基于PC-Crash 的公路護欄標(biāo)準段安全性評價研究

王科超 ,常安德,2

(1.中國刑事警察學(xué)院,沈陽 110854;2.公安部痕跡檢驗鑒定技術(shù)重點實驗室,沈陽 110854)

由于部分公路現(xiàn)有護欄已達到或接近使用期限,護欄安全性能降低,無法較好地滿足當(dāng)前公路交通防護需求[1]。同時疲勞駕駛、雨雪天超車等駕駛員因素或車輛突發(fā)故障導(dǎo)致的車輛失控,使車輛易與公路護欄標(biāo)準段發(fā)生側(cè)碰,造成人身及財產(chǎn)損失。因此,開展護欄標(biāo)準段碰撞安全性研究對于提高當(dāng)前公路交通事故預(yù)防能力十分必要。

國內(nèi)外學(xué)者針對護欄標(biāo)準段的安全性能開展了諸多研究,如都雪靜等[2]使用ANSA 軟件建立護欄有限元模型,通過分析仿真試驗結(jié)果對高速公路現(xiàn)有波形板護欄的安全性進行評價;Marzougui 等[3]采用LS-DYNA 軟件作為碰撞模型建立的工具,通過模擬試驗結(jié)果與實車足尺試驗數(shù)據(jù)的比較,分析波形梁護欄板的設(shè)置高度對護欄防護能力的影響;Yin 等[4]通過數(shù)值模擬對混凝土護欄的性能進行研究,并對護欄的橫截面形狀進行優(yōu)化設(shè)計,以減小撞擊車輛的側(cè)傾角。在目前驗證公路護欄標(biāo)準段的方法中,實車足尺試驗是獲得準確數(shù)據(jù)和真實碰撞效果的最優(yōu)方法,但開展相關(guān)試驗需要耗費較多人力和物力,不宜大范圍進行。隨著計算機仿真方法的普及,交通仿真軟件由于其在節(jié)省成本和提高效率方面的優(yōu)勢被日益推廣。

PC-Crash 交通事故仿真軟件可以模擬交通事故涉事車輛碰撞發(fā)生過程,輔助分析交通事故成因與交通事故責(zé)任認定[5]。經(jīng)過與其他交通仿真軟件的實測比較,PC-Crash 軟件優(yōu)勢明顯,計算時間快、計算結(jié)果相對準確,事故過程模擬可多維呈現(xiàn)且形象具體,進行單車碰撞事故仿真時能獲得較好的試驗?zāi)M效果,可為本研究提供較好的技術(shù)支持。

基于PC-Crash 仿真軟件,從防撞性、導(dǎo)向性以及乘員安全性3 個方面進行護欄標(biāo)準段的安全性分析,實現(xiàn)對公路護欄標(biāo)準段的安全性綜合評價,有助于交通管理部門完善事故處理工作,也為改進護欄標(biāo)準段設(shè)計提供參考。

1 兩種典型護欄標(biāo)準段

我國采用的護欄標(biāo)準段形式主要包含混凝土護欄標(biāo)準段、波形梁護欄標(biāo)準段和纜索護欄標(biāo)準段[6]。在部分風(fēng)景區(qū)路段目前使用纜索護欄標(biāo)準段較多,事故發(fā)生率較低;在中央分隔帶和路側(cè)區(qū)域使用波形梁護欄標(biāo)準段和混凝土護欄標(biāo)準段較多,事故發(fā)生率較高[7]。因此針對公路常見且事故多發(fā)的波形梁護欄標(biāo)準段和混凝土護欄標(biāo)準段設(shè)計車輛-護欄標(biāo)準段碰撞仿真試驗。

2 護欄標(biāo)準段安全性能評價指標(biāo)

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準》(JTG B05-01—2013)[8],護欄標(biāo)準段的安全性能評價指標(biāo)應(yīng)符合:①阻擋功能:應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨;試驗護欄構(gòu)件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。②緩沖功能:乘員碰撞速度的縱向分量與橫向分量均不得大于12 m/s;乘員碰撞后加速度的縱向分量與橫向分量均不得大于200 m/s2。③導(dǎo)向功能:車輛碰撞后不得翻車。車輛輪跡導(dǎo)向駛出框圖如圖1 所示,導(dǎo)向駛出時不得越出直線F,參數(shù)A和參數(shù)B的取值如表1 所示。

表1 參數(shù)A 和參數(shù)B 的取值 (m)

3 車輛-護欄標(biāo)準段碰撞仿真試驗

3.1 試驗設(shè)計

第一階段:確定試驗車輛和護欄標(biāo)準段種類,從軟件庫中調(diào)用試驗車輛模型,建立護欄標(biāo)準段模型。

第二階段:建立車輛-護欄標(biāo)準段基礎(chǔ)碰撞模型,調(diào)整模型初始參數(shù)和環(huán)境參數(shù),模擬碰撞過程。

第三階段:制訂試驗方案,依照方案中的試驗條件不斷調(diào)整模擬碰撞過程,獲取試驗結(jié)果。

3.2 建立護欄標(biāo)準段模型

采用PC-Crash 軟件建立護欄標(biāo)準段模型,通常有兩種方法,第一種是先構(gòu)建模型基礎(chǔ)部件,通過功能設(shè)置使相同單元部件相互連接,再組成護欄標(biāo)準段整體模型,混凝土護欄標(biāo)準段模型如圖2 所示;第二種是在PC-Crash 軟件模型庫中調(diào)用軟件自帶的模型,調(diào)用的護欄標(biāo)準段模型與真實護欄標(biāo)準段結(jié)構(gòu)相同且外形相符,波形梁護欄標(biāo)準段模型如圖3 所示。

研究所建立的混凝土護欄模型包含8 個標(biāo)準段結(jié)構(gòu)單元,單元長度為4 000 mm,采用地錨式護欄端頭;波形梁護欄模型包含11 個標(biāo)準段結(jié)構(gòu)單元,單元長度為2 000 mm,采用直立式護欄端頭。

3.3 設(shè)置基礎(chǔ)參數(shù)

從軟件自帶車輛數(shù)據(jù)庫中選擇合適的車輛類型,試驗車輛信息如表2 所示,乘員質(zhì)量為80 kg,制動距離為100 m,制動遲滯時間為0.20 s,波形梁護欄標(biāo)準段初始位置為(20.900,0.000)、混凝土護欄標(biāo)準段初始位置為(-9.564,-0.934),其余參數(shù)均按默認設(shè)置[9]。

表2 試驗車輛信息

3.4 仿真試驗方案

因試驗針對較多研究客體,仿真試驗的開展須依據(jù)恰當(dāng)方案。改變碰撞角度、速度等參數(shù),參考《公路護欄安全性能評價標(biāo)準》(JTG B05-01—2013)設(shè)計車輛-護欄標(biāo)準段碰撞模型的試驗方案,碰撞仿真試驗方案如表3 所示。

表3 碰撞仿真試驗方案

4 仿真結(jié)果分析

4.1 護欄標(biāo)準段防撞性分析

4.1.1 護欄標(biāo)準段吸能性分析

碰撞試驗結(jié)果如表4 所示。

表4 碰撞試驗結(jié)果

綜合5 種試驗車型,大型客車以80 km/h 碰撞混凝土護欄標(biāo)準段的吸收能量值最大,混凝土護欄標(biāo)準段能量吸收曲線如圖4 所示。

梳理《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2017)中車輛撞擊剛性護欄的實測統(tǒng)計結(jié)果,并匯總理論計算值,車輛撞擊剛性護欄的理論值與實測值[10]如表5 所示。在滿足碰撞角度相同、碰撞速度增加且車輛總質(zhì)量增加的情況下,護欄標(biāo)準段在碰撞時吸收的能量值較多。因此在試驗車輛與混凝土護欄標(biāo)準段的碰撞仿真試驗中,護欄標(biāo)準段模型在多種車型碰撞下不能滿足吸能要求。

表5 車輛撞擊剛性護欄的理論值與實測值

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81—2017)[11]對我國公路通常使用的波形梁護欄有明確的等級分類,細則內(nèi)容參考日本對護欄結(jié)構(gòu)的設(shè)計和碰撞試驗,兩國波形梁護欄可吸收的碰撞能量等級分類如表6 所示。

表6 兩國波形梁護欄可吸收的碰撞能量等級分類

不同試驗車型與波形梁護欄標(biāo)準段模型的碰撞試驗結(jié)果如表7 所示。

表7 不同試驗車型與波形梁護欄標(biāo)準段模型的碰撞試驗結(jié)果

綜合5 種試驗車型,波形梁護欄標(biāo)準段吸收能量值在大型客車以80 km/h 的速度進行碰撞試驗時最大,波形梁護欄標(biāo)準段能量吸收曲線如圖5 所示,所以波形梁護欄標(biāo)準段模型在多種車型碰撞下不能滿足三級護欄的防護要求。

4.1.2 護欄標(biāo)準段橫向動態(tài)變形分析

護欄標(biāo)準段橫向動態(tài)變形的評價目前主要依據(jù)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準》,公路護欄標(biāo)準段應(yīng)符合最大橫向動態(tài)變形值D≤3.5 m,護欄橫向動態(tài)變形類別如表8 所示。此外,依據(jù)護欄防撞性能相關(guān)研究和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81—2017),D半剛性兩波波形梁護欄標(biāo)準段≤100 cm,D半剛性三波梁護欄標(biāo)準段≤75 cm,D剛性護欄標(biāo)準段≤10 cm。結(jié)合上述兩種評價要求,以最大規(guī)范值3.5 m 作為衡量標(biāo)準。

表8 護欄橫向動態(tài)變形類別

不同試驗車型碰撞護欄標(biāo)準段模型,護欄標(biāo)準段最大橫向動態(tài)變形值如圖6 所示。對于大型客車和大型貨車,混凝土護欄標(biāo)準段的最大橫向動態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足剛性護欄碰撞變形要求;對于中型客車、大型客車和大型貨車,波形梁護欄標(biāo)準段的最大橫向動態(tài)變形值D>3.5 m,不能滿足波形梁碰撞變形要求。

4.2 護欄標(biāo)準段導(dǎo)向性分析

分析護欄標(biāo)準段模型在不同車型、不同車輛總質(zhì)量以及不同碰撞速度等試驗條件下的導(dǎo)向作用,部分具有代表性的護欄標(biāo)準段導(dǎo)向示意如圖7 所示,多種試驗車型出現(xiàn)穿越、橫轉(zhuǎn)以及側(cè)翻等情況,存在車輛輪跡導(dǎo)向駛出框圖,出現(xiàn)圖1 中參數(shù)A為負值的情況,即無法按照標(biāo)準設(shè)置導(dǎo)向駛出框,或者車輛行駛與導(dǎo)向駛出框圖不符,所以護欄標(biāo)準段模型不能滿足碰撞后車輛導(dǎo)向要求。

4.3 乘員安全性分析

在實車足尺試驗中,評價乘員的安全性符合要求是經(jīng)碰撞造成的頭部傷害[頭部性能指標(biāo)(HPC)]應(yīng)滿足≤1 000,大腿傷害應(yīng)滿足≤10 kN,胸部傷害[胸部壓縮指標(biāo)(ThCC)] 應(yīng)滿足≤75 mm[12]。而在計算機仿真試驗中,通常根據(jù)護欄標(biāo)準段的安全性能評價指標(biāo),使用車輛質(zhì)心處加速度對乘員安全性進行評價,只有滿足車輛質(zhì)心在規(guī)定方向上的加速度數(shù)值α≤20g(1g=10 m/s2),乘員受傷程度才可能會較低。以車輛質(zhì)心x、y、z軸為規(guī)定方向,分別代表PC-Crash 軟件繪圖中的縱向、側(cè)面以及鉛直方向。

5 種試驗車型中,中型客車以60 km/h 碰撞波形梁護欄標(biāo)準段模型時沿y軸的加速度為最大分量加速度,數(shù)值為10.35g,中型客車質(zhì)心加速度如圖8所示,即3 個方向上的車輛質(zhì)心加速度均小于規(guī)范值20g,所以護欄標(biāo)準段模型能夠滿足乘員安全性評價要求。

5 結(jié)論

通過試驗所得結(jié)論為:綜合阻擋、導(dǎo)向和緩沖3方面功能的實現(xiàn)情況,試驗中建立的混凝土護欄標(biāo)準段和波形梁護欄標(biāo)準段兩種模型不能完全滿足公路安全防護性能,與安全性能標(biāo)準有偏差,需要優(yōu)化設(shè)計。

對實際不同種類的公路護欄標(biāo)準段進行安全性評價,可參考本研究提出的評價方法,設(shè)計針對性試驗,借助PC-Crash 軟件的仿真支持獲取試驗數(shù)據(jù)及模擬過程,綜合防撞性、導(dǎo)向性和乘員安全性的分析評價結(jié)果,判斷是否滿足安全性能標(biāo)準的相關(guān)規(guī)定,這有助于事故分析和處理工作,并可促進護欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進。