公路护栏碰撞分析及探讨

黄赞华

摘要：随着我国公路里程数和车辆保有量日益增长，道路交通事故中的公路护栏碰撞问题也层出不穷，迫切需要对交通安全设施工程进行专项研究。文章通过分析公路护栏问题存在的现状，研究国内外护栏规范水平差异、设计原则及影响因素，分析了护栏碰撞问题囊括的运动学、动量定理、质量及能量守恒法公式，并对车辆碰撞公路护栏的数值模拟进行研究，得出评价及建议，研究成果可为交安工程设计和施工提供参考。

关键词：公路;交安工程;护栏;碰撞分析

中国分类号：U491.5+9文献标识码：A

0 引言

根据调研，截至2019年，我国的公路总里程约为484.65万km，高速公路约为14.26万km，位居世界之首。然而，尽管我国的公路事故指标（事故发生数、死亡数、受伤数、直接财产损失）得到有效控制，但是在普通干线公路上的事故中约有45%是车辆越出道路引起的，而在高速公路中则为30%，同时产生的特大及重大恶性交通事故比例为60%。我国交通事故造成的死亡人数达到全世界的1/7，由车辆碰撞公路路侧死亡人数约为1/3，且人数每年增加，均为护栏碰撞事故。

鉴于护栏的碰撞问题显著，较多学者对此进行研究。黄红武[1]通过计算机仿真建立汽车与护栏碰撞的模型，设置不同的碰撞条件，系统研究轿车与护栏发生碰撞时破坏特性和人员的动态响应，根据仿真结果提出一种护栏立柱结构;毛娟娟[2]通过有限元仿真建立客车与护栏的碰撞仿真模型，模型考虑客车的几何尺寸和护栏的连接方式等参数，对BHI型防阻块半刚性三波护栏结构进行安全性能评估，分析客车与护栏碰撞对护栏的影响，提出增加防阻块的横向尺寸和增加立柱厚度能提高护栏的防护能力;朱超等[3]通过在护栏立柱上设置多个螺孔来调节护栏的高度;杨立伟等[4]基于SA级钢护栏的设计基础设计新型波形梁护栏，该新型护栏经过碰撞试验，各项安全指标满足设计需求，并用于张承高速公路;张朝旭和郭世永[5]对车辆在相同初速度下以不同角度与护栏进行碰撞仿真试验，得出m型护栏在车辆与护栏发生碰撞时对车体的拦阻和保护效果较好。同时，关于公路护栏方面的设计、施工规范还存在纰漏，碰撞评判指标不够系统全面，需要进一步研究。

1 公路护栏碰撞现状分析

1.1 国内外护栏研究水平

护栏是一种障碍物，是交通安全设施，作为公路工程重要的基础设施，逐渐地成为高速公路的重要维护和安全保障措施。设置护栏的主要目的是阻挡碰撞能量小于或等于设计防护能量的碰撞车辆并导正其行驶方向。高速公路、一级公路、二级公路一般设置SB级、A级防护等级的三波护栏，其由三波钢护栏板、防阻块、立柱、拼接螺栓、连接螺栓等组成;而低等级道路如三、四级公路设置B级、C级的二波护栏，不设置防阻块。

关于护栏的应用，在交通运输建设期，较多学者就进行了大量的研究，取得了丰富的科研及工程应用成果。如19世纪50年代，美国通过交通工程科研委员会公布了世界上第一项关于护栏碰撞试验的准则[6]。

然而，我國于19世纪70年代才开始研究护栏设施，并于1984年提出了第一个适用于我国公路条件的护栏结构。由于科研资源匮乏，未开展相关系统的研究，只是直接借鉴了国外的护栏标准及形式，因此我国护栏存在一系列问题：如护栏的样式较少;可选择性较差;各类功能较为单一等。同时，我国车型和交通规则与国外的标准有所不同。综上所述，目前国内较少护栏能够完全、合理地满足我国的交通工程要求。

1.2 护栏设计的原则问题

护栏实际净区宽度较小，当净区宽度小于计算净区宽度，且车辆碰撞护栏驶出公路比不设护栏驶出公路损害小时，应考虑在公路设置护栏。护栏的设置还应考虑工程经济性。

通过合理的公路工程设计将驶出路外的事故影响降至最低，消除那些可能产生致命后果的因素，设置护栏只是降低驶出路外事故后果的方法或手段之一。护栏并不是设置得越多越好、强度越高越好，因为护栏本身也是一种障碍物，只有当驶出路外的车辆碰撞障碍物与碰撞护栏相比，后果更严重，才考虑设置护栏。人的生命无价，但即使是发达国家，是否设置护栏也是基于工程经济分析结果，而更少考虑人身安全。据此，护栏设计需要经过大量研究，综合考虑安全与经济原则。

1.3 护栏设计的影响因素

护栏设计时考虑的因素，主要是预估车辆驶出路外事故的风险。驶出路外的风险与事故概率及事故严重程度有关。具体驶出路外的风险评估，各地可根据已有公路的条件、事故的情况进行论证分析，逐步建立和使用本地的风险评估模型及参数。

设计时应考虑下列影响因素：路侧或中间带实际净区宽度是否满足计算净区宽度要求;不能满足计算净区宽度要求时，路侧或中央分隔带障碍物的情况;不能满足计算净区宽度要求时，设计交通量、设计速度、总质量≥25 t的货车比例、路段线形条件等;满足计算净区宽度要求时，路侧邻近位置是否存在悬崖、深谷、深沟等危险地形，中央分隔带是否采取了防止车辆驶入对向车道的处置措施;同时还应考虑护栏的成本效益比，并与周边环境相协调。

需要指出的是，对于满足计算净区宽度要求的路段，如存在悬崖等危险条件，仍需根据公路路线线形、交通量、车型构成以及计算净区宽度外风险源的位置等因素进行交通安全综合分析，以确定是否需要设置护栏。此外，路侧有高速铁路、高压输电线塔等时，护栏的设置还需要符合国家相关法律法规的规定。

2 碰撞原理研究

通过确定汽车与护栏端头碰撞仿真试验的条件，介绍汽车与护栏端头碰撞能量衰减装置仿真分析涉及的理论，包括控制方程、单元类型的选择、时间积分的算法以及碰撞试验过程中的沙漏控制方法等，确定本文对汽车与护栏端头碰撞仿真试验采用的各种算法及方法。

2.1 运动方程[7]

3 碰撞评价分析及建议

由碰撞仿真结果，采用几个评价指标对双波形梁护栏进行防撞评价。采用的评价指标分别是：车辆方面采用《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）（以下简称标准B05）规定;人员方面采用《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2017）（以下简称标准D81）规定;护栏方面采用标准B05规定。上述标准结合仿真可对防控指标进一步量化及优化如下：

3.1 车辆方面

汽车与公路护栏发生碰撞时，根据标准B05，护栏应能够阻挡车辆穿越、翻越和骑跨，车辆碰撞后不得翻车。

3.2 人员方面

根据标准D81的规定，乘员碰撞速度的纵向和横向分量均≤12 m/s，乘员碰撞后加速度的纵向与横向分量加速度≤200 m/s2。

3.3 护栏方面

根据B05规定，护栏构件及其脱离件不得侵入车辆乘员舱。在碰撞发生时，通过以上指标对护栏进行评估，如碰撞不能达到以上指标要求，即护栏安全性能达不到要求。

基于正交试验法通过上述研究，得出的建议可为公路工程护栏设计及优化提供参考。

4 结语

通过研究公路交通安全工程护栏设施，分析目前存在的问题，探讨护栏碰撞原理，研究护栏碰撞模拟，得出以下结论：

（1）我国护栏的样式较少，各类功能较为单一，较少护栏能够完全满足要求。护栏的设计除了权衡安全与经济原则的同时，应考虑影响因素：路侧或中间带实际净区宽度应满足计算净区宽度要求;路侧或中央分隔带障碍物、设计交通量、设计速度、总质量≥25 t的货车比例、路段线形条件、不良地质条件及环境等因素。

（2）护栏碰撞原理基于运动方程、动量方程、质量及能量守恒方程，结合面力和位移边界条件，进行离散公式转换，推演碰撞机理公式。

（3）车辆与三波形梁护栏进行仿真模拟碰撞试验，得出车辆的加速度较大，大于标准D81的规定的数值，加速度较大使乘员受伤，使得护栏的防护性能较差，从而引起严重伤亡事故，护栏达不到B05标准的要求。同时根据仿真结果可对双波形梁护栏进行优化，性能有较大提高。

参考文献：

[1]黄红武.轿车与高速公路护栏碰撞事故分析及仿真研究[D].长沙：湖南大学，2003.

[2]毛娟娟.客车与半刚性护栏碰撞的有限元分析与模拟[D].大连：大连理工大学，2008.

[3]朱 超，邵毅明，周 莎，等.新形势下道路安全护栏发展现状与趋势研究[J].公路与汽运，2011（4）：83-86.

[4]杨立伟，朱艳艳，朱 玉，等.新型波形梁护栏的开发及应用研究[J].公路，2018，63（11）：215-219.

[5]张朝旭，郭世永.基于LS-DYNA的车辆与道路中央护栏碰撞仿真研究[J].农业装备与车辆工程，2019，57（5）：66-69.

[6]伊 政.高速公路波形梁护栏碰撞仿真研究及其优化[D].长沙：湖南大学，2014.

[7]姚 疆.汽车护栏系統碰撞仿真研究[D].重庆：重庆理工大学，2010.

[8]Poux A，Glockner S，Azaiez M.Improvements on open and traction boundary conditions for Navier-Stokes time-splitting methods[J].Journal of Computational Physics，2011，230（10）：4 011-4 027.

[9]Gross M R，Engelder T.Strain accommodated by brittle failure in adjacent units of the Monterey Formation，USA：scale effects and evidence for uniform displacement boundary conditions[J].Journal of Structural Geology，1995，17（9）：1 303-1 318.

[10]王希杰.汽车侧面碰撞安全性能分析与优化[D].重庆：重庆理工大学，2012.