高速公路彎道緩沖護欄裝置設計研究*

戴金鋼，劉 軍*，高博麟

(1.寧波大學 機械工程與力學學院，浙江 寧波 315211;2.中國汽車技術研究中心，天津 300300)

0 引言

隨著我國公路里程量的擴展和汽車保有量的不斷快速上升，公路交通的事故問題日益凸顯，特別在中西部情形更加嚴峻，一則，由于經濟落后等原因，車輛本身狀況不容樂觀。二則，中西部的地形復雜，多彎道和陡坡。彎道是公路的特殊路段，也是交通事故的高發路段，針對彎道護欄設計一般只會對道路單位長度增加立柱的數量來增加護欄整體的強度，其做法大都來源于經驗，缺乏深入細致的分析。

《公路安全保障工程實施技術指南》［1］將急轉彎道路段定義為設計速度小于60 km/h，北京工業大學在研究1 000 余個半徑介于60 m～600 m 彎道路段后，發現平曲線半徑小于60 m 時，速度存在突變現象，認為小于60 m 的平曲線半徑為急彎［2］。

當車輛駛入急彎路段時，司機因對路況不熟悉而車速過快，車輛極易發生轉向不足或轉向失控，沖向外側或內側護欄，輕者車輛損壞，重者車輛則可能沖出路面，造成重大事故。在雨、雪、霧等能見度不利氣象條件下，這種情況更為嚴重。

與直線路段車輛與護欄事故相比較，急彎路段內的失控車輛與護欄的碰撞角要遠大于《公路安全設施設計細則》［3］規定的20°，以碰撞角θ=25°為例，根據動能定理E=m(v×sinθ)2/2，其碰撞能量是碰撞角θ=20°碰撞能量的1.53 倍。假如直線段護欄采用碰撞能量為160 kJ 的A 級半剛性護欄，則彎道內護欄需要采用碰撞能量為160×1.53≈240 kJ 的護欄，這個能量等級遠大于A 級護欄的碰撞能量，采用加密立柱方案顯然存在護欄防護能力不足缺陷，失控車輛可能沖出路外［4］。

因此，本研究對公路彎道路段的護欄裝置設計進行理論及仿真研究。

1 模型參數確定

本研究借鑒北京工業大學的研究成果將急轉彎道定義為半徑小于60 m 的彎道。

1.1 傳統彎道半剛性護欄模型仿真

1.1.1 傳統彎道半剛性護欄模型參數

北京深華科交通工程有限公司的王康臣等［5］對波形梁各結構構件和整體性能進行了分析，通過對同等截面積的圓管形、H 形柱截面形式的立柱進行有限元動力碰撞分析，得到了H 立柱的抗彎慣性矩最大，抗扭慣性矩與圓柱接近，綜合效果最佳;立柱基礎選擇常見的樁基礎，防阻塊選取普通的六角形防阻塊。因此本文采取其結論，利用HyperWork 軟件建立的小車建立同等結構的彎道波形梁防護欄模型如圖1 所示。

圖1 車與護欄碰撞CAE 模型示意圖

本研究所使用的小車模型為福特公司生產的Taurus，整車參數如表1 所示。該模型來源于美國國家碰撞分析中心(NCAC)，Taurus 經過仿真與實車試驗結果對標，其模型結構與材料與實車基本相同，因此，可以保證車輛模型的精確性［6］。

表1 Taurus 主要參數

防護欄波形梁、H 型立柱、防阻塊皆采用* MAT 24 彈塑性材料，ρ=7.865×103kg/m3，彈性模量E=2.0× 105MPa，泊松比u=0.27，屈服應力σs=310 MPa，剪切模量G=763 MPa。

接觸設置:汽車-防護欄碰撞模型中，對其主要的5 對接觸進行設置，詳細介紹如表2 所示。

表2 接觸定義

汽車-護欄碰撞模型由于不考慮埋入土層的混凝土被碰撞情況，簡化其接觸定義，僅對地基施加底部固定約束。

模型的建立雖然經過了簡化，但各項材料的類別定義和主要接觸、約束、參數的設置與實際工況相符，符合行業的普遍做法［7-8］。

1.1.2 數值模擬

在數值模擬中采用的兩種典型工況:

(1)小車相對彎道護欄以25°碰撞角、80 km/h 縱向速度撞擊護欄(碰撞角為車輛縱軸線與其延長線與護欄相交點的切線之間的夾角)。

(2)小車相對彎道護欄以25°碰撞角、100 km/h 縱向速度撞擊護欄。

評價指標參照《高速公路護欄安全性能評價標準》［9］，從車輛行駛軌跡、車輛質心加速度、系統能量以及車輛損傷形態4個方面來系統研究護欄在碰撞中的阻擋、緩沖及導向作用。

(1)車輛運行軌跡

防護欄導向功能是指碰撞車輛向行車方向順利導出并恢復運行狀態的能力，其最好的評價指標是車輛運行軌跡。

小車分別以25°的角度(小車縱向平面與護欄碰撞點處的切平面間的夾角)和不同速度撞擊護欄的空間軌跡圖如圖2 所示。由圖2 所示，普通護欄在碰撞過程中阻絆了小車，且H 形立柱發生了倒伏，護欄立柱與地面的最大夾角小于60°。最終小車鉆入在普通護欄。

圖2 車輛與護欄碰撞軌跡圖

(2)乘員加速度

當車輛與護欄相撞并被護欄擋住后，車輛與乘員均會受到沖擊加速度的作用。當沖擊加速度達到一定程度后，人體就會受到相應程度的傷害。一般進行乘員安全評價時，主要考慮在碰撞過程中乘員所受沖擊加速度持續時間為10 ms 時，其最大瞬時加速度，一般要求其小于20g，越小越好。

乘員加速度曲線如圖3 所示，兩個工況下普通護欄的X，Y 方向及和合成加速度的峰值均超過20g，表明在碰撞過程中，乘員受到劇烈沖擊，造成人員和車輛被傷害。小車以80 km/h相撞后200 ms 左右，縱向減速度上升至300 m/s2(約為33g)，然后下降。

圖3 乘員加速度曲線

(3)系統能量

系統能量變化如圖4 所示，傳統護欄在撞擊過程中，車輛動能逐漸減小并轉化為護欄和車輛的內能。A 工況動能轉化內能的比率為72.8%，B 工況為76.7%，表明碰撞能量大部分由波形梁和立柱及車輛變形所吸收，這一點也可以從護欄車輛發生劇烈變形看出，車輛-傳統護欄損傷形態如圖5 所示。

圖4 系統能量變化

圖5 車輛-傳統護欄損傷形態

(4)車輛—護欄損傷形態

截圖均取自撞擊力最大的時刻(A 工況0.074 s，B 工況為0.11 s，X 方向的位移最大值為143 mm，在0.075 s 處)。

兩個工況同時存在輪罩、翼子板及前防撞梁被完全壓潰，其A、B 柱變形顯著，工況A 中有兩根立柱與地面的夾角超過45°，且車前局部擠壓變形劇烈，而工況B 右前輪因擠壓變形而失效，右側車門從中部折彎，并向外打開，同時有多根立柱與地面的夾角超過60°。

(5)橫縱向速度分析

傳統護欄:以80 km/h 速度、碰撞角度為25°，相撞后220 ms，速度降到最低(約為10 km/h)，然后基本保持速度不變，傳統彎道護欄碰撞速度與時間曲線如圖6 所示。

圖6 傳統彎道護欄碰撞速度與時間曲線

1.2 帶防撞圈裝置的彎道半剛性護欄模型

根據傳統半剛性護欄在彎道碰撞事故仿真中出現的車輛與護欄損害過大的不足情況，本研究提出一種帶有柔性防撞(剛-柔-剛組合結構)的護欄裝置。近幾年來，在橋梁防撞領域出現了一種新型的柔性防撞裝置，其中寧波大學力學與材料研究中心為浙江象山港跨海大橋設計的柔性防撞裝置如圖7 所示。它的防撞理念是:一方面防撞裝置吸收部分碰撞能量，另一方面防撞裝置改變船舶的航向，使船舶帶走大部分動能，從而大大降低了船舶的撞擊力。這種柔性防護結構通?？梢缘玫捷^好的防撞緩沖效果，對碰撞雙方都能起到保護作用，并且它的造價也相對較低。2011年在寧波象山白墩港大橋主橋墩實船撞擊實驗中得以驗證其有效性，如圖7(c)、7(d)所示。

圖7 浙江象山港跨海大橋新型柔性防撞裝置

本研究將該種結構裝置應用到高速護欄中，設計出一種新型的緩沖防護欄。該裝置為外層剛構件、中間柔性單元(防撞圈)和內層剛構件組成的三層結構如圖8(a)所示。受車輛高速撞擊處的外層構件不會產生大的局部變形，其基本上能保持整體剛性移動，因而能帶動位于其內側的柔性防撞圈變形，柔性防撞圈的變形又為外剛圍提供了移動空間。同時，柔性防撞圈又能起到隔阻強沖擊波、減小撞擊力、緩沖(延長低載荷下撞擊過程時間)等多效果。尤其是延長較低載荷下撞擊過程時間和阻止防撞護欄外層鋼構較大移動，可使車輛有時間和空間轉向，使車輛能沿防撞護欄外側滑走，從而帶走車的大部分動能，大幅降低車-護欄撞擊過程中的碰撞力，減小因過度反彈進入另外車道發生二次碰撞事故的概率，從而盡最大可能地保護失控車輛和乘員的安全。

圖8 新型緩沖防護欄

當車輛撞到防護欄裝置上時，防護欄需要提供很好的柔性(即保證外鋼圍能夠產生足夠的位移)，這種柔性由防撞圈提供。防撞圈一般由鋼絲繩圈或者橡膠圈構成，防撞圈仿真示意圖如圖8(b)所示。單個防撞圈的試驗與理論模型的力—位移曲線［10-11］如圖9 所示。其中試驗數據來自于防撞圈的壓縮試驗，理論模型采用ZWT 模型［12］。應力應變關系式為:

轉化為實際計算中需要的力—位移關系(力F、位移Δu、彈簧系數K、加載速度v(τ))為:

在沖擊載荷下則與式(2)相對應地化為:

圖9 直徑400 mm 防撞圈壓縮力—位移實驗與理論曲線

在恒定的加載速度下，式(2)可化為:

在恒定卸載速度下，則化為:

式(5)中的材料參數可由與柔性防撞圈實測的力-位移試驗曲線進行擬合確定。由于雙層橫梁之間的防撞圈表現出足夠的柔性，車輛推著外側橫梁運動。由防撞圈的力學特性所示:在碰撞的初期，外側橫梁后退時產生的力較小(防撞圈的力—位移曲線有一個較大的低應力平臺);撞擊后期，當外側橫梁后退一定距離后，防撞圈被壓實(防撞圈為空心)，作用力會加大(圖9 中防撞圈二次彈性階段)。由此可知撞擊力能長時間保持在較低作用力下，使事故車輛有足夠的時間和空間改變其行駛方向，且車輛的部分動能可保留在車輛上，繼續沿外側橫梁側向前滑動。這種設計既可緩沖撞擊過程，防止二次事故的發生。

為了實現防撞圈的數值模擬，本研究采用4條粘彈性彈簧來實現與防撞圈相似的力-位移關系，如圖8(b)所示。

2 仿真結果分析

2.1 車輛運動規律分析

2.1.1 運行軌跡分析

車輛與新型柔性緩沖裝置防護欄碰撞軌跡圖如圖10 所示。小車分別以25°的角度(小車縱向平面與護欄碰撞點處的切平面間的夾角)和不同速度撞擊護欄的空間軌跡圖，新型柔性緩沖裝置防護欄可以有效的防止車輛沖出路外，并且可以使車子貼著護欄外側前進，并最終擺正車頭，回到正常行駛方向。

圖10 車輛與新型柔性緩沖裝置防護欄碰撞軌跡圖

2.1.2 橫縱向速度分析

新型柔性緩沖裝置防護欄碰撞速度與時間曲線如圖11 所示。小車以80 km/h 相撞后250 ms 后，縱向速度降至51.6 km/h，然后保持不變，速度下降約來初始速度的64.5%;小車以100 km/h 相撞后350 ms 后，縱向速度降至39 km/h，然后保持不變，速度下降約為初始速度的39%說明小車在碰撞過程能量損耗小，當碰撞結束后，仍能以相對較大的速度回到原來車道行駛。

圖11 新型柔性緩沖裝置防護欄碰撞速度與時間曲線

2.1.3 乘員加速度分析

新型柔性緩沖裝置防護欄的加速度與時間曲線如圖12 所示:小車以80 km/h相撞后從25 ms～170 ms間，橫、縱向減速度在5g 左右波動，最大和分別為8.8g和10g;100 km/h 相撞后從20 ms～250 ms間，橫、縱向減速度在8g 左右波動，最大減速度分別為13g和15.5g表明小車處于穩定減速狀態。

圖12 柔性護欄撞擊護欄的加速度與時間曲線

2.2 碰撞過程能量轉化分析

能量-時間曲線如圖13 所示。由圖13 可知:在新型柔性防護欄作用下，參與交換并最終轉化為小車與裝置內能的動能遠小于車輛的總動能。隨著車輛總動能的增加，轉化的比例越來越小，在100 km/h 的速度碰撞時，轉化比例僅為初始總動能的15.3%，而80 km/h的速度碰撞時轉化比例為44.4%。

圖13 柔性護欄撞擊護欄的能量與時間曲線

2.3 碰撞過程中力與損害的分析

傳統半剛性護欄和裝有緩沖裝置的柔性護欄在A、B 工況下最大接觸力與時間曲線分別如圖14(a)、14(b)所示。從圖14(a)可知:在碰撞過程中車輛對護欄撞擊力劇烈波動，其最大值為70 kN，但從如圖15所示的損傷示意圖可以看到車前部件局部劇烈變形，防撞梁最大變形量達到143 mm，說明在小車與傳統護欄碰撞過程中，局部受力和變形均非常大;而圖14(b)中裝有緩沖裝置的柔性護欄以80 km/h 速度(左)和100 km/h 的速度(右)撞擊護欄的最大接觸力與時間曲線接觸力變化平緩，但承受接觸力的能力得到了極大地提升，約為普通護欄承載能力的580%。而且A、B 工況車輛的輪罩、翼子板等均顯著變形，但防撞梁無變化，右前車門與護欄有輕微擠壓變形現象，無立柱與地面的夾角小于60°，防撞梁最大變形量僅為20 mm，防護效果良好。

圖14 接觸力與時間曲線

圖15 損傷示意圖

3 結束語

研究結果表明:

(1)在急彎(R=60 m)處，小車撞向護欄的工況下，按直道半鋼性波形梁護欄設計的護欄不能滿足要求，車輛易發生小車穿越或鉆入危險事故。

(2)安裝在彎道處的新型柔性緩沖裝置防護欄可以有效地將以大角度碰撞護欄的車輛攔在道路內，并且使車輛貼著外側橫梁前進，并最終擺正方向。

(3)在車輛與護欄碰撞接觸過程中，柔性護欄在70%時間內維持一個穩定的應力水平，使車輛保持最初姿態，并且有足夠的時間回到正常的行駛車道。

(4)在車輛與柔性護欄碰撞接觸過程中，小車動能轉化為內能的比例低，最高為35.3%，小于小車傳統護欄相撞轉化比例76.7%，并且小車還能以較大速度駛離防護欄，回到正常行駛車道，防止出現第二次事故。

(5)在車輛與柔性護欄碰撞接觸過程中，小車防撞梁的最大變形僅約為車輛與傳統護欄相撞變形的14%，極大地分散了對車輛和乘員的沖擊力和減小了車輛的損傷，即降低了財產的損失。

［1］唐錚錚，何 勇.公路安全保障工程實施技術指南［M］.北京:人民交通出版社.2007.

［2］喬建剛.基于駕駛員因素的山區雙車道公路關鍵參數研究［［D］北京:北京工業大學交通運輸學院，2006.

［3］交通部公路科學研究院.JTG/T D81-2006.公路交通安全設施設計細則［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［4］曹明慶.幾種危險路段護欄設計探討［J］.北方交通，2014，3(2):118-120.

［5］王康臣，張 穎，呂洪燕.新型中央分隔帶波形梁護欄研究［J］.公路，2003，06(8):40-46.

［6］The National Crash Analysis Center.Extended Validation of the Finite Element Model for the 2001 Ford Taurus passenger Sedan NCAC 2012-W-004［EB］.［2014-07-01］.http://www.ncac.gwu.edu/vml/archive/ncac/vehicle/Website/TaurusBL/NCAC-2012-W-004.pdf

［7］崔洪軍，馬新衛，李 昊，等?；贚S-DYNA 的車輛-護欄碰撞仿真模型［J］.科技導報，2015，33(3):54-57.

［8］雷正保，陽 彪，寧 寒，等.新型柔性護欄矩形截面立柱優化［J］.2015，74(3).323-327.

［9］交通部公路科學研究院.JTG/T F83-01-2004.高速公路護欄安全性能評價標準［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［10］張海明，曹映泓，段乃民，等.湛江海灣大橋主墩防撞設施結構設計［J］.中外道路，2006，26(5):82-84.

［11］王禮立，張忠偉，黃德進，等.船撞橋的鋼絲繩圈柔性防撞裝置的沖擊動力學分析［R］.北京:中國科學院力學研究所，2004.

［12］楊黎明，陳國虞，周風華，等.象山港公路大橋主橋柔性防撞裝置方案研究(研究總結報告)［M］.寧波:象山港大橋內部資料，2009.