Rotation guide of rotating barrels

圖27 撞擊波形護欄車輪拌阻Fig.27 The snagging between the wheel and W-beam guardrail

圖28 碰撞車輛行駛軌跡(m)Fig.28 Trajectory of collision vehicles(m)

圖29給出了車輛外傾時程曲線，波形護欄防護下，中型客車最大外傾當量值為1.85 m；旋轉式護欄防護下，中型客車最大外傾當量值為1.05 m，外傾程度降低了43%，大型貨車則為0.85 m，表明旋轉式護欄阻擋車輛外傾能力更優(yōu)。

圖29 車輛動態(tài)外傾當量值Fig.29 Normalized dynamic vehicle incline-out distance

在撞擊護欄過程中，車輛初始動能逐漸轉化為車輛和護欄的內能、界面接觸能、沙漏能等，圖30(a)為大型貨車撞擊旋轉式護欄的系統(tǒng)能量曲線?？偰芰勘３质睾悖陈┠艿玫接行Э刂?，占總能量比例小于10%，可說明數值仿真結果的合理性。碰撞中內能僅占總能量20%，70%的動能仍保留在車輛上，其導向性能良好。圖30(b)說明了旋轉式護欄與三波護欄的吸能對比，輕型貨車撞擊下，旋轉式護欄主要依靠彈性緩沖、引導車輛，護欄不發(fā)生破壞；中型客車與大型貨車碰撞下，旋轉式護欄產生塑形變形吸能，由于旋轉式護欄獨特的四道橫梁，與三波護欄相比可在較小的橫向變形下吸收更多能量，從而減輕車輛損傷；旋轉式護欄在防護大型貨車碰撞時導向能力最好，護欄僅吸收了200 kJ能量就引導車輛駛出。兩種護欄內部的吸能情況較為一致，從圖30(c)、圖30(d)可知，防撞橫梁與護板是吸能的主體，立柱次之。旋轉桶與防阻塊的主要作用并不是吸能，前者是配合橫梁對失控車輛提供快速有效導向，后者是為了防止車輪拌阻。

綜合各指標對比，旋轉式護欄防護性能優(yōu)于傳統(tǒng)護欄，建議在重車繁重路段、急彎、陡坡、視距不良等行車危險路段進行設置，以更好的保障生命安全。

圖30 能量變化Fig.30 Energy variations

5 結 論

(1)輕型貨車、中型客車碰撞下，旋轉式護欄的各項主要指標均優(yōu)于三波護欄與混凝土護欄。大型貨車撞擊下，三波護欄完整性不足，護板被撞斷，混凝土護欄出現翻車。旋轉式護欄防護能量可達340 kJ，在防護大型貨車撞擊方面更具優(yōu)勢。

(2)旋轉式護欄的導向關鍵在于其沿輪軸中心上下一定距離設置兩道防撞橫梁，能快速有效回正車輪，且回正以后繞輪軸水平方向扭轉基本鎖死，車輪將平行緊靠在橫梁上向前運動，并隨著旋轉桶反方向旋轉引導駛離護欄。

(3)旋轉式護欄獨特的“一柱四欄”形式，其剛度與強度高于波形護欄，在輕型貨車、小型客車的低能量碰撞下，整體上依靠可恢復的彈性變形、局部依靠旋轉桶柔性緩沖與旋轉進行防護；在大中型車輛的中高能量碰撞下，主要依靠防撞橫梁與立柱的塑形變形吸收能量，降低車輛直接承擔的內能，減輕車輛損傷。

(4)下一步可對旋轉式護欄的設置高度、立柱間距、橫梁尺寸、旋轉桶半徑等參數進行優(yōu)化，并對立柱進行改造使其可作為橋梁防撞護欄。