摘要 为使改造后的路侧护栏的防护能力满足现行规范的要求,通过分析护栏的功能、分类及其对道路安全性能的贡献,对护栏结构形式、改造方法的研究进行了综述。总结和回顾了护栏材料、结构设计以及未来研究的发展趋势,提出了用实车碰撞试验和计算机模拟在护栏设计改造中的应用,应更加关注护栏材料参数的研究、评价指标的完善以及智能交通系统整合等方面,研究可为设计更安全、经济、美观且符合绿色发展理念的新型护栏提供理论参考。
关键词 波形梁护栏;护栏改造;交通工程;高速公路
中图分类号 TU528.1 文献标识码 A 文章编号 2096-8949(2024)18-0191-04
0 引言
随着我国经济的大力发展,截至2022年底我国公路通车里程已突破535万公里,汽车保有量已经达到了4.17亿辆。在我国交通事业突飞猛进的同时,道路车辆结构和参数也在发生极大的变化,车辆安全防护需求发生变化。据统计,目前我国每年发生的交通事故数已达到20多万起,其中在高速公路交通事故中,路侧事故占比较高[1],且主要发生在路侧护栏处。
根据现行《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)[2]和《公路交通安全设施设计细则》(JTG D81—2017)[3]的要求,早期建设的护栏安全设施无法满足当今的安全防护的需求。因此,使原有护栏的防护能力得到保障,对改善公路路侧安全和保障驾驶员及乘客生命安全有着重要意义[4-5]。
1 公路护栏概述
1.1 护栏功能与分类
护栏作为一种交通安全设施,本质上属于一种纵向吸能结构的障碍物,主要设置在道路路肩处以及中央分隔带处,其主要作用是降低事故的伤害程度,最大限度保护生命财产安全,减少损失。实现的方法是通过护栏碰撞过程产生的变形,以及对碰撞过程中的动能能量的吸收,完成对车辆的顺利导向,护栏的功能包括:(1)阻隔车辆冲出路外或冲向对向车道,避免二次车祸事故发生;(2)车辆与护栏碰撞时,吸收碰撞能量,减少对人员、车辆的伤害;(3)避免车辆在护栏板下钻出;(4)指导驾驶员的视线,美化道路。
护栏一般设立在依山傍水路、高路堤、急弯等对驾驶人员造成一定危险的地段。公路护栏设计应坚持安全第一的准则,综合考量公路耐久性、经济性和景观等因素,提升公路护栏设计合理性,保证高等级公路通行安全、顺畅,同时在一定程度上美化公路。对于护栏的分类,按照设置位置、结构性能、使用路段,护栏有不同的分类[6],按照设置位置,护栏可分为路侧护栏、中央分隔带护栏;按照护栏的使用路段,可分为路基护栏、桥梁护栏;按照结构特性,护栏分为刚性护栏、半刚性护栏、柔性护栏。每种护栏都有其不同的受力特性及适用场景。
1.2 路侧波形梁护栏构造型式
波形梁护栏是半刚性护栏主要的结构形式,其主要结构部件是立柱、防阻块、波形梁板,其主要特性是通过护栏系统间变形来实现对车辆碰撞过程的导向,当车辆与护栏发生碰撞后,首先与车辆接触的梁板开始变形,能量然后逐渐传递到防阻块,最后传递至立柱,其特点是后期易于养护、拆除和改造,也具有一定的视线诱导功能,但因其材料特性的原因,波形梁护栏容易发生材料腐蚀,从而导致护栏的防护能力的下降。标准规范一般按照设计防护能量将护栏防护能力进行分级,目前高速公路路侧波形梁护栏设置较为广泛的有A级护栏、SB级护栏、SA级护栏。
2 路侧护栏的设计和改造综述
2.1 路侧护栏的设计
国内外早期对于护栏的设计研究主要是通过大量的实车碰撞试验来积累资料,并通过相关理论研究,对相关的护栏碰撞的结构形式的受力特性规律进行研究,设计出符合道路路侧安全的护栏结构型式,制作相关的护栏设计规范及准则,提高道路路侧安全,为后来的护栏研究提供参考和理论基础。
Malcolm H. Ray等[7]通过实车和全尺寸试验对波形梁连接进行研究,在立柱与护栏设置支撑构件来增强波形梁系统防撞性能,这也成为后来波形梁护栏设计的重要结构部分。随着计算机的快速发展,研究手段也在不断改进,Ali O. Atahan[8]使用LS-DYNA演示了计算机模拟如何以经济高效的方式补充大规模碰撞试验,研究中使用了之前对失效的坚固立柱护栏系统进行的全尺寸碰撞试验的结果,结果表明计算机模拟技术在评估和改善道路安全特征的冲击性能方面的能力。Plaxico等[9]通过计算机对车辆碰撞过程中的护栏进行模拟,研究观察埋置在土壤的立柱受力情况,其研究发现了立柱最大受力弯矩出现在距离地面350 mm处,这为以后运用计算机模拟护栏受力情况提供了很好的参考。Vesenjak等学者[10]对波形梁防阻块进行研究,通过计算机模拟不同结构形式的护栏碰撞系统,探讨其对车辆防护能力的影响规律,结果发现六边形防阻块结构形式的护栏系统对于车辆的缓冲更优,吸收能量更多,这也成为后来护栏防阻块的重要结构形式。
邰永刚等[11]研究部件的连接设置对于护栏系统防撞性能的影响,通过模拟部件连接的护栏系统和缺失连接的护栏系统,对比分析得出护栏部件连接与碰撞防护性能的影响规律,这成为公路养护部门的一个重要参考依据。肖佑业[12]针对波形梁立柱在碰撞时对于车轮的绊阻现象进行相关研究,通过对护栏结构系统以及对碰撞过程中护栏系统的受力状况进行分析,最后指出波形梁护栏刚度的不足是产生阻绊现象的主要原因。李文勇等人[13]针对高速公路常设置的波形梁护栏进行研究,建立厢货-护栏碰撞模型,从驾驶员安全性、车辆行驶轨迹以及护栏损坏程度三个方面进行仿真分析,认为W形护栏无法满足厢货碰撞过程的驾驶员安全,建立护栏结构设计应该着重考虑,为之后的设计人员提供理论参考。周翔海等[14]人对立柱的四种埋置方式进行承载力研究,通过计算机模拟仿真和实车试验分析,得出当立柱抗弯度与折弯点成反比。许颖等[15]运用Newmark β理论对汽车-护栏碰撞模型计算进行简化,分析汽车转动对碰撞计算结果的影响,通过计算机模型仿真证明考虑汽车转动的碰撞计算结果更加准确。
2.2 路侧护栏的改造
国外对于护栏改造设计发展历程较早,国内的护栏改造的研究的成果也较为丰富。
Reid等[16]对现有的波形梁进行了三种改造方案设计,分别为在护栏立柱上方加钢缆、在防阻块里填充缓冲物、在波形梁板后部加钢缆,经过计算机仿真模拟,分析表明三种改造方案对于护栏防护能力都有着极大的提高,其中立柱上方加钢缆效果最佳。Hanfeng Yin等人[17-18]基于计算机的数值模拟,对波形梁进行相应的改造研究,设计出“η形”和“SWG形”的新型波形梁护栏,提高了护栏的防护性能。Dong W. Lee等人[19]设计了圆形、方形、三角形三种改造方案,探究不同立柱结构形式对护栏防护能力的影响,建立了卡车—护栏有限元模型,模拟结果表明圆形立柱的防护能力最好,三角形立柱护栏的对车辆的缓冲效果最佳。Ronald K. Faller等[20]结合本国车辆特点,对波形梁护栏提出了新型的改造方案,与传统护栏机构相比,该改造方案的立柱间距较少1/4,并增设了152 mm高混凝土路缘,通过有限元模拟结果表明该改造护栏为重心较高的车辆碰撞提供了更高的安全性。Xianglong Sun[21]对传统移动护栏进行分析,使用力学分析和有限元模拟技术来对活动护栏进行结构优化,建立了卡车—护栏碰撞模型,根据结果对护栏壁厚和立柱间距进行优化,结果表明当护栏壁厚增加2 mm时,护栏的耐撞性明显提高。
荆迪菲等人[22]提出了内套管节点加高的波形梁改造方案,该改造方案能够提高B级旧护栏防护能力。苏晓东[23]提出了在混凝土护栏上进行整体加高的三种设计方案,并利用有限元仿真进行了护栏安全性能验证。除了旧护栏改造提升防护能力外的研究,还有通过改造护栏,提升护栏防护等级的研究,刘航[24]通过对原有旧护栏的改造设计,将波形梁护栏进行加高和双波改造,实现了旧护栏防护能力向更高等级的提升。杨济匡等人[25]基于规范中的A级和B级护栏进行仿真模拟建模,发现护栏碰撞吸收能量占总能量不到1/2,护栏最大变形量较大,通过对这两种护栏改造设计,使得护栏碰撞吸收能量得到显著提高。王维利等[26]通过计算机模拟仿真,建立了5种高度的护栏碰撞耦合模型,分析表明当护栏设置高度低于标准护栏高度150 mm时,汽车碰撞会发生侧翻,需要进行加高设计。闫书明等人[27]通过实车试验和计算机模拟仿真相结合的方法,探讨了护栏高度和结构变化与护栏防护能力的影响规律。田远[28]提出在立柱中加入钢筋的结构改造方案,并进行了重锤冲击试验,表明了改造护栏强度高于规范护栏强度。
除了一些护栏结构本身的研究,国内还有一些对于新型组合设计的研究。贾宁等人[29]利用钢管构件变形吸能的原理,在混凝土护栏加入吸能钢管,设计出新型组合护栏,使护栏达到消能和减速的效果。周炜等人[30]通过实车碰撞试验研发了一种新型的半刚性钢架缓冲球护栏,该新型护栏满足规范设计的防护性能要求,最后并于传统半刚性护栏进行对比分析,分别阐述了两种护栏防护性能的优缺点。雷正保等人[31]在分析PVC和Q235的力学性能后,设计出新型PVC护栏,结果表明该新型护栏能够达到A级防护能力。肖佑业[32]设计出了新型的倒“L形”护栏系统,该护栏经过模拟仿真表明,与传统的护栏结构形式相比,该护栏能够很好地解决车辆碰撞过程中的绊阻问题。杨永奇等[33]将泡沫铝材料应用到护栏防阻块中,设计出新型泡沫铝防阻块防撞护栏,经过实车试验表明该新型护栏在车辆缓冲方面优于传统护栏。
3 发展趋势
随着道路的快速发展,道路安全设施的安全研究逐渐增多,研究方法也在不断完善。从波形梁护栏设计研究来看,最开始的实车碰撞试验完善了相应的护栏规范准则,是工程实践中路侧护栏建设的重要依据。从波形梁护栏改造研究来看,计算机仿真研究已经成为护栏安全性能研究的重要研究方法,波形梁护栏改造方式主要是优化护栏结构尺寸、增加护栏结构厚度、增设立柱及梁板、采用新型结构材料等方法,且已经在工程实践中取得很好的效果,但从日益变化的发展建设环境来看,护栏改造及新型护栏设计研究要求也有了新的变化,后续的研究需要在以下几个方面进行研究。
(1)护栏材料参数的研究,在护栏改造设计研究中,护栏结构材料是一个容易忽略的参数,但其实在目前实际工程应用中,安全设施建设需要符合绿色发展理念,新型环保材料或者新型组合设计方案是一个研究重点,应该着重研究。
(2)护栏方案评价指标的研究,目前有关护栏安全方案安全评价主要是以防护能力为主来进行评价,即从护栏评价规范中规定的阻挡功能、缓冲功能和导向功能三方面进行对比分析,但缺少护栏碰撞过程中各部件的能量吸收值、护栏碰撞的应力应变、碰撞力等指标,这些指标在实车试验中不能很好地体现出来,需要对指标进行额外的安全性分析。
4 总结
该文从公路护栏的功能与分类出发,详细论述了路侧护栏在保障驾驶员及乘客安全方面扮演的关键角色,通过对波形梁护栏构造、设计与改造的国内外研究现状出发,总结出如下三点:
(1)护栏设计与改造的重要性:波形梁护栏有吸收碰撞能量、减少事故伤害方面的功能,合理地设计和改造护栏对于提升道路安全性有重要作用。随着道路交通环境的变化和车辆结构的演进,护栏性能的要求在提高,也强调了持续改进护栏设计的必要性。
(2)研究与技术进步的贡献:护栏从实车碰撞试验到计算机模拟的研究,展示了科技进步促进护栏设计与改造方法的革新。通过对国内外学者关于护栏改造的多种设计方案的研究,证明了科学技术在推动护栏防护能力提升方面的重要作用。
(3)未来研究的方向:面对未来道路安全设施的研究与发展,建议多关注护栏材料参数的深入研究和护栏方案评价指标的完善。随着智能交通系统的发展,将智能元素整合到护栏设计中,如传感器和警示系统,将是提高预警和防护能力的关键方向。同时,探索符合绿色发展理念的新型环保材料或组合设计方案,以设计出更加安全、经济、美观的新型护栏,是未来研究的重要内容。
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