波形梁护栏防撞原理及设置技术

杜 鹏

0 引言

护栏是道路安全设施的重要组成部分,对防止行车事故起着重要作用,它可以吸收部分汽车撞击能量,减小汽车碰撞减速度峰值。合理设置护栏不但可以减少交通事故,降低事故的严重程度,还可以诱导行车视线,使司乘人员感到舒适,从而降低他们的疲劳程度,保障行车安全。

1 护栏的形式与性能

1.1 按设置位置分类

根据设置位置不同,护栏可分为路侧护栏和中央分隔带护栏。路侧护栏设置在公路路肩上,目的是防止失控车辆越出路外,避免碰撞路边其他设施。中央分隔带设置于公路中央分隔带内,防止车辆穿越中央分隔带闯入对向车道并保护分隔带内的构造物。

1.2 按力学特性分类

按力学特性,护栏可分为柔性护栏、半刚性护栏及刚性护栏。柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏结构,主要代表形式有缆索护栏,受撞时依靠立柱的变形和缆索的拉应力来吸收汽车能量,这种护栏形式美观,行车时没有压迫感,但视线诱导效果差。刚性护栏是一种基本不变形的护栏结构,一般指的是水泥混凝土护栏,它依靠汽车前轮爬高或转向来吸收碰撞能量。半刚性护栏一般是连续的梁柱式护栏结构,依靠护栏的弯曲变形和张拉力来抵抗车辆的碰撞,具有一定的刚度和韧性,通过横梁的变形吸收冲撞能量,其损坏部件容易更换,具有一定的视线诱导作用,能与道路线形相协调,外形美观。

2 护栏的防撞原理

汽车与护栏相撞过程一般可分解为四个阶段:车头角位碰撞、侧面擦过护栏、车尾角位碰撞、车辆返回车道。但各种护栏在具体作用机理上又有不同。当汽车与刚性护栏相撞时,首先保险杠与护栏上坡面接触受力变形,上坡面对汽车产生提升力。接着悬架与护栏下坡面接触,下坡面也对汽车产生提升力,汽车沿坡面向上爬升,减小部分动能,从而减小碰撞剧烈程度。对于柔性半刚性护栏则主要依靠立柱、护栏板(缆索)的变形来吸收碰撞能。波形梁半刚性护栏对失控车辆具有良好的导向和保护性能,并且安装方便,施工费用低。

3 汽车与护栏碰撞的仿真分析

护栏的设计条件(或碰撞条件)的确定主要考虑标准车型、车辆质量、碰撞速度、碰撞角度、道路条件、交通特性、事故成本等因素。由于半刚性和柔性护栏的撞击过程是典型的大位移、大转动、大应变,且具有未知接触约束的显著非线性问题,一般采用动态显式有限元方法进行仿真分析,这种方法能够将物理空间的无限自由度问题转化为有限自由度问题,它利用接触算法处理物体之间的接触,通过显式时间积分求解大变形动力响应,特别适合解决大变形、大转角、大应变问题。申杰[3]曾以最常见的高速公路波形梁钢护栏为研究对象,建立详细的三维有限元模型,运用非线性显式有限元算法,计算在汽车碰撞下的动力特性。该有限元模型总共包括 4段护栏,每段护栏包括波形梁板、防阻块、立柱,相邻两段立柱的中心距离为 4m(见图1),具体细节参考 JTG D 81-2006公路交通安全设施设计规范。

针对护栏通常长达数千米的情况,对未予以建模的部分,参考Tabiei[2]提出的边界条件确定方法来等效模拟未予以建模的部分护栏。另外,还考虑立柱周围土壤与立柱之间的相互作用,用面面接触模拟土壤与立柱的相互作用。在实际的碰撞事故中,由于碰撞角通常较小,汽车会出现比较明显的滑动,因此模拟了碰撞角30°、车速 50km/h时的碰撞过程,考察车辆沿护栏切向滑动的影响。

4 护栏的设置技术

4.1 目标功能

安全护栏需要进行正确的设计才可以实现以下功能:1)阻绊车辆,防止车辆越出路外,保护路外建筑物的安全,确保行人不致受到重大伤害,确保与其相交道路、铁路的安全,阻止失控车辆穿越中央分隔带闯入对向车道。2)能使车辆回复到正常行驶方向。使车辆碰撞护栏的运动轨迹圆滑过渡,以较小的驶离角和较小的回弹量停留在不影响车辆正常行驶的地方,不致发生二次事故。3)为保证一旦失控车辆与护栏发生碰撞时,对驾驶员和乘客的损伤最小,要求护栏具有良好的吸收碰撞能量的功能。4)能诱导驾驶员的视线,能清晰看到道路的轮廓及前进方向的线形,增加行车的安全性,使道路更加美观。5)制造、安装、维修的经济性。目前主要依据道路条件、标准车型与车辆的质量、交通特性等几点来确定护栏设计条件。

4.2 设计条件

不同国家在选择和决定护栏的设计原则时,都要结合本国的道路交通条件,在满足护栏基本功能的前提下,决定设计目标的侧重点。设置于公路路基上的护栏,按防撞等级划分,路侧护栏有 A,S两级,中央分隔带护栏有Am,Sm两级,每一种防撞等级的护栏所适用的公路等级及其设计条件见表1。

设置于桥梁上的护栏按防撞等级划分为PL1,PL2,PL3三级,每一防撞等级的护栏应避免在相应设计条件下的失控车辆越出,其防撞等级及相应的设计条件见表2。

表1 路基护栏设计条件

表2 桥梁护栏设计条件

护栏作为公路上的基本安全设施,对公路上的交通安全起着积极的作用,但同时,护栏本身也是一种障碍物,它的设置也是有条件的,通常是以设置护栏和不用设置护栏保护的相对危险性比较后做出判断的。只有正确的设计,才能实现护栏的功能和目标。

4.3 护栏的设置原则

1)路侧护栏的设置原则。路侧护栏主要分为路堤护栏和障碍物护栏两种。路侧护栏的最小设置长度为 70m,两段护栏之间相距小于 100m时,宜在该两路段之间连续设置。夹在两填方路段之间长度小于 100m的挖方路段,应和两端填方路段的护栏相连续。在需要设置路侧护栏的路段,大、中桥侧采用钢筋混凝土组合式护栏,在土路基段及小桥、通道、涵洞上采用波形梁钢板护栏。一般路侧护栏在土路基段采用普通型钢板护栏,立柱间距为4.0m,在小桥、通道及设有挡土墙的路段采用加强型钢板护栏,立柱间距 2.0m。路侧护栏立柱采用 φ140×4.5钢管,横梁为310mm×85mm×3mm变截面波形梁,护栏高度一般采用 60cm,当护栏立柱位于构造物上时,立柱应采用迫紧器连接。2)中央分隔带护栏的设置原则。高速公路、汽车专用一级公路均应设置中央分隔带护栏,当中央分隔带宽度大于 10m时,可不设护栏。在路基采用分离式断面时,靠中央分隔带一侧按路侧设置护栏,上、下行路基高差大于 2.0m时,可只在路基较高一侧设置。中央分隔带护栏全部采用波形梁钢板护栏,构造上有分设型和组合型两种。分设型护栏适合于中央分隔带相对较宽,中央带内的构造物较多,并在中央分隔带下埋有管线的路段;组合型护栏适用于中央分隔带宽度较窄,中央带内构造物不多或埋设管线较少的路段。一般中央分隔带护栏在土路基段采用普通型,立柱间距为4.0m,在有构造物的路段采用加强型,立柱间距 2.0m。中央分隔带护栏立柱为 φ114×4.5钢管,横梁为 310mm×85mm×3mm变截面波形梁,护栏高度一般采用 60cm。在中央分隔带开口处设置活动护栏。3)桥梁护栏的设置原则。a.高速公路、一级公路的特大桥,大桥、中桥均应设置桥梁护栏。b.高速公路、一级公路的小桥、通道应设置与路基上相同形式的护栏。c.一级公路的特大桥,大桥应设置桥梁护栏。

5 结语

护栏对交通安全具有十分重要的意义,随着我国高等级公路不断向山岭重丘区延伸,许多山区公路穿行于陡崖峭壁、深沟大壑之间,设置安全、有效的护栏就成了一个亟待解决的课题,如新结构、新材料的研发,适应大型重车护栏的开发,桥梁护栏过渡段形式和结构的研究开发,护栏端头的结构形式,防撞垫的研究开发等。

[1] 舒 翔,张晓晴,黄小清,等.高速公路护栏系统的有限元优化分析[J].公路交通科技,2006(5):8-11.

[2] 谢玉洪,雷正保,李海侠,等.高速公路防撞护栏的研究现状与发展趋势[J].工程建设与设计,2003(12):21-22.

[3] 申 杰,金先龙,陈建国.汽车碰撞护栏事故再现方法[J].振动与冲击,2007(5):34-37.

[4] JTG D81-2006,公路交通安全设施设计规范[S].