高速公路中央分隔带活动护栏碰撞仿真

范慕辉，刘巧会，孙兆岩，郄彦辉，崔洪军

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

高速公路中央分隔带活动护栏碰撞仿真

范慕辉1，刘巧会1，孙兆岩1，郄彦辉1，崔洪军2

（1.河北工业大学 机械工程学院，天津 300130；2.河北工业大学 土木工程学院，天津 300401）

提出了一种企口式刚性混凝土活动护栏结构，可安装在高速公路分隔带开口处．基于现行规范要求，建立了相应的显式有限元仿真模型并利用LS-DYNA软件进行了实尺寸车辆模型与活动护栏的非线性碰撞仿真计算．结果表明：该活动护栏满足160 kJ碰撞能量的Am级的防撞等级要求；各项碰撞安全性能指标均符合现行规范的要求；随碰撞角度的增大，车体重心3向加速度并非线性增大，而是纵向加速度基本不变、横向加速度先增大后减小、而竖向加速度线性增加的变化规律．

活动护栏；碰撞仿真；防护能力；碰撞角度

0 引言

高速公路中央分隔带开口是维持高速公路正常运营的必需设计，在开口处设置活动护栏对于交通事故救援及车辆疏导至关重要[1-6]．但目前国内常用的插拔式、推拉式和填充式3种中央分隔带开口活动护栏的防护能力明显不足，经常发生车辆穿越活动护栏与对向车辆相撞的恶性二次事故[4-5]．如：2004年7月25日宁连高速公路一辆大货车穿越活动护栏，与对向行驶的小轿车迎面相撞，5人当场死亡；2008年10月4日在开阳高速公路圣堂路段，一辆小轿车穿越活动护栏，导致3车相撞，3死6伤；2009年3月27日在沪昆高速公路江西段，一辆客车穿越活动护栏，导致3车相撞，20死11伤；2010年11月14日在沪渝高速公路黄黄段，一辆半挂车穿越活动护栏造成3车相撞侧翻，多人受伤．因此研究开发具有高防护能力的高速公路中央分隔带活动护栏，具有较大的工程和社会价值．

在满足活动护栏移动灵活、开启安装方便的前提下，为提高其防护能力，人们开展了大量的研究工作．如：王宏伟[4]、梁亚平[5]等研究开发了防撞能力达93 kJ的链式混凝土活动护栏；侯德藻[6]等人研究开发了组合型波形板活动式钢护栏；闫书明[7-9]等人研究开发了在钢管内嵌预应力钢索组合式活动护栏等．但是上述活动护栏在便捷性、经济性和防护安全性能方面上仍有不足之处．

本研究提出了一种刚性混凝土企口式活动护栏，在满足中央隔离带活动护栏开启和移动便捷性的前提下，具有160 kJ的防撞能力和导向能力，能有效阻止车辆穿越护栏，防止恶性交通事故发生．为验证活动护栏的安全性，以现行国家行业标准和规范为依据，利用LS-DYNA软件强大的非线性计算能力，对活动护栏的防撞能力以及各项安全性能指标进行模拟验证[9-10]．

1 刚性混凝土企口式活动护栏结构设计

刚性混凝土企口式活动护栏具有160 kJ的防撞能力，即高速公路中央分隔带 Am级防撞等级，其高度为810mm，每节长度为2000mm，节与节之间纵向连接采用企口式连接．每节护栏均用2根高度可调螺杆与地面预埋螺母形成螺纹连接，以保证护栏的防护能力；同时每节护栏安装2个升降的万向轮结构，以保证护栏的活动性．当万向轮升起不与地面接触时，护栏放在隔离带上并与地面通过螺栓连接到一起，此时护栏具有防撞和导向能力；当松开护栏与地面的螺栓连接，万向轮下降顶起护栏时，方便护栏推走，实现中央隔离带开口的目的．刚性混凝土企口式活动护栏的结构设计如图1所示．

图1 活动护栏结构示意图Fig.1 Structure design ofmovablebarrier

2 碰撞条件和评价标准

参照国家相关标准和行业规范的规定，Am级刚性活动护栏在封闭时应与固定护栏具有完全相同的防护能力，其相应的车辆碰撞条件如表1所示．

表1 碰撞条件Tab.1 Impactconditions

刚性混凝土活动护栏的评价标准包括[1,6]：

1）能够阻止车辆穿越、翻越、骑跨活动护栏并对车辆进行导向，碰撞后的车辆驶出角度应小于驶入角度的60%；

2）在碰撞过程中，车辆不发生偏转、翻转、掉头等现象；

3）在碰撞过程中车辆重心3向加速度10ms间隔平均值的最大值都小于等于20倍重力加速度；

4）护栏的最大动态变形量不大于100mm．

3 数值模拟验证

3.1 活动护栏的力学性能

刚性活动护栏由钢筋混凝土构成，其中：钢筋材质为HRB335钢，质量密度为7.85×103kg/m3，弹性模量为2×105MPa，屈服强度为335MPa，抗拉强度极限为455MPa，泊松比0.3，伸长率26.5%；混凝土材料的强度等级为C40，质量密度2.45×103kg/m3，弹性模量为3.25×104MPa，抗压强度极限为19.1MPa，抗拉强度极限为1.71MPa，泊松比0.2．

3.2 护栏模型的建立

仿真计算时，活动护栏的总长度按12节计、长度为24m，护栏的两端处理为固定端约束，即约束端面所有节点的自由度．根据设计图纸和钢筋混凝土材料的力学性能参数，建立了显式非线性的有限元分析数值模型．为提高计算精度，对仿真车辆模型与护栏接触碰撞区域的6节护栏进行了网格加密处理，如图2所示．

3.3 碰撞的车辆模型

为了确保碰撞模拟的准确性，本次模拟采用弹塑性本构关系建立大客车和小轿车的数值模型，模型的整体尺寸和行驶系统均通过拆解车辆按实际尺寸构建[11-15]．

图2 活动护栏的有限元局部模型Fig.2 Part FEmodelofmovablebarrier

大客车车体的长、宽、高分别为11 300mm、2 420mm、3 300mm，总质量为10 t．通过网格划分建立了大客车的弹塑性有限元模型，如图3所示，其中节点48592个、单元40850个．

图3 大客车有限元模型Fig.3 FEAmodelof thebus

小轿车的长、宽、高分别为4600mm、1630mm、1340mm，总质量为1.5 t．通过网格划分建立了小轿车的弹塑性有限元模型，如图4所示，其中节点26770个、单元28 771个．

图4 小车的有限元模型Fig.4 FEAmodelof the car

3.4 系统坐标系和接触条件设置

在仿真过程中，忽略路面的变形，把路面做刚性处理．碰撞系统坐标系以车辆行驶方向为纵向（x轴），车体宽度方向为横向（y轴），垂直地面向上为竖向（z轴），并且3个坐标轴之间符合右手法则．

本次仿真过程中的接触类型均采用自动接触，共定义5个接触对，即：1）车辆自身接触；2）车轮与路面间；3）车辆与护栏间；4）护栏与路面间；5）企口式护栏间．

3.5 模拟仿真计算结果

3.5.1 大客车碰撞仿真结果

与活动护栏发生碰撞后，大客车没有发生穿越、翻越和骑跨活动护栏现象；碰撞后大客车未发生偏转、翻转、掉头等现象，仍然保持正常的行驶姿态；碰撞后大客车的驶出角度为9.6°，小于驶入角度20°的60%；活动护栏的最大动态变形量为76mm，小于允许值100mm；碰撞后大客车车体基本保持完整，仅前保险杠脱落，其重心处x、y、z 3个方向的加速度10ms平均值分别为18.1 g、17.1 g、11.1 g均小于20倍重力加速度．上述模拟碰撞结果均满足现行标准和规范的要求，表明刚性混凝土企口式活动护栏对大客车具有良好的防护和导向能力[1-3,6-15]．碰撞过程中车体重心3方向加速度10ms间隔平均值随时间变化曲线如图5所示．

图5 车体重心节点X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值曲线Fig.5 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of busatgravity center

3.5.2 小轿车碰撞仿真结果

小轿车与活动护栏发生碰撞后未出现穿越、翻越、骑跨、下穿活动护栏情况；碰撞后小轿车未发生横转、翻转和掉头现象，能够保持正常的行驶姿态；小轿车的驶出角度为10.3°，小于驶入角度20°的60%；活动护栏的最大动态变形量为61 mm，小于允许值100 mm；碰撞后未发生部件脱落现象，车辆保持完整，车体重心处x、y、z3向加速度10ms平均值的最大值分别为18.6 g、17.7 g、15.4 g，均小于20倍重力加速度．碰撞结果均满足相关规范的要求，表明活动护栏对小轿车具有良好的防护能力和导向作用．碰撞过程中车体重心3方向加速度10ms平均值随时间变化曲线如图6所示．

3.5.3 不同碰撞角度对车辆运行轨迹的影响

考虑到高速公路上交通事故的多样性，事故车辆会以不同角度与活动护栏发生碰撞，选取10°、15°、20°、25°、30°5种不同角度，研究在大客车以不同碰撞角度和活动护栏发生碰撞过程中，车体重心加速度的变化情况，如图7所示．

由图7中车辆重心3向加速度10ms平均值随大客车碰撞角度的变化曲线可以看出：X方向即车辆行进方向的加速度几乎不受碰撞角度改变的影响；Y方向即车宽方向的加速度随碰撞角度的增大并不是线性增大关系，而是先增大到碰撞角度为20°时，取极值后再随碰撞角度的增加而减小的变化规律；Z方向即车高方向随着碰撞角度增大而线性增加的关系，这是因为随碰撞角度的增加，车辆爬升护栏的高度增加，因此Z方向亦增大．

图6 小轿车车体重心节点X，Y，Z 3方向10ms平均加速度曲线Fig.6 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of caratgravity center

图7 X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值随大客车碰撞角度变化曲线Fig.7 Averageacceleration in 10ms curveof busatgravity center changed with the impactangle

4 结论

依据现行规范的评价标准，利用显式非线性有限元软件LS-DYNA，对刚性混凝土活动护栏的防撞能力及各安全性能指标进行了模拟碰撞试验，证明活动护栏不仅能满足Am级防撞等级的防护要求[10]，还具有移动灵活、开启和安装方便等特点．

1）刚性混凝土企口式活动护栏采用了方便拆装的分段式结构；段与段之间通过企口连接成整体，每段通过螺杆与地面预埋螺母形成固定连接，保证其防撞能力．每段安装2个高度可调的万向轮，在旋转出螺纹连接的立柱后，每节活动护栏可以方便推走．

2）刚性混凝土企口式活动护栏对2种车辆均具有较好的防护和导向能力．

3）刚性混凝土企口式活动护栏对于车辆乘员具有良好的安全保护：车辆重心处x，y，z加速度10ms平均值均小于20倍重力加速度，符合标准及规范要求．

4）在初始碰撞速度（60 km/h）不变的情况下：纵向（x方向）加速度受碰撞角度的影响不大；横向（y方向）加速度随碰撞角度增大先增加后减小，且在碰撞角度为20°时取极值；竖向（z方向）加速度峰值随着碰撞角度的增大而线性增加．

[1]交通部公路科学研究院．JTG/T F83*01-2004，高速公路护栏安全性能评价标准 [S]．北京：人民交通出版社，2004．

[2]交通部公路科学研究院．JTGD81-2006，公路交通安全设施设计细则 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[3]交通部公路科学研究院．JTGD81-2006，公路交通安全设施设计规范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[4]王宏伟，贾日学，王彦卿，等．沪宁高速公路安全体系和中分带开口护栏研究 [J]．现代交通技术，2006，5（5）：95-98．

[5]梁亚平，马亮，闫书明．新型链式混凝土防撞活动护栏开发 [J]．特种结构，2011，28（5）：87-90，100．

[6]侯德藻，李勇，杨曼娟，等．高速公路组合型波形板活动式钢护栏开发 [J]．公路交通科技，2011，28（9）：136-141．

[7]闫书明，白书锋．钢管预应力索防撞活动护栏开发 [J]．交通运输工程学报，2010，10（2）：41-45．

[8]闫书明．防撞活动护栏碰撞分析 [J]．武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2013，37（5）：1046-1050．

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[11]魏彬．新型高度可调节公路防撞护栏研究 [D]．天津：河北工业大学，2012．

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[责任编辑 田 丰 夏红梅]

Impactsimulation ofmedianmovablebarrierson expressways

FANMuhui1，LIU Qiaohui1，SUN Zhaoyan1，QIEYanhui1，CUIHongjun2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300130,China;2.SchoolofCivilEngineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

A new type of rigid concretemovablebarrier to installat the opening ofmedianwasdeveloped.Based on the requirementofcurrentspecification,theexplicitfiniteelementmodelofmovablebarrierwassetup andwasused forsimulation ofnonlinear impactprocessof the full-scalevehiclewith themovablebarrierby the FEA software,LS-DYNA.The resultshows that the impactenergy of themovable barrierexceeded 160 kJ,which couldmeet the Am impactgrade;all of the safety performance parametersof themovablebarriermeetwith the requirementsof the currentspecification;with the increase of impactangle,the accelerations of vehicle center of gravity in three directionsare notcorrespondingly increased,but longitudinalacceleration basically constantacceleration,lateralacceleration increased linearly,and vertical acceleration increased firstand then decreased with the variation.

movable barrier;finiteelementanalysis;protection capability;impactangle

U417

A

1007-2373(2016)01-0027-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.005

2015-06-02

河北省自然科学基金（E2013202228）

范慕辉（1960-），女（汉族），教授，博士．

：郄彦辉（1976-），男（汉族），副教授，博士．

数字出版日期：2016-02-27数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160227.1609.004.htm l