几种改进的波形梁护栏的碰撞分析

闫书明， 陈冠雄， 刘　航

(1.北京华路安交通科技有限公司， 北京 100071；　2.广东省公路学会， 广东 广州　510101；　3.山东高速股份有限公司， 山东 济南　250014)



几种改进的波形梁护栏的碰撞分析

闫书明1， 陈冠雄2， 刘航3

(1.北京华路安交通科技有限公司， 北京 100071；2.广东省公路学会， 广东 广州510101；3.山东高速股份有限公司， 山东 济南250014)

[摘要]采用实车碰撞试验和LS-DNYA计算机仿真模拟的方法，对几种改进的波形梁护栏进行碰撞分析，研究了高度和刚度结构改变对波形梁护栏安全防护性能的影响。研究结果有助于加深对波形梁护栏安全防护性能的认识，并为相关规范的修订提供基础资料。

[关键词]交通设施； 波形梁护栏； 实车碰撞试验； 计算机仿真； 优化； LS-DNYA

0前言

波形梁护栏由相互拼接的波纹状钢板和立柱构成连续梁结构，利用土基、立柱、波纹状钢板的变形来吸收碰撞能量，并迫使失控车辆改变方向，是半刚性护栏的典型代表[1]。波形梁护栏在中国的应用已有20多a的应用历程，在实际应用中，有些波形梁护栏进行了一些结构改进[2-6]，需要对这些改进结构的防撞性能进行研究分析，评价其安全性能。

以早期建造的波形梁护栏为基础，采用计算机仿真和实车碰撞试验相结合的方法[7-15]，对波形梁护栏及几种改造结构进行碰撞分析，为合理应用波形梁护栏结构奠定基础。

1波形梁护栏

波形梁护栏在中国高速公路的应用主要划分为4个阶段：1994年之前，由于高速公路建设在中国处于起步阶段，波形梁护栏没有做过专项结构研究，大部分直接照办欧美和日本成果，还有一小部分在国外成果基础上做过一些人为变动，造成波形梁结构形式多样，防护性能亦不确定；1994年6月，《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》JTJ 074-94(以下简称074规范)颁布，对波形梁护栏结构进行了明确规定，其中A防撞等级波形梁板采用欧美弧线板，厚度为3 mm，立柱为φ114 mm×4.5 mm厚，打桩深度为1 100 mm，波形梁板和立柱之间不设置防阻块或设置3 mm厚的六角防阻块，波形板中心距离地面或路缘石上表面为60 cm，设计防护能量为93 kJ；2006年9月，《公路交通安全设施设计规范》JTG D81-2006颁布，进一步对波形梁护栏结构进行了规范，其中A防撞等级波形梁护栏在JTG074-94规范的基础上将波形梁厚度提高为4 mm，立柱型号为φ140 mm×4.5 mm厚，打桩深度提高为1 400 mm，波形梁板和立柱之间设置4.5 mm厚的六角防阻块，波形梁中心距离地面或路缘石上表面为60 cm，设计防护能量为160 kJ。

由于2006年以前建造的波形梁护栏设计防护能量较现行规范低，出现了对以前建造波形梁护栏的一些改造方案，需要通过研究确定这些改造方案的合理性和安全性。

2护栏安全性能

2.1分析方法

车辆碰撞护栏是高度非线性的物理过程，欧美发达国家采用实车足尺碰撞试验进行安全性能分析，虽然该方法费用高且周期长，但具有可靠和客观的优点，多用于护栏安全性能法规评价；随着计算机软硬件的发展，采用基于有限元方法的计算机仿真方法日趋成熟，该方法具有周期短、费用省的特点，多用于护栏结构优化和安全性能分析。

采用实车碰撞试验和计算机仿真相结合的方法对波形梁护栏进行碰撞分析，达到可靠、经济、省时的综合效果。

2.2碰撞条件

应同时采用小型车和大型车碰撞来判断波形梁护栏是否达到相应的防撞等级。小型车的质量小，运行速度高，碰撞护栏后乘员所受的冲击程度较大型车大，采用小型车碰撞主要对护栏的缓冲功能进行评价；大型车质量大，对护栏的破坏程度较严重，采用大型车碰撞主要对护栏的阻挡功能进行评价。

A防撞等级护栏应通过1.5 t的小型车辆100 km/h速度20°角碰撞和10 t的大型车辆以60 km/h速度20°角碰撞。以该碰撞条件为基础，对波形梁护栏进行碰撞分析。

2.3评价指标

护栏的安全性能评价指标主要包括车辆行驶轨迹、护栏防护导向，乘员风险几个方面。

车辆行驶轨迹指标为：碰撞后车辆应保持正常行驶姿态，不发生横转、掉头等现象；禁止车辆任何形式的穿越、翻越、骑跨、下穿护栏。

结构防护导向指标为：护栏应能够有效地阻挡并导向车辆；车辆碰撞后的驶出角度应小于碰撞角度的60%；在碰撞过程中，脱离组件、护栏碎片不能侵入驾驶室内及阻挡驾驶员视线。

乘员风险指标为：小型车辆与护栏发生碰撞时应能保证车内乘员的生命安全，不受到严重伤害，所受冲击加速度最大值不大于20 g。

3早期建造波形梁护栏碰撞分析

早期建造的波形梁护栏以按074规范规定的A防撞等级结构居多，建立该结构试验段(见图1)。

图1　早期建造波形梁护栏试验段Figure 1　Test structure of early built W-beam barrier

按A防撞等级碰撞条件中的10 t大型车以60 km/h速度20°角碰撞组织实车碰撞试验，评价其是否能够抵挡160 kJ碰撞能量。图2为碰撞试验结果，可以看出波形梁护栏发生了断裂，车辆穿越护栏，说明早期建造波形梁护栏抵挡不了160 kJ的碰撞能量。

图2　早期波形梁护栏碰撞试验Figure 2　Impact test of early built W-beam barrier

按试验条件建立1：1有限元ls-dnya模型，模型参数经大量试验数据进行校核，计算结果如图3所示，波形梁护栏发生断裂，车辆穿越护栏，与试验结果一致，说明了仿真模型的有效性。

图3　早期波形梁护栏碰撞模拟Figure 3　Impact simulation of early built W-beam barrier

根据碰撞试验结果，说明早期建造的波形梁护栏结构设计防护能力已不满足《公路交通安全设施设计规范》(JTGD81-2006)的要求，需要进行改造。

4常见改造波形梁护栏碰撞分析

以早期建造波形梁护栏结构为基础，综合运用试验和仿真技术手段，对几种常见改造波形梁护栏进行碰撞分析。

4.1加强立柱的改造波形梁护栏

以早期建造的波形梁护栏为基础，将其φ114 mm×4.5 mm厚立柱更换为φ140 mm×4.5 mm厚立柱，进行碰撞分析以考察加强立柱对波形梁护栏安全防护的影响。

图4为加强立柱改造波形梁护栏按A防撞等级大型车碰撞的结果，可见加强立柱后，波形梁板未被撞断，但车辆仍然骑跨上护栏，不满足安全性能指标要求。

(a) 试验(b) 模拟

从碰撞结果来看，加强立柱对于护栏安全性能有一定提高，但是单纯依靠加强立柱来提高护栏安全性能的效果不明显，同时在护栏设计中，一般遵循“强梁弱柱”的设计理念来降低车辆发生绊阻的概率，立柱不宜设计过刚。

4.2加强梁的改造波形梁护栏

以加强立柱的改造波形梁护栏为基础，将波形梁厚度由3 mm提高到4 mm，防阻块厚度由3 mm提高到4.5 mm，采用计算机仿真进行A防撞等级大客车碰撞分析以考察加强梁板对波形梁护栏安全防护的影响。图5为该加强梁波形梁护栏碰撞结果，可见车辆骑跨上护栏后一直向前行驶，将碰撞点后的波形梁护栏尽数压垮，不满足护栏安全性能评价要求。

图5　4 mm厚波形梁护栏碰撞Figure 5　Impact of W-beam barrier with 4mm thickness beam

为进一步提高波形梁板的刚度，建立两个有限元仿真模型：在仿真模型1中，以4 mm厚波形梁护栏仿真模型为基础，将波形梁厚度提高到6 mm，其刚度相当于将两片3 mm的波形梁叠置；在仿真模型2中，以3 mm厚波形梁护栏仿真模型为基础，将波形梁后面增设一片反扣的3 mm厚波形梁板，两片波形梁呈8字形布置。在这两个仿真模型中，波形梁刚度均得到了较大加强。图6为仿真模型和A防撞等级大客车碰撞计算结果，可见由于波形梁刚度加大，波形梁护栏变形较小，但是车辆仍然会骑跨上护栏，不满足安全性能指标要求。

(a) 6 mm厚波形梁护栏模型与计算结果

(b) 8字型波形梁护栏模型与计算结果

Figure 6Impact simulation of W-beam barrier with strengthen beam

建立8字型加强波形梁护栏试验段，按A防撞等级组织大客车碰撞试验，试验见图7，同仿真结果，大客车骑跨上波形梁护栏，不满足评价标准要求。

图7　加强波形梁护栏模拟碰撞Figure 7　Impact simulation of W-beam barrier with 　strengthen beam

从碰撞结果来看，在加强立柱的基础上单纯依靠加强波形梁板来提高护栏安全性能的效果不明显，车辆骑跨护栏说明波形梁护栏的高度不足是影响护栏安全防护性能的一个主要因素。

4.3加高的波形梁护栏结构

为提高波形梁护栏防护能力，有些路段提高了波形梁护栏高度，以4 mm厚波形梁护栏仿真模型为基础，将波形梁护栏板提高30 cm，按A防撞等级大客车碰撞进行分析，图8为计算结果，可见加高的波形梁护栏对于防止大客车骑跨和翻越有较大作用，但是否会对小客车造成不利影响需要做进一步分析论证。

图8　加高波形梁护栏大客车模拟碰撞Figure 8　Bus impact simulation of with heighten W-beam 　barrier

按照A级护栏碰撞试验条件中的小型车碰撞规定，建立1.5 t的小客车以100 km/h碰撞速度20°角碰撞加高10 cm的波形梁护栏结构仿真模型，对这种处理方式对小型车防护性能的影响进行分析。图9为计算结果，可见加高的波形梁护栏结构由于波形梁与地面之间的间距增加，会导致小客车车轮在立柱处发生严重绊阻，并且车辆下穿波形梁的趋势增加，对乘员的安全造成不利影响。

图9　加高波形梁护栏小客车模拟碰撞Figure 9　Car impact simulation of with heighten W-beam barrier

通过事故调查，发现小客车下穿护栏板的事故屡见不鲜，如图10所示，验证了小客车碰撞加高波形梁护栏仿真模型的准确性，说明单纯依靠提高护栏高度来提高护栏的安全防护性能是不合理的。

图10　小客车下穿护栏事故Figure 10　Car under cross W-beam barrier accident

4.4双层波形梁护栏结构

部分高速公路在保持原建造波形梁护栏结构的基础上，在其下部增加一道3 mm的欧式波形梁板，形成双层波形梁护栏结构。

按照A级护栏碰撞试验条件中的小型车碰撞规定，采用1.5 t的小客车以100 km/h碰撞速度20°角碰撞双层波形梁，在碰撞区域内小客车发生了横转，有可能对相邻车道正常行驶车辆造成较大影响，不满足评价标准要求，如图11所示。

(a) 护栏变形

(b) 车辆姿态

建立10 t的大客车以60 km/h碰撞速度20°角碰撞双层波形梁护栏的有限元模型，计算结果显示大客车穿越双层波形梁护栏，不满足评价标准要求。

根据试验和仿真计算结果(见图12)，在早期建造护栏的底部增加一层波形梁板会增加车辆碰撞后车轮沿波形梁板上爬的趋势，对增强波形梁的防护能力没有起到有利作用。

图12　双层波形梁护栏大客车碰撞仿真计算Figure 12　Bus impact simulation of double deck W-beam barrier

5优化改造波形梁护栏碰撞分析

综合常见改造波形梁护栏碰撞分析结果，可知只有同时提高波形梁护栏的高度和刚度才有可能使其达到160 kJ的防护能力，在此基础上，从旧护栏板再利用角度出发，提出优化的双层波形梁护栏结构。旧波形梁护栏分为欧式板和日式板：欧式板为曲线弧面结构，为常用波形梁板结构；日式板为折线结构，1994年之前建造的波形梁护栏部分采用日式板。组织实车碰撞试验，分别对基于这两种护栏板的优化双层波形梁护栏结构进行碰撞分析。

5.1欧式板双层波形梁护栏优化结构

欧式板双层波形梁护栏优化结构见图13：波形梁板为从旧波形梁护栏拆除的 3 mm厚欧式旧波形梁板，下层板中心距地面60 cm，上层板中心距地面为93 cm，护栏总高度为108.5 cm；立柱采用φ140 mm×4.5 mm厚型号，打桩深度为140 cm，间距4 m；立柱和波形梁之间采用4.5 mm厚的六角防阻块。

图13　欧式板双层波形梁护栏优化结构Figure 13　Optimized double deck europe type W-beam barrier

按A防撞等级对欧式板双层波形梁护栏优化结构进行实车碰撞试验。碰撞护栏试验结果如图14所示：小客车和大客车碰撞护栏后基本保持正常行驶姿态，车辆没有发生横转、掉头现象，亦没有发生穿越、翻越、骑跨护栏现象，车辆行驶轨迹指标良好；小客车驶出角度为11.9°，大客车驶出角度接近0°，脱离组件、护栏碎片没有侵入驾驶室内及阻挡驾驶员视线，结构防护导向指标良好；碰撞后小车加速度最大值12.9 g，远离指标限值，大客车碰撞后仅保险杠位置有较小变形，玻璃完整无损，缓冲功能良好，乘员风险指标满足要求。

(a) 小客车碰撞结果

(b) 大客车碰撞结果

Figure 14Impact test of optimized double deck Europe type W-beam barrier

5.2日式板双层波形梁护栏优化结构

日式板双层波形梁护栏优化结构如图15所示：整体由上下两层独立波形梁护栏组成，两层波形梁护栏的护栏板均为3 mm厚的日式板，下层波形梁护栏的护栏板中心距离地面为56 cm，上层波形梁护栏的护栏板中心距离地面为96 cm；上下两层波形梁护栏均采用φ114 mm×4.5 mm厚型号立柱，打桩深度为140 cm，间距均为4 m，两层波形梁护栏立柱呈等间距交叉布置；立柱和波形梁之间采用4.5 mm厚的π型托架进行螺栓连接。

(a) 背部(b) 前部

Figure 15Optimized double deck Japanese type W-beam barrier

按A防撞等级对日式板双层波形梁护栏优化结构进行实车碰撞试验。碰撞护栏试验结果如图16所示：小客车和大客车碰撞护栏后基本保持正常行驶姿态，车辆没有发生横转、掉头现象，亦没有发生穿越、翻越、骑跨护栏现象，车辆行驶轨迹指标良好；小客车驶出角度为11.1°，大客车驶出角度为1.3°，脱离组件、护栏碎片没有侵入驾驶室内及阻挡驾驶员视线，结构防护导向指标良好；碰撞后小车加速度最大值为11.7 g，远离指标限值，大客车碰撞后仅保险杠位置有较小变形，缓冲功能良好，乘员风险指标满足要求。

(a) 小客车碰撞结果

(b) 大客车碰撞结果

Figure 16Impact test of optimized double deck Japanese type W-beam barrier

6结论

对波形梁护栏及其几种改造结构进行实车足尺碰撞试验和计算机仿真模拟计算，得出的主要研究结论如下：

① 早期建造的波形梁护栏防撞能力达不到160 kJ，不满足高速公路交通安全设施的最低防护要求，需要进行加强改造；

② 保持波形梁护栏高度不变，靠加强立柱和波形梁板方式对于提高波形梁护栏的防护能力有限；在波形梁板下增加一道波形梁，会导致车辆沿迎撞面爬升，更易翻越护栏；

③ 提高波形梁护栏高度对大客车防护有利，但是小客车易发生下穿护栏事故；

④ 提高护栏高度并增设一道波形梁板的优化双层波形梁护栏，可有效防护大客车和小客车，防撞能力达到160 kJ。

优化双层波形梁护栏研究成果已经在河北石安高速公路大修项目、广东省惠深高速公路惠州段改扩建项目和山东省济青高速公路护栏改造项目中成功实施应用。

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Impact Analysis on Several Improved W-beam Barriers

YAN Shuming1， CHEN Guanxiong2， LIU Hang3

(1.Beijing Hualuan Traffic Technological Co.， Ltd， Beijing 100071， China；2.Guangdong Highway and Transportation Society， Guangzhou， Guangdong 510101， China；3.Shandong Hi-speed Company Limited， Jinan， Shandong 250014， China)

[Abstract]Impact analysis on several improved w-beam barriers were done with vehicle impact test and LS-DNYA computer simulation methods，and the effect of height and stiffness parameter to w-beam barrier safety performance was studied.The research results can enhance understanding of safety performance of w-beam barriers，and provide basic data for the relevant specification revision.

[Key words]traffic facility； W-beam barrier； full scale impact test； computer simulation； optimize； LS-DNYA

[中图分类号]U 417.12； U 491.59

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)01-0167-05

[作者简介]闫书明(1976-)，男，山东德州人，高级工程师，从事交通安全设施仿真与试验研究。

[基金项目]公路护栏安全性能评价标准修订(JTG B05-01-2013)

[收稿日期]2014-11-26