可开启移动式公路防撞护栏研发∗

吴育谦 刘思源 杨立华 龚帅 闫书明

(1.广东省南粤交通怀阳高速公路管理中心 广州510100；2.北京华路安交通科技有限公司 100070)

引言

目前国内使用较多的可开启移动式护栏基本不具备防撞能力[1]，仿真计算结果显示，建立的小轿车有限元模型能够直接穿越护栏[2-4](图1)。 在公路交通事故调查中发现，这类事故已经发生过很多起，其中不乏大型车辆穿越护栏后驶入对向车道造成严重二次事故的案例(图2)。 而国内部分相关研究成果为提升护栏防撞性，牺牲了结构的开启移动方便性，存在不足。

图1 小轿车模型穿越护栏Fig.1 Car crossing barriers

图2 车辆穿越护栏导致的二次事故Fig.2 The secondary accidents caused by vehicle crossing barrier

国外开展防撞护栏研究相对较早，开发出了一批可开启移动式防撞护栏设施，并在实际工程中应用，其中典型结构包括组合波形梁开启移动式护栏和迷你型开启移动式护栏，如图3 所示。这两种活动护栏结构均进行过实车碰撞试验检验，具有一定的安全防撞性能，但前者造价较高、结构笨重，需要专门的特种车辆辅助移动安装，而后者的碰撞试验检测数据显示，车辆碰撞过程中护栏存在较大变形，最大横向动态变形值达到了3m 以上，由此可见，国外这两种护栏结构是否适合直接引进，还有待进一步论证。

图3 国外应用的可开启移动护栏Fig.3 The openable and movable barrier abroad

本文提出一种可开启移动式公路防撞护栏结构，并通过真实开启移动演示试验和实车足尺碰撞试验对其开启移动性能、安全防撞性能进行检验。

1 护栏结构设计

综合考虑护栏安全性、开启方便性、经济性及易维护性等多方面因素，可开启移动式防撞护栏设计采用钢结构形式，主要使用三波梁板等标准钢构件，护栏由框架单元和纵向连接构件组合而成。

1.1 框架单元结构设计

框架单元为一柱双板结构形式，采用标准长度三波板(长4.32m)，由波形梁板和下部横梁拼接而成，底部设置万向轮，方便移动； 波形板采用4mm 厚三波梁板，立柱为φ140 ×6mm型号，采用插拔式设计，方便开启和移动。 如图4 所示为可开启移动式公路防撞护栏框架单元节。

图4 可开启移动式护栏单元节Fig.4 Unit section of openable and movable barrier

1.2 框架纵向连接设计

框架之间需要采用合理的纵向连接方式，保证护栏整体具有良好的防护能力，以有效减少大车穿越、小车下穿以及碰撞过程中护栏变形过大的情况发生。 通过对现阶段波形横梁存在的纵向连接方式进行研究分析，提出同时满足安全和开启功能的纵向连接方案。

现有波形梁可开启护栏纵向连接方式主要有销连接、螺栓拼接和波形板搭接三大类，如图5所示。 其中螺栓拼接方式和波形板搭接方式都需要扳手拧开螺栓才能开启，效率较低，开启时间较长； 销连接方式则只需要拔开销子即可，方便开启。 基于以上分析，框架纵向连接采用销式连接设计，如图6 所示，框架单元端部采用45 号钢材质的M30 销子进行连接。

图5 波形梁可开启护栏常用纵向连接方式Fig.5 Common longitudinal connection of openable wave barrier

图6 可开启移动式护栏框架纵向连接Fig.6 The longitudinal connection of the openable and movable barrier frame

2 护栏开启移动功能试验

可开启移动式护栏开启流程为：提升立柱、旋转立柱、拔出销子和推出框架单元，如图7所示。

图7 开启流程Fig.7 The barrier opening process

为检测护栏开启移动实际效果，对加工完成的实物护栏进行开启移动演示试验。

2.1 试验过程

将加工成的可开启移动式护栏纵向连接成整体，并调好线型，然后将护栏端部进行固定处理。 如图8 所示为即将进行开启试验的护栏段。

图8 开启试验护栏Fig.8 The test barrier

试验过程由两名工人协作进行护栏结构开启和移动，且全程进行计时。 如图9 所示，工人首先提升、旋转立柱后将其固定(图9a)，再将连接销拔出(图9b)，然后推出护栏框架结构(图9c)，最后完成护栏开启移动(图9d)。

图9 试验过程Fig.9 The test process

2.2 试验结果

全部开启移动过程，由两名工人用时47s 即完成了三节护栏(长度约13m)的开启，而《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81 -2017)对这类可开启移动护栏的开启要求为：10min 开启10m 以上[5，6]。 可见护栏具有较好的开启移动功能，能够满足规范要求和实际使用需求。

3 护栏安全防撞功能试验

3.1 试验车辆与试验护栏

采用总重1.5t 速度100km/h 的小客车、总重10t 速度80km/h 的中型客车、总重18t 速度60km/h的大型货车三种车型分别以20°碰撞角度对可开启移动式护栏进行实车足尺碰撞试验[7]，评价其安全性。 图10 为试验车辆，小型客车、中型客车、大型货车三种试验车辆总成完整，试验车辆的各项系统及所对应的结构部件的技术参数满足车辆正常行驶的技术要求[8]； 车辆的各项标识满足试验数据采集的需要[8]； 车辆的结构尺寸、胎压、质量及配重等参数符合要求。 试验车辆碰撞条件的各项误差在《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)规定范围内，以保证试验车辆各项参数不影响护栏安全性能评价结果[9]。

图10 试验车辆Fig.10 The test vehicle

试验护栏根据设计图纸按1∶1 比例进行加工制作，完成后运送至专门的实车碰撞试验场，进行现场拼装。 如图11 所示为碰撞试验用护栏结构。

图11 试验用护栏结构Fig.11 The structure of test barrier

3.2 试验结果

图12 为车辆碰撞护栏行驶轨迹，可见车辆碰撞护栏后顺利导出，并恢复正常运行姿态，车辆没有穿越、翻越或骑跨试验护栏； 车辆驶出驶离点规定范围内没有越过导向驶出框。 验证了护栏对试验车辆拦截、导向效果良好。

图12 车辆行驶轨迹Fig.12 Vehicle running track

图13 为小客车碰撞可开启移动式护栏的乘员碰撞速度曲线，可见乘员碰撞速度的纵向和横向分量分别为3.5m/s 和6.0m/s，均小于 12m/s； 图 14为小客车碰撞可开启移动式护栏的乘员碰撞后加速度曲线，可见乘员碰撞后加速度的纵向和横向最大值分别为115.5m/s2和163.3m/s2，均小于200m/s2，满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)对护栏缓冲指标要求，说明试验护栏具有良好的乘员缓冲保护性能。

图13 乘员碰撞速度Fig.13 Occupant impact velocity

图14 乘员碰撞加速度Fig.14 Occupant ridedown acceleration

小客车碰撞护栏后前保险杠及车辆左前大灯有一定程度损坏，车辆左前部存在刮擦损坏现象； 相对于车辆，护栏没有明显变形，表1 和图15 所示为小客车碰撞后护栏和车辆变形参数及损坏图。 中型客车碰撞护栏后，车厢整体变形较小，仅右前门出现部分凹进变形现象，但车辆整体主要结构保持完整； 护栏波形梁板和下部横梁弯曲变形，插拔立柱有一定弯曲，表1 和图16所示为中客车碰撞后护栏和车辆变形参数及损坏图。 大货车碰撞护栏后，车厢变形较小，仅驾驶室左前方存在轻微凹进变形现象； 护栏波形梁板和底部横梁弯曲变形，插拔立柱向左侧弯曲，表1和图17 所示为大货车碰撞后护栏和车辆变形参数及损坏图。综合以上结果，试验护栏对车辆起到了良好的拦截、导向和缓冲功能，且护栏和车辆的变形均符合评价标准要求，护栏具有较好的安全防撞功能。

表1 护栏和车辆变形参数(单位：m)Tab.1 Barrier and vehicle deformation parameter(unit：m)

图15 小客车碰撞后护栏及车辆变形Fig.15 The deformation results of barrier and car

图16 中型客车碰撞后护栏及车辆变形Fig.16 The deformation results of barrier and bus

图17 大货车碰撞后护栏及车辆变形Fig.17 The deformation results of barrier and truck

4 结语

本文提出了一种兼具开启移动功能和安全防撞功能的可移动式防撞护栏新结构，护栏在两人协作情况下开启10m 以上长度用时不到1min，可实现快速开启移动功能； 护栏对小型客车、中型客车和大型货车三种车型均具有良好的拦截功能、导向功能和乘员缓冲保护功能，各项安全性指标均满足评价标准要求。 可开启移动式防撞护栏适用于有开启移动和安全防撞要求的公路位置，如公路中央分隔带开口位置、隧道洞口设置有配电房或管理站等房屋建筑工作站的路侧或中央分隔带位置。 该结构在公路上的应用，将大大提升相应路段安全水平。