高性能可移動鋼護欄設計及碰撞仿真研究

周磊生 于浩 李月祥 徐俊德 夏永生

摘 要： 依托經實車碰撞試驗驗證、防護等級滿足A級的高性能金屬護欄，開發了一種安裝拆移簡便、具備良好復用性和回收性、可作為永久或臨時綜合利用的高性能可移動鋼護欄。在不改變原有護欄的受力結構基礎上，優化護欄的安裝、連接細部構造，在護欄的底部設置活動滾輪，便于轉運。運用有限元軟件對優化后的護欄進行碰撞仿真模擬，驗證其防護性能仍滿足A級。

關鍵詞： 鋼護欄; 可移動; 數值模擬; 防撞性能

中圖分類號： ? ? ? 文獻標志碼：

Study on Design of Movable Steel Guardrail with High Performance and

Collision Simulation

ZHOU Leisheng1， YU Hao1， LI Yuexiang1， XU Junde2， XIA Yongsheng3

（1. Qilu Transportation Development Group， Jinan 250100; 2. Guangdong Communication

Planning & Design Institute Co. Ltd.， Guangzhou 510000; 3. Shanghai Qichan Transportation

Facilities Engineering Co. Ltd.， Shanghai 201499）

Abstract： A movable metal guardrail was developed based on an existed guardrail which has been verified up to standard of Grade A in protection level by real vehicle crash test. The new movable guardrail could be utilized comprehensively as permanent or temporary facilities with many merits including convenience of installation and removal， and good crashworthiness， reusability and recycling. The structure of guardrail connection parts was optimized retaining the original stressed structure. The wheel combination was installed at the bottom of the guardrail， which made the guardrail movable as a temporary facility. A collision simulation experiment of the optimized guardrail was conducted based on finite element model （FEM） to ensure that meet Grade A.

Key words： Steel guardrail; Movability; Numerical simulation; Crashworthiness

0 引言

近年來，我國高速公路建設速度較快，高速公路路網已接近完善，新建道路已漸漸趨向于飽和。但隨著經濟的發展，交通量的日益增加，高速公路路網出現了局部交通量飽和甚至擁堵，高速公路將迎來較多的改擴建工程[1]。高速公路改擴建工程通常是在不封閉交通的情況下進行的，高速的交通流和復雜的現場作業環境容易誘發交通事故和交通擁堵，因此，施工作業區需設置完善的交通安全保障措施[2]。目前，我國公路作業區隔離設施主要以水馬、交通錐、水泥隔離墩為主，只有警示或者硬隔離的作用，基本不具備防撞性能，在發生交通事故時保護不了行駛車輛及施工區內的工作人員，其碰撞解體后的拋灑物更有可能造成較大的二次事故[3]。國外部分在用的公路施工區隔離護欄，雖具備一定的防撞性能，但安裝時需對道路路面進行錨固，造成較大路面損毀，難以符合工程的需求。為此開發一種防撞性能好、安裝拆移簡便、對既有道路損害較少、具備良好復用性和回收性、可作為永（久）臨（時）綜合利用功能的隔離護欄顯得尤為必要。

1 高性能可移動鋼護欄設計

本研究依托經實車碰撞試驗驗證、防護等級滿足A級的、已開發成功的高性能金屬護欄進行二次開發。已有高性能金屬護欄的主要技術原理為：采用以人文寬容性設計為本的技術原理：一警示，二緩沖，三吸能，四攔截。雖然該護欄作為永久設施具備較好性能與適用性，但作為臨時護欄存在以下問題：（1）節段間采用強連接，螺栓數量多，拆裝較為費時;（2）節段較長，拆卸、運輸對機具要求較高;（3）錨栓設置密集，且打入深度較大，會對路面產生一定的破損?；谏鲜鰡栴}，本研究在不改變原有護欄受力結構的基礎上，保證其具備A級以上的防護性能，優化其底部構造，設置活動滾輪，使護欄便于拆卸、轉運，具有較好的重復利用率，有利于節能環保。

1.1 快速安裝拆卸結構研究與開發

本項目護欄擬采用套管拼接方式。拼接套管的尺寸可根據橫梁的尺寸確定，但應保證其能夠套入橫梁內，且與橫梁內壁的間隙應控制在2～4 mm范圍內。本護欄考慮減少護欄安裝過程中橫梁拼裝工作量、方便施工，擬將拼接螺栓數量設置為6個（每側各3個），護欄頂部設置了4個短螺栓（每側各2個）。底座采用連接板連接，每段標準梁設置3根立柱，立柱與橫梁和底座采用螺栓連接。在永久使用時，標準梁兩端有地腳螺栓可以和地面進行固結;作為臨時使用時，在標準梁中間擬設置兩個強度高的地面連接錨桿30×160 mm，需要移動護欄時，可將錨桿頭切除或拔出。

1.2 快速移動結構研究與開發

在不改變已有護欄結構的基礎上，在每節護欄標準段兩端距離端部1.5 m處各設置一組滾輪，由兩個輪子組成一組，每組都具有轉向功能，使得護欄具有可移動性。輪組通過連接板與護欄底座螺栓相連，在護欄鍍鋅完成后再安裝輪組。每組輪子通過旋轉絲杠可以上下調節，當護欄需要移動時旋轉絲杠，將輪子頂出護欄底座，直接在路面上推走即可。移動到指定位置后，反方向旋轉絲杠，將輪子提升，護欄落地，標準段連接即可重新使用。護欄總高900 mm，底座高385 mm，截面呈幾字形;橫梁為C型，通過400 mm長C型套管進行連接。護欄移動輪升降方式見圖1。

1.3 整體結構研究與開發

將移動護欄的底座設計為弧形幾字，形成一定的坡度，使兩側具有良好的卸力弧度，并且緊貼地面，在車輛的沖擊下，能夠有效吸收碰撞能量，校正車輪，護欄標準段長6 000 mm，底座寬600 mm，高900 mm[4]。安裝護欄時，在端部采用鯊魚嘴造型段，配置專用的連接板可與波形梁護欄或者新澤西護欄連接，并且每節標準段都留有孔位，可以安裝防滲水鉚釘與路面進行固定。每標準段安裝了兩組輪組，輪組和護欄靠螺栓來連接，可以很方便的拆卸和安裝。護欄正常使用時，輪組隱藏在護欄底座內，不與地面接觸。

綜上所述，護欄增加輪組，結構沒有變化，輪組在護欄內，對防撞能力的影響可以忽略，本設計具有如下優點：（1）優越的防撞性能;（2）使用壽命長：產品采用整體加工，整體熱浸鍍鋅或者鍍鋅噴塑的處理方式，壽命可以達到15年以上。（3）安裝養護方便：安裝過程簡單，無需提前預埋。不破壞橋梁路面。養護便捷，輕微撞損無需更換，嚴重撞損則更換相應破損節即可。（4）周轉利用率高：活動節下面帶有隱藏滾輪，通過特殊裝置可將滾輪降下，從而可以方便挪動周轉。

2 高性能可移動鋼護欄碰撞仿真評價

隨著計算機技術的快速發展，計算機仿真模擬在研究公路護欄碰撞方面得到廣泛應用。通過計算機仿真模擬汽車與護欄實際碰撞過程，可以獲取更詳細的碰撞數據，為護欄的結構優化提供數據支撐，碰撞仿真具有成本低、重復性好等優點，已經成為實車碰撞前的必經程序[5]。本文基于LS-DYNA及Hypermesh軟件進行碰撞仿真及分析。在Hypermesh軟件中進行前處理，在LS-DYNA中進行計算以及后處理。通過拆解車輛，建立了符合國家規范的車輛有限元模型，在碰撞試驗與仿真模擬對比的基礎上，積累了大量的碰撞參數，以此來調整模型，使得計算機碰撞仿真更接近與真實情況，能夠有效的指導護欄產品的優化[6]。

2.1 仿真模型

本次模擬仿真的鋼結構護欄總長度近72 m，由12節護欄標準段連接組成，每隔18 m即3節護欄標準段，在此標準段中間左右兩側設置兩根30×160 mm錨桿，與地面連接，護欄三維模型見圖3。有限元模型見圖4，護欄主體采用殼單元，螺栓采用梁單元，護欄有限元模型單元數量41萬，地錨螺釘的一端全約束，參考我國車輛的特點及標準規定，建立了車輛模型，車輛撞擊護欄位置在護欄順行車方向1/3處[7]。

2.2 參數校核

基于有限元方法的仿真模型只有經過參數校核才能達到科學可靠的效果。通過多次與試驗比對校核，不斷調整模型的參數，使仿真結果滿足精度要求，圖5為已開發的高性能金屬護欄仿真與試驗結果對比圖。由圖5可以看出碰撞仿真結果與試驗結果有很好的吻合，因此，采用該模型的參數能夠精確的模擬高性能可移動護欄的碰撞結果[8]。

2.3 碰撞條件及評價標準

根據交通運輸部2013.12.01發布實施的《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）進行碰撞仿真的評價，表1為A級護欄碰撞條件。

對護欄的碰撞評價標準主要分為三個方面：阻擋功能、緩沖功能、導向功能。其中導向功能的要求是車輛輪跡符合導向駛出框見圖6，即不能超越直線F，參數A和B按照不同的車型選值。

2.4 A級護欄碰撞仿真

本研究分別進行了小型客車、中型客車、中型貨車的A級護欄碰撞仿真實驗，護欄擺放在硬質地面上，基礎每18 m即3個護欄之間，用地錨固定一次。

（1） 小型客車碰撞仿真

小客車重量為1.5 t，碰撞速度100 km/h，小客車碰撞過程的行駛狀態見圖7，碰撞過程中姿態正常，無絆阻，能夠順利導出。護欄和小客車碰撞后變形見圖8，模擬結果可以直觀的看出護欄碰撞后較最初位置的變形情況，小客車主要是保險杠和碰撞側面發生變形。小客車導向駛出框示意圖見

圖9，由標準中公式可以計算出允許小型客車橫向偏移為4.71 m，仿真結果為2.9 m，符合標準要求。仿真數據經處理后，可以得出司乘人員頭部碰撞時刻t*=0.134 s，乘員碰撞后加速度x方向為19.3 m/s2，y方向為62.4 m/s2，小于標準規定的最大值200 m/s2，見表2;乘員碰撞速度x方向為4.9 m/s，y方向為6.1 m/s，小于標準規定的最大值12 m/s。小客車撞能夠滿足規范要求[9]。

（2） 中型客車碰撞仿真

中型客車重量為10 t，碰撞速度為60 km/h，碰撞過程中車輛行駛姿態正常，玻璃破碎，行駛無絆阻，可以順利導出。護欄和中型客車碰撞后的變形情況見圖12，客車導向駛出框示意圖見圖13，由標準中公式可以計算出允許中型客車橫向偏移為7.64 m，仿真結果為4.65 m，符合標準要求。

（3） 中型貨車碰撞仿真

中型貨車為10噸、2軸整體式貨車，碰撞速度為60 km/h，碰撞過程無絆阻，導出順利。護欄和中型貨車碰撞后的變形見圖14，車輛尾部處碰撞護欄位移最大;中型貨車導向駛出框見圖15，由標準中公式可以計算出允許中型貨車橫向偏移為7.82 m，仿真結果為5.20 m，符合標準要求。

一般護欄的評價除了阻擋、導向、緩沖功能項目以外，還有四項需要記錄的護欄及車輛變形的相關指標，這四項紀錄指標規范上不作硬性規定，但是在具體項目要求上需要考慮。也就是說護欄的碰撞主要是保護路面上的車輛，對于護欄的損壞、及對護欄背后物體的保護，視項目的具體情況而定，高性能可移動鋼護欄仿真結果如表2所示，根據以上對仿真結果的分析評價，本項目護欄作為公路施工隔離的臨時護欄，能夠滿足A級護欄的標準，而且作為高速公路施工區臨時護欄使用，護欄最大橫向動態位移外延值W僅為1 m左右，能夠有效的利用路面施工空間[10]。

3 總結

本研究依托經實車碰撞試驗驗證、防護等級滿足A級的高性能金屬護欄進行二次開發，開發出一款防撞性能好、安裝拆移簡便、對既有道路損害較少、具備良好復用性和回收性的高性能可移動鋼護欄，并通過計算機模擬碰撞試驗，對新型移動護欄結構設計方案進行驗證，保證安全防護性能滿足要求，作為臨時護欄，可以周轉使用，節能環保，降低使用成本;并可作為隔離設施永久利用。該護欄的研發應用，補充和完善了我國高速公路改擴建施工區的防護體系，具有良好的發展前景和廣大的經濟社會效益。

參考文獻

[1] 聶鵬飛，丁亞碧，趙兵，等.高速公路改擴建工程地基拓寬段力學響應分析[J].公路，2019，64（2）：39-44.

[2] 盧建，金生斌.高速公路改擴建中既有中小跨徑橋梁處置方案[J].公路，2019，64（2）：142-146.

[3] 胡源. 高速公路二次事故成因及其預防對策研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2017.

[4] 陳濤， 吳靈生， 田東翔， 等. 高速公路波形梁護欄安全性評價[J]. 長安大學學報：自然科學版， 2017（6）：92-98.

[5] 范慕輝， 劉巧會， 孫兆巖，等. 高速公路中央分隔帶活動護欄碰撞仿真[J]. 河北工業大學學報， 2016， 45（1）：27-30.

[6] 伊政. 高速公路波形梁護欄碰撞仿真研究及其優化[D]. 長沙：湖南大學， 2014.

[7] 孔文， 張鐵柱， 趙紅，等. 基于HyperWorks和LS-DYNA的客車碰撞仿真分析[J]. 青島大學學報（工程技術版）， 2015， 30（4）：101-104.

[8] 李南云. 基于HYPERMESH和LS-DYNA的高速弓網動力學建模及仿真[D]. 長沙：中南大學， 2014.

[9] 韓海峰，皮振新，李新偉.新型梁柱式鋼護欄研發與防撞性能試驗研究[J].中外公路，2016，36（5）：323-326.

[10] 聶賢海， 李雷， 張建華. 基于仿真分析的SB級旋轉式護欄與A級波形梁護欄過渡段研究[J]. 公路交通科技（應用技術版）， 2018， 14 （3）：47-50.

（收稿日期： 2019.09.17）

作者簡介：周磊生（1984-），男，萊蕪人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：從事公路工程項目管理工作。

于浩（1983-），男，聊城人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：交通運輸管理。

李月祥（1987-），男，濱州人，中級工程師，研究方向：工程檢測及項目管理工作。

徐俊德（1981-），男，廣東三水人，工程碩士，路橋高工，研究方向：交通安全設施設計。

夏永生（1985-），男，塘沽人，本科，工程師，研究方向：交通空防技術研究。文章編號：1007-757X（2020）02-0109-05