高速公路旧波形梁护栏改造研究

刘 航,龚 帅,刘思源,邓 宝,王 新,闫书明,

(1.山东高速股份有限公司，山东 济南 250014；2.北京华路安交通科技有限公司，北京 100070)

0 引言

据统计，2006年国内高速公路总里程达到了4.1万 km，在这部分高速公路上安装的波形梁护栏大多是根据《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》(JTJ 074-94)(已废止，简称“94版规范”)进行设置，其中主要应用的波形梁护栏如图1(a)所示[1]。到2017年国内高速公路总里程达到了13.1万km，新增加约9万km，在这部分高速公路上安装的波形梁护栏是根据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2006)(已废止，简称“06版规范”)进行设置，其中主要应用的波形梁护栏结构如图1(b)所示[2]。可以看出目前我国大部分高速公路普遍使用的波形梁护栏为A级双波梁护栏结构。

(a) 按“94年版规范”建的护栏

(b) 按“2006年版规范”建的护栏

A级双波梁护栏在较长一段时期为保障高速公路的安全运营发挥了重要作用[3]，但随着我国公路网络化的形成，公路交通负荷与十几年前相比，交通流量和通行车辆发生了明显变化，主要表现为车辆向大型化、重型化发展[4]，导致护栏防护能力不足。同时国内许多高速公路改扩建工程中对路面进行加铺，导致波形梁护栏高度降低，更加剧了波形梁护栏防护能力的不足[5]，多种因素导致不少早期修建的高速公路波形梁护栏防护能力不能满足《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)(简称“新规范”)要求，需要进行升级改造[6]。

国内对于旧波形梁护栏的改造升级已进行过一些科学研究工作，如直接在既有波形横梁下方增加一层双波梁，期望提升其安全性能，但是通过试验验证小型车碰撞后尚不能正常导出，如图2中小客车发生橫转；还有的研究采用将立柱加高后，在原有波形板上层增加一层双波梁，改造为双层双波护栏[7]，防护等级可达到三(A)级，但是仅能满足部分高速公路护栏升级改造的需要。根据新规范有些路段需要设置更高等级的护栏[6-8]，而目前尚缺少基于旧波形梁护栏改造后达到较高等级护栏的研究。

图2 小客车碰撞护栏后未导出Figure 2 A car not export after impacting the barrier

结合国内现阶段双波梁护栏的使用现状，提出一种SB级波形梁护栏改造结构，并通过仿真计算与碰撞试验相结合的方法对护栏的防护能力进行检验，为其实际工程应用提供数据支撑。

1 改造波形梁护栏结构设计

1.1 改造前波形梁护栏结构

改造前的波梁护栏结构如图3所示，其结构特点为：双波波形梁板(310 mm×85 mm×3 mm)中心距地面高度为550 mm(路面加铺导致护栏高度低于标准值600 mm)，立柱(Φ140 mm×4.5 mm)间距2 m，波形梁板和立柱之间设置六角形防阻块(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)[6]，各结构之间通过10.8级M16螺栓进行连接。

图3 改造前波形梁护栏结构图(单位：mm)Figure 3 W-beam guardrail structure before modification (Units: mm)

1.2 改造方案

根据波形梁护栏的研究与工程使用经验，合理增加护栏高度和刚度，可以起到增强波形梁护栏安全防撞性能的重要作用，以此为出发点，提出基于旧波形梁护栏改造的SB级双层两波梁护栏结构(见图4)，其特点为：保持既有护栏结构不动，仅在原有立柱内增加Ф125 mm×5.5 mm内套管进行加高，同时在原有波形梁板上方增加一层4 mm双波梁，在上层波形梁和立柱内套管之间通过加强型矩形防阻块(192 mm×160 mm×200 mm×4.5 mm，见图5)进行连接，改造后的双层两波梁护栏结构其上层双波梁板中心距地面高度为930 mm。

图4 改造后波形梁护栏结构Figure 4 W-beam guardrail structure after modification

(a) 立面图

(b) 平面图

2 双层两波梁护栏安全性能仿真分析

2.1 仿真分析理论基础

车辆碰撞护栏属于接触-碰撞问题，其动力学方程[11]：

(1)

式中：V为接触系统所占空间;σi为内应力；εv为虚应变；S为除接触摩擦力的外力表面；Fe为外力；uv为虚位移；Sc为接触表面；Fef为接触摩擦力；ur为两个点的相对虚位移；ρ为密度；α为加速度。

对公式(1)离散得到等效弱形式：

(2)

利用中心差分法对公式(2)积分，其算法为：

(3)

(4)

(5)

2.2 仿真模型与可靠性验证

2.2.1建立碰撞模型

按照现行公路护栏安全性能评价标准中四(SB)级碰撞条件[12](见表1)，分别建立小客车、大客车、大货车撞击双层两波梁护栏碰撞模型，如图6所示。由于车体和护栏结构大多为金属板壳，故碰撞模型以四边形二维壳单元为主进行建模，并控制三角形壳单元不超过模型中单元总数的5%；护栏梁柱结构之间采用梁单元连接；车辆与护栏发生相互撞击的部分采用基于惩罚函数法的接触方式处理。

表1 碰撞条件Table 1 Impact conditions碰撞车型碰撞速度/(km·h-1)车辆总质量/t碰撞角度/(°)小客车1001.520大客车8010.020大货车6018.020

(a) 小客车

(b) 大客车

(c) 大货车

2.2.2可靠性验证

通过与实车碰撞试验数据对比以及能量分析的方式对碰撞模型的精度进行验证。

图7为撞击双层两波形梁护栏的结果，可见小客车碰撞后下层两波板变形较大，上层两波板变形较小，表明下层梁板对于小型客车防撞起主要作用；大型车辆撞击后，上、下层两波板变形较为平顺，表明上下两层梁板协同对于大型车起到有效防护；计算机仿真计算结果与试验结果基本一致。在撞击试验中，通过高速摄像机记录得到小客车、大客车和大货车碰撞双层两波梁护栏的最大横向动态变形值分别为200、1 350和850 mm，图8为碰撞模型输出的最大横向动态变形点位移时程曲线。小客车、大客车和大货车碰撞护栏最大动态变形量仿真值与试验值误差分别为1.62%、3.34%和4.26%。

(a)小客车碰撞护栏变形

(b)大客车碰撞护栏变形

(c)大货车碰撞护栏变形

图8 最大横向动态变形点位移时程曲线Figure 8 Displacement time-history curve of the maximum transverse dynamic deformation point

通过提取碰撞能量时程曲线，发现碰撞过程中动能逐步减小，变形能与界面能逐渐增加，总能量不变，符合热力学第一定律(即能量守恒定律)，单点高斯积分产生的伪变性能未超过总变形能的10%，满足仿真精度需求[7]。图9为小客车碰撞模型中提取的能量曲线，大客车与大货车碰撞能量曲线与图9规律相同。

图9 碰撞能量曲线Figure 9 Collision energy curve

2.3 仿真分析结果

采用经过验证的计算机仿真模型对双层两波梁护栏结构进行安全性能评估[7]。表2为双层两波梁护栏对3种车型防护效果的仿真分析结果。

表2 仿真分析结果Table 2 Simulation results碰撞车型碰撞结果小客车无穿越和下穿现象,成功阻挡并导出车辆。大客车无穿越、翻越、骑跨现象,成功阻挡并导出车辆。大货车无穿越、翻越、骑跨现象,成功阻挡并导出车辆。

通过计算机仿真的方法对双层两波梁护栏进行安全性评估得出，双层两波梁护栏的各项防护性能指标较优，均满足评价标准要求，为后续采用实车足尺碰撞试验对双层两波梁护栏进行安全性能评价奠定了基础。

3 双层两波梁护栏安全防撞功能试验

3.1 试验车辆与试验护栏

选取20°角作为碰撞角度，采用1.5 t重小客车碰撞速度100 km/h，10 t重大客车碰撞速度80 km/h，18 t重大货车碰撞速度60 km/h对双层两波梁护栏进行实车足尺碰撞试验，评价其安全性[12]，试验车辆如图10所示。

(a)小型客车

(b)中型客车

(c)大型货车

根据设计图纸按1∶1比例对双层两波梁护栏零部件进行加工制作，完成加工后运送至专门的实车碰撞试验场，进行现场安装。图11为安装后试验护栏。

图11 试验用护栏

3.2 试验结果

a.小客车。

小车试验结果显示：车辆与护栏发生碰撞后可以正常驶出，护栏的导向和拦截功能良好[12]，图12为小客车碰撞试验护栏运动轨迹；乘员碰撞速度与乘员碰撞后加速度横向分量均比纵向分量大，其中乘员碰撞速度横向最大值为5.3 m/s2，乘员碰撞后加速度横向最大值为139.1 m/s2，均符合评价指标要求，说明护栏消能缓冲效果良好[12]，图13为小客车碰撞试验护栏的缓冲性能曲线。此外，车辆碰撞护栏后，其内部座椅无损坏，车门能正常打开；但车辆前保险杠损坏，前大灯破裂，车体左侧前段有损坏变形，车辆前桥亦发生损坏；试验护栏残余变形不大。如图14所示为小客车与护栏碰撞后车辆和护栏损坏情况，检测指标结果如下：护拦

图12 小客车轨迹图Figure 12 Trajectory diagram of the car

(a) 乘员碰撞速度横向分量曲线

(b) 乘员碰撞加速度横向分量曲线

图14 小客车碰撞后护栏及车辆变形图

最大横向动态变形值0.20 m，护拦最大横向动态位移外延值0.55 m。

b.大客车。

大客车试验结果显示：车辆与护栏发生碰撞后可以正常驶出，护栏的导正和阻挡作用良好[12]，图15为大客车碰撞试验护栏的运动轨迹。车辆碰撞护栏后碰撞侧车体损坏变形，制动系统完好，车门能自由打开；试验护栏的残余变形较大。如图16所示为大客车与护栏碰撞后车辆和护栏的损坏情况，检测指标结果如下：护拦最大横向动态变形值1.35 m,护拦最大横向动态位移外延值1.70 m，车辆最大动态外倾值为1.75 m，车辆最大动态外倾值2.20 m。

图15 大客车轨迹图Figure 15 Trajectory diagram of the bus

图16 大客车碰撞后护栏及车辆变形图

c.大货车。

大货车试验结果显示：车辆与护栏发生碰撞后可以正常驶出，护栏的拦阻功能和导向作用良好[12]，图17为大货车碰撞试验护栏的运动轨迹。车辆碰撞护栏后碰撞侧车体损坏变形，前保险杠弯曲损坏，车辆左前大灯损坏脱落；试验护栏的残余变形较大。如图18所示为大货车与护栏碰撞后车辆和护栏的损坏情况，检测指标结果如下：护栏最大横向动态变形值0.85 m，护栏最大横向动态位移外延值1.2 m，车辆最大动态外倾值为1.4 m，车辆最大动态外倾值1.55 m。

图17 大货车轨迹图Figure 17 Trajectory diagram of the truck

图18 大货车碰撞后护栏及车辆变形图

综合以上结果，试验护栏对车辆和乘员起到了有效保护，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[12]。

4 结论

a.提出了一种基于原有旧波形梁护栏结构进行改造的双层两波梁护栏结构，提升防护等级至SB级。

b.通过计算机仿真分析的方法对双层两波梁护栏进行安全性评估，仿真结果表明双层两波梁护栏的各项安全性能指标较优，具有良好的防护能力；通过实车足尺碰撞试验的方法对双层两波梁护栏进行安全性能评价，试验结果表明双层两波梁护栏的各项评价指标均满足评价标准要求，防护等级达到SB级。

c.SB级双层两波梁护栏研究成果在实际道路中的应用将大大提升相应路段的行车安全。