高速公路中央分隔带组合式护栏方案研究
2014-12-03 11:49张立状崔洪军李煜彤
科技资讯 2014年26期
张立状+崔洪军+李煜彤
摘 要：针对国内某高速中央分隔带护栏升级改造问题，提出了中央隔离带组合式护栏方案，建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，并针对不同的护栏立柱间距进行了汽车碰撞仿真模拟研究。结果表明，利用中央隔离带旧护栏改造为组合式护栏满足规范要求，可以有效地降低成本，为高速公路中央分隔带护栏改造提供依据。
关键词：组合式护栏 护栏立柱间距 碰撞仿真
中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0063-03
根据相关统计，与中央分隔带相关交通事故占高速公路事故总数的30%左右[1]，而且事故车辆一旦冲出护栏进入逆向车道，往往造成极其严重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔带护栏的防撞能力，已成为保障高速公路安全的关键问题之一[2～5]。
国内某高速公路在改造拓宽过程中，出于考虑成本和施工难度的因素，计划把中央隔离带护栏由分离式改变为组合式，以充分利用原护栏材料。针对此情况，我们建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，研究不同立柱间距时中央分隔带组合式护栏结构的防撞性能。
1 组合式护栏结构方案
根据JTG D81-2006《公路交通安全设施设计规范》和《公路交通安全设施设计细则》的要求[6-7]，基于A级中央隔离带波形梁护栏，确定对称设计防阻块及双波梁为组合式护栏方案1。方案2是在方案1的基础上立柱内加装一个内套管，如图1。立柱间距分别为2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。
2 有限元模型的建立
2.1 汽车模型
本大客车模型为弹性体车模型，通过实际拆车建立，车辆行驶系统按照真实车辆模型建立，保证车辆的行驶轨迹正常，模型经校验后符合美国NHTSA350报告和欧洲EN1317相关规定。客车有限元模型总节点数量为48592个；壳单元的数量为33787个、其它单元5338个。有限元模型如图2。
2.2 护栏模型
护栏模型单元类型采用四节点BT壳单元，材料类型采用弹塑性材料，即24号材料模型，具体参数如表1。由于在模拟计算时没有设定土壤材料参数，故端部及埋入地下部分立柱采用全约束的固定端方式模拟。有限元模型如图3。
2.3 碰撞仿真模型
2.3.1 沙漏控制
LS-DYNA在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽车护栏碰撞仿真采用了调整模型体积粘度控制沙漏。体积粘度可以阻止沙漏变形的发生。
2.3.2 接触控制
本次仿真采用面—面自动接触算法，定义5个接触对，即护栏与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU
RFACE；梁板、立柱、防阻块间：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；车轮与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_
SURFACE；车辆自身接触：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU
RFACE；车辆与护栏间：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。
同时定义各组的自接触。考虑摩擦效应，滑动摩擦系数取为0.15。
2.3.2 碰撞条件
碰撞条件见表2。
因每次模拟碰撞都消耗大量的时间，所以碰撞时间适当地缩小。500 ms的碰撞时间已经可以从车辆运行轨迹中判断大客车是否跨越护栏。
3 计算结果分析
3.1 车辆运行轨迹
通过模拟实验，方案1中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏有效地发挥吸能导向作用，客车返回正常行驶方向，如图4。立柱间距3200 mm、3600 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，如图5。方案2中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏同样发挥作用，立柱间距3200 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，但是立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟实验中未发生骑跨事故，通过与方案1中立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟对比，方案2的立柱变形量偏小，进而使波形梁仍能发挥导向作用。
3.2 护栏变形量
表3为最大动态位移实验数据，从表可以观察到未发生骑跨事故的组合式护栏的最大动态位移均小于安全评价标准的规定值。发生骑跨现象的护栏变形量明显大于未发生的。方案2的最大动态位移大多数小于方案1的。
3.3 车辆重心加速度
以车体加速度进行乘员安全性评价，选取客车重心处节点，得到重心加速度曲线。如图6和图7所示。为便于标距在表4中给出了各碰撞试验关于X、Y、Z方向的平均加速度。
从图6、7中可以看出未发生骑跨现象的碰撞试验，其加速度曲线震荡幅度随时间减小，符合实际情况，而发生骑跨现象的试验，其加速度曲线剧烈震荡。从表4，未发生骑跨现象的试验的平均加速度都未超过规定值，因此乘员的安全得到保障[8]。
4 结论
（1）通过不同间距的试验结果对比，得出2800mm间距是保证护栏安全性的最大间距，可以为实际工程应用提供参考。（2）通过两种方案的对比，在车辆运行轨迹，护栏变形量和重心加速度上，方案2优于方案1。
参考文献
[1] 刘丛国，于建国.新型高速公路中央分隔带护栏的设计与研究[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：170-177.
[2] 崔新壮，甘久彤，丁桦.高速公路中央分隔带护栏立柱稳定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.
[3] 丁桦，吴梦喜，王剑文，等.关于中央分隔带护栏立柱基础的探讨[J].工程力学，2002，1（19）：125-129.
[4] 李青川，彭举，彭展生.高速公路新型中央分隔带护栏方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.
[5] 张胜平.高速公路中央分隔带护栏碰撞仿真实验的研究与应用[D].西安：长安大学，2004.
[6] JTC D81-2006，公路交通安全设计规范[S].
[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全设施设计细则[S].
[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路护栏安全性能评价标准[S].endprint
摘 要：针对国内某高速中央分隔带护栏升级改造问题，提出了中央隔离带组合式护栏方案，建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，并针对不同的护栏立柱间距进行了汽车碰撞仿真模拟研究。结果表明，利用中央隔离带旧护栏改造为组合式护栏满足规范要求，可以有效地降低成本，为高速公路中央分隔带护栏改造提供依据。
关键词：组合式护栏 护栏立柱间距 碰撞仿真
中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0063-03
根据相关统计，与中央分隔带相关交通事故占高速公路事故总数的30%左右[1]，而且事故车辆一旦冲出护栏进入逆向车道，往往造成极其严重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔带护栏的防撞能力，已成为保障高速公路安全的关键问题之一[2～5]。
国内某高速公路在改造拓宽过程中，出于考虑成本和施工难度的因素，计划把中央隔离带护栏由分离式改变为组合式，以充分利用原护栏材料。针对此情况，我们建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，研究不同立柱间距时中央分隔带组合式护栏结构的防撞性能。
1 组合式护栏结构方案
根据JTG D81-2006《公路交通安全设施设计规范》和《公路交通安全设施设计细则》的要求[6-7]，基于A级中央隔离带波形梁护栏，确定对称设计防阻块及双波梁为组合式护栏方案1。方案2是在方案1的基础上立柱内加装一个内套管，如图1。立柱间距分别为2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。
2 有限元模型的建立
2.1 汽车模型
本大客车模型为弹性体车模型，通过实际拆车建立，车辆行驶系统按照真实车辆模型建立，保证车辆的行驶轨迹正常，模型经校验后符合美国NHTSA350报告和欧洲EN1317相关规定。客车有限元模型总节点数量为48592个；壳单元的数量为33787个、其它单元5338个。有限元模型如图2。
2.2 护栏模型
护栏模型单元类型采用四节点BT壳单元，材料类型采用弹塑性材料，即24号材料模型，具体参数如表1。由于在模拟计算时没有设定土壤材料参数，故端部及埋入地下部分立柱采用全约束的固定端方式模拟。有限元模型如图3。
2.3 碰撞仿真模型
2.3.1 沙漏控制
LS-DYNA在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽车护栏碰撞仿真采用了调整模型体积粘度控制沙漏。体积粘度可以阻止沙漏变形的发生。
2.3.2 接触控制
本次仿真采用面—面自动接触算法，定义5个接触对，即护栏与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU
RFACE；梁板、立柱、防阻块间：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；车轮与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_
SURFACE；车辆自身接触：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU
RFACE；车辆与护栏间：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。
同时定义各组的自接触。考虑摩擦效应，滑动摩擦系数取为0.15。
2.3.2 碰撞条件
碰撞条件见表2。
因每次模拟碰撞都消耗大量的时间，所以碰撞时间适当地缩小。500 ms的碰撞时间已经可以从车辆运行轨迹中判断大客车是否跨越护栏。
3 计算结果分析
3.1 车辆运行轨迹
通过模拟实验，方案1中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏有效地发挥吸能导向作用，客车返回正常行驶方向，如图4。立柱间距3200 mm、3600 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，如图5。方案2中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏同样发挥作用，立柱间距3200 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，但是立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟实验中未发生骑跨事故，通过与方案1中立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟对比，方案2的立柱变形量偏小，进而使波形梁仍能发挥导向作用。
3.2 护栏变形量
表3为最大动态位移实验数据，从表可以观察到未发生骑跨事故的组合式护栏的最大动态位移均小于安全评价标准的规定值。发生骑跨现象的护栏变形量明显大于未发生的。方案2的最大动态位移大多数小于方案1的。
3.3 车辆重心加速度
以车体加速度进行乘员安全性评价，选取客车重心处节点，得到重心加速度曲线。如图6和图7所示。为便于标距在表4中给出了各碰撞试验关于X、Y、Z方向的平均加速度。
从图6、7中可以看出未发生骑跨现象的碰撞试验，其加速度曲线震荡幅度随时间减小，符合实际情况，而发生骑跨现象的试验，其加速度曲线剧烈震荡。从表4，未发生骑跨现象的试验的平均加速度都未超过规定值，因此乘员的安全得到保障[8]。
4 结论
（1）通过不同间距的试验结果对比，得出2800mm间距是保证护栏安全性的最大间距，可以为实际工程应用提供参考。（2）通过两种方案的对比，在车辆运行轨迹，护栏变形量和重心加速度上，方案2优于方案1。
参考文献
[1] 刘丛国，于建国.新型高速公路中央分隔带护栏的设计与研究[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：170-177.
[2] 崔新壮，甘久彤，丁桦.高速公路中央分隔带护栏立柱稳定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.
[3] 丁桦，吴梦喜，王剑文，等.关于中央分隔带护栏立柱基础的探讨[J].工程力学，2002，1（19）：125-129.
[4] 李青川，彭举，彭展生.高速公路新型中央分隔带护栏方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.
[5] 张胜平.高速公路中央分隔带护栏碰撞仿真实验的研究与应用[D].西安：长安大学，2004.
[6] JTC D81-2006，公路交通安全设计规范[S].
[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全设施设计细则[S].
[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路护栏安全性能评价标准[S].endprint
摘 要：针对国内某高速中央分隔带护栏升级改造问题，提出了中央隔离带组合式护栏方案，建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，并针对不同的护栏立柱间距进行了汽车碰撞仿真模拟研究。结果表明，利用中央隔离带旧护栏改造为组合式护栏满足规范要求，可以有效地降低成本，为高速公路中央分隔带护栏改造提供依据。
关键词：组合式护栏 护栏立柱间距 碰撞仿真
中图分类号：U495 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）09（b）-0063-03
根据相关统计，与中央分隔带相关交通事故占高速公路事故总数的30%左右[1]，而且事故车辆一旦冲出护栏进入逆向车道，往往造成极其严重的二次特大事故。因此如何提高中央分隔带护栏的防撞能力，已成为保障高速公路安全的关键问题之一[2～5]。
国内某高速公路在改造拓宽过程中，出于考虑成本和施工难度的因素，计划把中央隔离带护栏由分离式改变为组合式，以充分利用原护栏材料。针对此情况，我们建立了组合式护栏的三维汽车—护栏碰撞仿真模型，研究不同立柱间距时中央分隔带组合式护栏结构的防撞性能。
1 组合式护栏结构方案
根据JTG D81-2006《公路交通安全设施设计规范》和《公路交通安全设施设计细则》的要求[6-7]，基于A级中央隔离带波形梁护栏，确定对称设计防阻块及双波梁为组合式护栏方案1。方案2是在方案1的基础上立柱内加装一个内套管，如图1。立柱间距分别为2000 mm、2400 mm、2800 mm、3200 mm、3600 mm、4000 mm。
2 有限元模型的建立
2.1 汽车模型
本大客车模型为弹性体车模型，通过实际拆车建立，车辆行驶系统按照真实车辆模型建立，保证车辆的行驶轨迹正常，模型经校验后符合美国NHTSA350报告和欧洲EN1317相关规定。客车有限元模型总节点数量为48592个；壳单元的数量为33787个、其它单元5338个。有限元模型如图2。
2.2 护栏模型
护栏模型单元类型采用四节点BT壳单元，材料类型采用弹塑性材料，即24号材料模型，具体参数如表1。由于在模拟计算时没有设定土壤材料参数，故端部及埋入地下部分立柱采用全约束的固定端方式模拟。有限元模型如图3。
2.3 碰撞仿真模型
2.3.1 沙漏控制
LS-DYNA在程序内部提供了一系列的沙漏控制方法，本次汽车护栏碰撞仿真采用了调整模型体积粘度控制沙漏。体积粘度可以阻止沙漏变形的发生。
2.3.2 接触控制
本次仿真采用面—面自动接触算法，定义5个接触对，即护栏与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SU
RFACE；梁板、立柱、防阻块间：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUR-FACE；车轮与路面间：*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_
SURFACE；车辆自身接触：*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SU
RFACE；车辆与护栏间：*CONTACT_UTOMATIC_NODES_TO_SURFACE。
同时定义各组的自接触。考虑摩擦效应，滑动摩擦系数取为0.15。
2.3.2 碰撞条件
碰撞条件见表2。
因每次模拟碰撞都消耗大量的时间，所以碰撞时间适当地缩小。500 ms的碰撞时间已经可以从车辆运行轨迹中判断大客车是否跨越护栏。
3 计算结果分析
3.1 车辆运行轨迹
通过模拟实验，方案1中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏有效地发挥吸能导向作用，客车返回正常行驶方向，如图4。立柱间距3200 mm、3600 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，如图5。方案2中，立柱间距2000 mm、2400 mm、2800 mm的组合式护栏同样发挥作用，立柱间距3200 mm、4000 mm的组合式护栏模拟实验中，客车发生了骑跨事故，但是立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟实验中未发生骑跨事故，通过与方案1中立柱间距3600 mm的组合式护栏模拟对比，方案2的立柱变形量偏小，进而使波形梁仍能发挥导向作用。
3.2 护栏变形量
表3为最大动态位移实验数据，从表可以观察到未发生骑跨事故的组合式护栏的最大动态位移均小于安全评价标准的规定值。发生骑跨现象的护栏变形量明显大于未发生的。方案2的最大动态位移大多数小于方案1的。
3.3 车辆重心加速度
以车体加速度进行乘员安全性评价，选取客车重心处节点，得到重心加速度曲线。如图6和图7所示。为便于标距在表4中给出了各碰撞试验关于X、Y、Z方向的平均加速度。
从图6、7中可以看出未发生骑跨现象的碰撞试验，其加速度曲线震荡幅度随时间减小，符合实际情况，而发生骑跨现象的试验，其加速度曲线剧烈震荡。从表4，未发生骑跨现象的试验的平均加速度都未超过规定值，因此乘员的安全得到保障[8]。
4 结论
（1）通过不同间距的试验结果对比，得出2800mm间距是保证护栏安全性的最大间距，可以为实际工程应用提供参考。（2）通过两种方案的对比，在车辆运行轨迹，护栏变形量和重心加速度上，方案2优于方案1。
参考文献
[1] 刘丛国，于建国.新型高速公路中央分隔带护栏的设计与研究[J].机电产品开发与创新，2010，23（5）：170-177.
[2] 崔新壮，甘久彤，丁桦.高速公路中央分隔带护栏立柱稳定性分析及加固方案研究[J].公路交通科技，2004，（21）5：74-77.
[3] 丁桦，吴梦喜，王剑文，等.关于中央分隔带护栏立柱基础的探讨[J].工程力学，2002，1（19）：125-129.
[4] 李青川，彭举，彭展生.高速公路新型中央分隔带护栏方案研究[J].公路交通科技，2013，3（30）：143-145.
[5] 张胜平.高速公路中央分隔带护栏碰撞仿真实验的研究与应用[D].西安：长安大学，2004.
[6] JTC D81-2006，公路交通安全设计规范[S].
[7] JTC/T D81-2006，公路交通安全设施设计细则[S].
[8] JTC/T F83-01-2004，高速公路护栏安全性能评价标准[S].endprint
