西藏国省干线的波形梁护栏碰撞安全性分析

柳 甜，朱自成

（西安中交公路岩土工程有限责任公司，陕西 西安 710075）

随着近年来西藏地区公路交通的深入发展，客运车辆迅速增多，各种交通事故频繁发生，2014年8月9日以及8月18日西藏自治区境内国道318线相继发生两起特大交通事故，共造成47人遇难、13人失踪、40人受伤。事故发生后，自治区党委、政府高度重视，为深入贯彻党的十八大和十八大三中、四中全会精神，贯彻落实习近平总书记系列重要讲话精神，落实国务院的决策部署，牢固树立以人文本、安全发展的理念，坚守发展决不能以牺牲人的生命为代价的红线意识，以防事故、保畅通为目标，以落实安全生产责任为主线，以加强基层基础建设为抓手，坚持公路建设、养护、安全并举，紧紧抓住公路安全这一工作重心；按照“消除存量、不添增量、动态排查”方针，大力整治公路安全隐患，不断完善安全设施，依法强化综合治理，全面提升公路安全服务水平，促进全区道路交通安全形势持续稳定好转，因此其道路安全性也愈发受到重视。

由于西藏地区地形地质条件较差，大部分道路等级较低，同时因山高水急、路窄谷狭，一旦发生路侧交通安全事故，很可能引发二次事故，其危险性也更严重。从防患于未然的角度出发，应合理准确地预测事故发生时的状态，安全经济地进行防护设施的设计施工。安防设施众多，其中护栏对于公路交通安全的重要性不言而喻，而路侧波形梁护栏的使用是最多的，其也是半刚性防护的典型代表型式。依据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）将路侧防撞等级由低到高分为C、B、A、SB、SA、SS六级，分别对应不同的碰撞能量。在发生碰撞时，波形梁护栏可以通过允许变形量吸收碰撞能量以保证车辆及司乘人员的安全，并使车辆安全停车或以安全的角度回到路面。《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中也明确给出了边坡、路堤高度与设置护栏的关系和路基护栏防撞等级适用条件等，能够满足一般交通安全设计的使用。对于规范中结论性或原则性的要求，需要更多过程性的数据作为支撑参考，对其研究则是多多益善，以使规范更科学、准确、合理。文章拟对车辆碰撞护栏的过程中的一些状态进行分析研究，力求获得更准确的过程量或界限值，为波形梁护栏的设计实施提供一些参考。

1 碰撞研究对象

（1）实际波形梁护栏的设置型式和位置。护栏一般构造图中提出了土基坡顶宽度、边坡坡度、立柱的埋入深度和地基材料等支撑条件。现场条件上述参数不同时，应检查所在位置的设置条件和基础状况，对承载能力小的基础进行改善。护栏设置于路肩的位置形式如图1（a）所示。对于路肩宽度仅为50cm的路段，内侧护栏需保证建筑限界不能被侵占的要求，外侧护栏立柱需保证保护层厚度的要求。图1（a）为护栏设置于土路肩宽度为50cm的情况，其明显不能满足立柱外侧保护层厚度25cm的要求。对于路侧路基压实度不能满足现行《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）中对路基路床压实度要求时，或立柱外侧土路肩保护层厚度＜25cm时，宜采用如图1（b）所示的独立混凝土基础形式。

（2）碰撞模型假设。车辆在与护栏碰撞的前、中、后过程中，会有一些状态量的改变，为了方便计算，在不影响最终结果或可忽略不计的情况下，应当做一些合理的假设，而后选取合适的参数及其量值进行与护栏碰撞前后的分析比较。下述是在安全角度和微量忽略不计的情况下引用规范的假设：①从车辆碰撞护栏起到车辆改变方向平行于护栏止，车辆的纵向和横向加速度不变，竖向加速度和转动加速度忽略不计；②车辆在改变方向时不发生绊阻，车辆改变方向平行于护栏时车辆的横向速度分量为0；③车辆近似为质点运动，车辆碰撞护栏期间容许车辆发生变形，但车辆重心位置不变；④车辆与护栏、车轮与公路的摩擦力忽略不计；⑤波形梁护栏的变形值Z＞0，护栏连续设置。

（3）部分参数选取。规范的编制依据于大量的事实经验和科学的试验数据，具有普遍的参考和指导意义。《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）对于护栏设置原则和条件作出明确的细化区分，对于不同等级的护栏给出了详细的各项指标。如波形梁护栏，除了具体的构型尺寸和设置要求，还给出了不同防护等级下可吸收的碰撞能量、不同车型在不同防撞等级下的对应的护栏最大横向动态外延值和车辆最大动态外倾当量值、说明了波形梁护栏强度和立柱刚度、土的承载力及梁的抗拉强度的关系等。《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）中给出了混凝土护栏所受碰撞荷载分布和碰撞力，金属梁护栏横梁拼接处的设计拉力值，公路护栏碰撞条件，部分被调查公路的碰撞角度特征统计量汇总表，干线公路不同车型车辆占有率、平均车速汇总表以及其典型车型的车速统计、设计速度与碰撞速度取值表等。文章选取在西藏地区常用的路基波形梁护栏时，依据规范选择碰撞基础条件：三级道路，B级护栏（立柱φ114mm×4.5mm，无防阻块，可吸收能量为70kJ）；碰撞车辆为小型客车（此类车辆在道路上占有率最高），碰撞速度为60km/h，由于碰撞发生的反应时间和反应距离极短，紧急刹车轮胎抱死时（刹车为负）的加速度一般最大为-8m/s2，故此处暂不考虑制动工况（制动下的安全性自然高一些）；碰撞角度最大选取25°（观测值≤25°的约为一般调查统计的85%）。

图1 护栏典型设置图（单位：mm）

2 车辆与护栏碰撞过程的状态分析

2.1 碰撞过程分析

碰撞发生的过程是短暂而剧烈的，车辆与护栏发生接触冲撞后，金属波形梁护栏在极短时间内达到弹性应力最大值，在这个过程中产生最大横向冲击力，之后波形梁护栏进入屈服塑性变形阶段，吸收部分碰撞能量，达到屈服应力迫使车辆停止运动或沿护栏转向，重新回到地面沿路线方向。碰撞完成后，若车辆变形受损严重，将使车辆损坏至不能开动和危及乘员安全，阻碍影响后续交通。

在这个过程中，应保证护栏的力学稳定性和安全性，及车辆和乘员的安全性。需要界定3个能量及其关系：一是车辆与护栏发生碰撞所产生的总碰撞能量E总，这主要由碰撞时车辆质量和碰撞速度决定；二是在碰撞中车辆将产生变形，吸收较大的一部分碰撞能量E车，此限度应保证人车安全；三是护栏能够吸收的碰撞能量E护栏。设置护栏时，其外侧多为坡谷沟河或有构造物等需要保护，其净宽有一定的限制，所以细则中给出了不同型式级别护栏的最大横向动态位移外延值（W，m）和车辆最大动态外倾当量值（VIn，m），这从客观上决定了护栏的变形是有限度的，加上金属波形梁护栏本身塑性变形能力有限，所以护栏在整体上吸收碰撞能量也是有限的。另外，碰撞前车辆的制动、碰撞摩擦时热量的散失等也会抵消一部分碰撞能量，这些量值相对较小或难以准确计算，记为E热，虽忽略不计，却可以作为富余量提高安全性。所以在设计时，应尽可能提高护栏每单位变形量吸收碰撞能量的能力，合理限制车辆行驶速度，保证E总＜E车+E护栏+（o）E热。

2.2 碰撞安全性验算

在无条件时，护栏一般选取混凝土基础，其形状规格为0.5m×0.5m×0.6m（高度d×长度L×宽度b）。

根据规范《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）式（3-2）计算碰撞横向荷载，根据设计公路等级参考规范《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05—01—2013）表5—6取小型客车参数为m=2t、长5m、宽1.8m、碰撞速度60km/h、碰撞角25°。

（1）碰撞横向荷载。

由8Pe=F横max，得Pe=6.946kN。式中：F横max为车辆作用在护栏上的最大横向碰撞力，kN；m为车辆质量，kg；V为车辆的碰撞速度，m/s；θ为车辆碰撞角度，°；C为车辆重心至前保险杠之间的距离，m；b为车辆的宽度，m；Z为护栏的横向变形，m。撞击力分布图如图2所示。

图2 撞击力分布图

（2）基础稳定性验算。稳定性计算图示如图3所示。作用点高度h=0.5m；外力矩Me=pe×（h+d）=0.946kPa。地基和混凝土的相关参数：土的内部摩擦角φ=25°，主动土压系数Ka=0.406；被动土压系数Kp=2.464，土和混凝土的摩擦系数μ=0.6；基地容许应力[σ]=350kPa；土的密度γs=18kN/m3；混凝土的密度γc=25kN/m3；基础抗滑动稳定系数sf=1.2；基础抗倾覆稳定系数s0=1.2。①基础滑动稳定性验算。自重的摩擦阻力：pw=μWc=μ×d×L×b×γc=0.6×0.5×0.5×0.6×25=2.25kN。单侧侧向主动土压力：Pa=Ka×γs×d×L/2=0.406×18×0.5×0.5/2=0.9135kN。单侧侧向主动土压力的摩阻力：Pf=μpa=μ×Ka×γs×d×L/2=0.6×0.9135=0.5481kN。前面被动土压力：pp=Kp×γs×b×d/2=2.464×18×0.6×0.5/2= 6.6528kN。相对于滑动的阻力：Pγ=Pw+2pf+PP=2.25+2×0.5481+6.6528=9.999kN。相对于滑动的稳定性评价：sf×pe=1.2×6.946=7.983＜Pγ。满足抗滑稳定性。②基础倾覆稳定性验算。基底至压力最大一边的边缘的距离：Y=L/2=0.25m。外力合力偏心距：Mp=Pp×d/3=1.1088kN·m。Mf=Pf×d/3=0.0914kN·m。e0=Me-Mp-2Mf/Wc=1.51m。抗倾覆稳定系数：K0=y/e0=0.17＜s0。满足抗倾覆稳定性。③基底应力验算。M=Me-Mp-2Mf=5.6544kPa。σ=Wc/L×b+6M/L×b=125.588kPa＜[σ]。基底应力满足要求。

（3）碰撞能量转换。车辆所具有的动能：E=1/2mv2=2×103×602/（2×3.62）≈278kJ。

根据规范无防阻块的B级护栏吸收碰撞能量为70kJ；根据已有实车足尺碰撞试验结论认为当乘员侧面碰撞速度＜12m/s，或正面碰撞速度＜15m/s，且加速度＜15g时，则乘员安全。以2t车辆为例，对应的乘员保证安全情况下可接受的剩余碰撞能量为225kJ，则E车+E护栏=225+70=295kJ＞278kJ=E，略大于碰撞时所具有的动能。其中，车辆承受了较大部分的碰撞能量，护栏吸收较少的一部分，另外有较小一部分转化为热能散失。总体认为其满足安全要求，且最大经济性地利用了护栏的防护性能。

图3 稳定性计算图示

3 结论

现有护栏碰撞分析方法主要采用实车足尺碰撞试验和LS-DNYA计算机仿真模拟的方法。文章借鉴前人试验方法和相关结论对于西藏地区现行国道三级公路路侧B级波形梁护栏的碰撞安全性，以在较高车速60km/h和较大碰撞角25°的条件下进行了分析验算，均满足安全性要求。

4 问题与建议

查阅现有相关规范和同行著作，发现规范中有混凝土护栏的碰撞荷载分布却无波形梁护栏碰撞荷载分布的相关研究。笔者认为广大同行可对此进行研究完善，加深对波形梁护栏的发展提供助力安全防护性能的认识。

同等级下的波形梁护栏，立柱间距的不同，其防护效果不同。小间距立柱布置除在线形上适用于小半径曲线外，在防护上适用于危险性较大地段，由于立柱分布相对密集，其防撞力高，横梁变形小，可有效限制护栏外移破坏，同时给予碰撞车辆以较大的作用力；大间距立柱布置则与此相反，受碰撞时损坏变形较大，但可给予碰撞车辆更多的位移值缓冲。故在实际设计施工中，不宜一刀切采用同种设计，应根据实际情况，因地制宜，分别布置。