波形梁护栏与混凝土护栏过渡段安全性能研究

周志伟， 吴　洵， 王成虎

(交通运输部公路科学研究院 公路交通安全技术交通行业重点实验室， 北京　100088)



波形梁护栏与混凝土护栏过渡段安全性能研究

周志伟， 吴洵， 王成虎

(交通运输部公路科学研究院 公路交通安全技术交通行业重点实验室， 北京100088)

[摘要]通过计算机仿真方法和实车足尺碰撞试验验证等手段，研究提出了一种新型A级波形梁钢护栏与SB级混凝土护栏过渡段结构形式，该结构防撞等级达到A级，碰撞能量160 kJ，经试验验证，各项性能指标符合交通行业标准要求，新的护栏过渡段可实现不同防护等级的公路护栏之间连接平顺、结构刚度平稳过渡。

[关键词]护栏过渡段； 公路护栏防护等级； 实车足尺碰撞试验； 安全性能

1概述

公路护栏主要由路侧护栏、中央分隔带护栏、桥梁护栏和护栏之间过渡段等设施组成。任何一个组成部分防护能力达不到要求，都会留下安全防护隐患。目前在我国高速公路护栏过渡段的设计中，存在较大安全隐患的多为路基A级波形梁钢护栏与桥梁SB级混凝土护栏过渡段结构，在实际应用中一般采用比较简单的处理方式，如采用直接搭接的形式甚至干脆不处理。大量事故案例显示，当事故车辆直接碰撞到护栏过渡段处时，由于两类护栏的刚度、强度不同，车辆会发生拌阻、翻越等现象，司乘人员伤害严重。国内外诸多学者和专家围绕护栏安全防护性能开展了大量研究，以往的护栏研究主要在桥梁护栏、路基段护栏和路基段活动护栏，而在桥梁护栏和路基护栏过渡段护栏结构方面的研究较少。

针对上述问题，本文利用计算机仿真和实车足尺碰撞试验验证等手段，提出一种新型A级波形梁钢护栏与SB级混凝土护栏过渡段结构形式，以实现不同防护等级的公路护栏之间连接平顺、结构刚度平稳过渡。

2护栏过渡段安全防护性能评价标准的确定

本文研究的护栏过渡段主要是实现A级(160 kJ)波形梁钢护栏与SB级(280 kJ)混凝土护栏之间护栏结构刚度的平稳过渡，故其防护性能应不低于所连接护栏中较低级别即A防撞等级要求。参照交通行业标准《高速公路护栏安全性能评价标准》(JTG/T F83-01-2004)[1]要求，本文研究的护栏过渡段碰撞条件见表1，评价项目见表2。

表1 护栏过渡段A级(160kJ)实车碰撞试验条件Table1 RealvehicleimpacttestconditionoftheAleveltransitionsection(160kJ)碰撞车型车型总质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小型车1.510020中型车106020

表2 评价项目Table2 EvaluationSpecification试验项目技术要求1.防护性能(1)护栏应能够有效阻挡车辆,并对车辆进行正确导向,车辆不得以任何形式穿越、翻越、骑跨、下穿护栏(2)在碰撞过程中,脱离组件、碰撞碎片(护栏碎片)、或其他护栏上的碰撞物步的侵入驾驶室内及阻挡驾驶员的视线2.乘员风险 (1)车体纵向加速度(X)10ms间隔平均值的最大值ax≤20g(2)车体横向加速度(Y)10ms间隔平均值的最大值ay≤20g(3)车体铅直加速度(Z)10ms间隔平均值的最大值az≤20g3.驶出角度车辆碰撞后驶出角度不大于碰撞角度60%4.车辆运行轨迹碰撞后在距离实际碰撞点20m区域内,试验车辆的任何部位不得越过2.2m+车宽(m)+0.16车长(m)5.车辆运行状态碰撞后车辆应保持正常行驶姿态,可以有适当的摇晃、倾斜,但不得发生横转、调头等现象

3护栏过渡段结构设计

① 公路常用护栏过渡段结构形式。

目前国内高速公路上波形梁钢护栏与混凝土护栏过渡段结构形式(见图1)主要为：波形梁钢护栏采用加密立柱(Φ140 mm×4.5 mm×2150 mm)[2]，在与混凝土护栏连接处采用上下两块护栏板(310 mm×85 mm×4 mm×4320 mm)，护栏板、立柱用防阻块(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)连接,上护栏板延伸入混凝土护栏，每板使用4根M16高强拼接螺栓锚固护栏板，下护栏板采用端头处理，如图2所示。

根据选定的碰撞条件，通过计算仿真模拟手段，建立碰撞车辆和护栏的计算机模型，模拟碰撞过程，

图1　公路常用护栏过渡段结构Figure 1　Common transition section structure

见图2。从护栏和车辆两个角度，分析车辆对护栏的冲击作用，碰撞过程中车辆的运行状态、运行轨迹，乘员加速度等参数。

图2　护栏过渡段有限元模型及车辆碰撞过程Figure 2　 Finite element model and impact simulation process

从计算结果得出: 在整个碰撞过程中，护栏过渡段虽可有效阻挡车辆，并对车辆进行正确导向，车辆无穿越、翻越、骑跨和下穿护栏现象，无横转、调头、翻车现象，但车体横向加速度指标ay超过20 g，将对成员造成严重伤害，该护栏过渡段结构不符合标准要求。

② 原因分析。

波形梁钢护栏是一种连续梁柱结构的半刚性护栏，具有一定的刚度和柔性，在碰撞发生时，它是通过自身结构变形来吸收碰撞能量，导出车辆。而混凝土护栏是一种基本不变形的刚性护栏，它主要是利用其专门设计的断面形状，使碰撞车辆爬高并转向来吸收碰撞能量，导出护栏。

目前公路常用的护栏过渡段结构其小型车车体横向加速度ay值超标主要是因为波形梁钢护栏近混凝土护栏端部立柱安装间距过大，车辆在与半刚性波形梁钢护栏发生碰撞时护栏动态变形量大，在波形梁钢护栏还未完全吸能变形后又与刚性混凝土护栏发生碰撞，导致该指标超标，车辆损伤严重。

③ 结构设计。

根据上述的原因分析，重新进行护栏过渡段结构设计，为减少护栏的动态变形量，新方案通过调整波形梁护栏立柱位置，在近混凝土护栏端部增加一根护栏立柱，通过该立柱吸能变形来实现降低小型车车体横向加速度指标，另外将下护栏板也延伸到混凝土护栏上，使用4根M16高强拼接螺栓锚固，见图3。

图3　改进后过渡段构造示意图Figure 3　The upgrade solution of transition section structure

对新的护栏过渡段结构方案重新建模、仿真计算得出：在整个碰撞过程中，护栏过渡段能够有效的阻挡车辆，并使车辆安全导出，未出现车辆受到绊阻、护栏板刺入车体、车辆翻越或者冲出护栏过渡段的现象，各项指标满足评价标准的要求。该护栏过渡段使半刚性护栏至刚性护栏的防撞能力过渡更加平稳，能够提高整个护栏防护系统的安全防护性能。

4实车碰撞试验验证护栏过渡段安全防护性能

按照交通行业标准JTG/T D81-2006《公路交通安全设施设计细则》要求选取实车碰撞试验段护栏材料并进行施工安装。护栏过渡段防撞等级为A级，按照交通行业标准JTG/T F83-01-2004《高速公护栏安全性能评价标准》要求，选取质量为1.5 t的小型车以100 km/h的速度20°碰撞角度进行试验；选取质量为10 t的大型车以60 km/h的速度20°碰撞角度进行试验，见图4。

图4　试验前护栏与车辆Figure 4　Barrier and vehicle before the test

经实车碰撞后，护栏过渡段可有效阻挡车辆，并对车辆进行正确导向，车辆无穿越、翻越、骑跨和下穿护栏现象，无横转、调头、翻车现象，车体纵向加速度ax、车体横向加速度ay和车体铅直加速度az指标均不超过20 g，该护栏过渡段结构符合标准要求，测试结果见表3，见图5。

表3 护栏过渡段实车碰撞试验测试结果Table3 Real-vehicleimpacttestresultofthetransitionsection测试项目标准要求测试结果小型车大型车护栏应能够有效地阻挡车辆,并对车辆进行正确导向,车辆不得以任何形式穿越、翻越、骑跨、下穿护栏符合要求符合要求1.防护性能小型车大型车在碰撞过程中,脱离组件、碰撞碎片(护栏碎片)、或其他护栏上的碰撞物不能侵入驾驶室内及阻挡驾驶员的视线符合要求符合要求2.乘员风险 (小型车)车体车体纵向加速度(X)10ms间隔平均值的最大值ax≤20g车体横向加速度(Y)10ms间隔平均值的最大值ay≤20g车体铅直加速度(Z)10ms间隔平均值的最大值az≤20g符合要求符合要求符合要求3.驶出角度小型车型车车辆碰撞后驶出角度不大于碰撞角度60%符合要求符合要求4.车辆运行 轨迹小型车大型车碰撞后在距离实际碰撞点10m区域内,试验车辆的任何部位不得越过2.2m+车宽(m)+0.16车长(m)碰撞后在距离实际碰撞点20m区域内,试验车辆的任何部位不得越过4.4m+车宽(m)+0.16车长(m)符合要求符合要求5.车辆运行 状态小型车大型车碰撞后车辆应保持正常行驶姿态,可以有适当的摇晃、倾斜,但不得发生横转、调头等现象符合要求符合要求

图5　试验后护栏及车辆

5小结

本文通过计算机仿真方法和实车足尺碰撞试验验证等手段，研究提出了一种新型A级波形梁钢护栏与SB级混凝土护栏过渡段结构形式，该结构防撞等级达到A级，碰撞能量160 kJ，经试验验证，各项性能指标符合交通行业标准要求，该结构的提出为道路使用者出行提供了安全保障，为标准规范的制修订提供了依据，对完善护栏防护体系意义重大。

[参考文献]

[1]JTG/T F83-01-2004,高速公路护栏安全性能评价标准[S].

[2]JTG/T D81-2006,公路交通安全设施设计细则[S].

Research on Safety Performance of Transition Between W-beam Guardrail and Concrete Barrier

ZHOU Zhiwei， WU Xun， WANG Chenghu

(Key Laboratory of Road Safety Ministry of Communications PRC, Research Institute of Highway Ministry of Communications, Beijing 100088, China)

[Abstract]Through finite element simulation method and full-scale impact test with real vehicle, the study developed a new type of transition section between A level w-beam barrier and SB level concrete barrier. The safety performance of the new transition section reaches A level, 160 kJ. Verified by the impact test, all items meet requirement of relevant transportation standards. The new transition section is capable to accomplish smooth connection and stiffness transition between different barriers.

[Key words]transition section of highway barriers; protection level of highway barriers; full-scale impact test with real vehicle; safety performance

[收稿日期]2016-01-11

[作者简介]周志伟(1977-)，男，北京人，高级工程师，研究方向：交通工程。

[中图分类号]U 417.1+2

[文献标识码]A

[文章编号]1674-0610(2016)03-0162-03