滕玉祿

(北京市高速公路交通工程有限公司 101102)

引言

高速公路對向車道交通應(yīng)采用護(hù)欄完全封閉隔離, 正常運營期間普通車輛只能單向行駛, 為方便特種車輛掉頭和單側(cè)道路施工封閉時臨時開啟放行[1,2], 高速公路中分帶開口處須設(shè)置具有安全防護(hù)能力和便于開啟的活動護(hù)欄。

截至2018年, 高速公路絕大多數(shù)采用已廢止《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2006)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的插拔式活動護(hù)欄和伸縮式活動護(hù)欄, 在實踐應(yīng)用中, 發(fā)現(xiàn)這兩種活動護(hù)欄僅具備誘導(dǎo)和隔離功能, 失控車輛碰撞易對車輛和司乘人員造成嚴(yán)重?fù)p害, 甚至車輛穿越或翻越活動護(hù)欄造成二次惡性事故, 安全防護(hù)能力嚴(yán)重不足。

為增強高速公路安全服務(wù)運營水平, 國內(nèi)研究人員已對Am 級(防護(hù)能量≥160kJ)活動護(hù)欄進(jìn)行相應(yīng)研究, 其僅適用于防護(hù)等級較低的道路。為進(jìn)一步提升中分帶開口處活動護(hù)欄安全防護(hù)能力, 以現(xiàn)行交通安全設(shè)施規(guī)范為基礎(chǔ), 提出一種搭接式波形板活動護(hù)欄結(jié)構(gòu)方案, 其防護(hù)等級為SBm(防護(hù)能量≥280kJ), 在滿足可快速開啟和移動的使用功能條件下, 通過模擬仿真分析和實車足尺碰撞試驗評價對其各項安全性能評價指標(biāo)進(jìn)行驗證。

1 安全性能評價要求

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)中活動護(hù)欄安全性能評價要求, 須采用小型客車、大客車、大型貨車三種車型分別對活動護(hù)欄的中部和端部兩個碰撞點進(jìn)行六次碰撞試驗[3],碰撞試驗位置和條件如圖1 和表1 所示。碰撞評價指標(biāo): 阻擋功能, 緩沖功能, 導(dǎo)向功能。

圖1 活動護(hù)欄碰撞位置Fig.1 Collision position of movable barriers

表1 SBm 級活動護(hù)欄試驗條件Tab.1 Test conditions for SBm level movable barriers

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

國內(nèi)大部分高速公路中分帶標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄為波形梁護(hù)欄, 采用波形板作為活動護(hù)欄構(gòu)架可與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄保持一致, 具有較好的視線誘導(dǎo)效果; 《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2017)中高速公路SBm 級波形梁護(hù)欄均采用三波板, 為了更好地與標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄過渡連接, 活動護(hù)欄兩側(cè)采用4mm 三波形梁板, 中間焊接多個橫向支撐, 有效將兩側(cè)波形梁板連接一起, 使兩側(cè)波形梁板在碰撞過程中協(xié)同受力, 兩個三波板下方均設(shè)置槽鋼橫梁,防止小型客車碰撞時下穿活動護(hù)欄, 活動護(hù)欄單元框架下方設(shè)置萬向輪, 可進(jìn)行快速移動, 活動護(hù)欄框架單元形式如圖2 所示。

活動護(hù)欄由多節(jié)框架單元組裝而成, 兩節(jié)活動護(hù)欄框架單元采用插拔式立柱和連接構(gòu)件連接在一起, 如圖3 所示, 同時活動護(hù)欄框架之間采用波形梁板搭接式, 避免了失控車輛碰撞過程中兩節(jié)活動框架單元產(chǎn)生斷裂開口刮蹭車體, 甚至護(hù)欄板插入車體的事故。

圖2 活動護(hù)欄框架單元Fig.2 Movable barriers frame unit

圖3 活動護(hù)欄框架單元搭接Fig.3 Movable barriers frame unit overlapping

3 計算機模擬仿真碰撞分析

按表1 中試驗條件, 結(jié)合實際尺寸建立三種車輛模型, 依據(jù)車輛的材料屬性, 采用Cowper-Symons 模型來確定材料的應(yīng)變率。根據(jù)評價規(guī)范確定小型車輪胎胎壓為0.3MPa, 大型車胎壓為0.8MPa?；趹土P函數(shù)法的Automatic_Single_Surface 接觸類型解決邊界非線性問題[4]。

采用經(jīng)實車碰撞試驗驗證的高精度有限元分析軟件LS-DYNA 仿真模型對搭接式波形板活動護(hù)欄進(jìn)行仿真碰撞分析[5], 通過計算機仿真分析, 各種車輛均可順利導(dǎo)出, 形態(tài)見圖4 和圖5,未發(fā)生穿越和翻車等不滿足安全指標(biāo)的狀況。

圖4 車輛碰撞護(hù)欄中部試驗仿真Fig.4 Experimental simulation of vehicle impact on middle part of barriers

圖5 車輛碰撞護(hù)欄端部試驗仿真Fig.5 Experimental simulation of vehicle impact on end part of barriers

通過計算機模擬仿真分析, 6 輛車輛仿真碰撞護(hù)欄各項安全性能評價指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)的要求, 但計算機存在一定人為設(shè)定因素, 具有一定誤差與局限性, 世界各國均要求公路護(hù)欄通過實車足尺碰撞試驗驗證方可應(yīng)用在實際道路中[6]。

4 實車足尺碰撞試驗驗證

搭接式波形板活動護(hù)欄按計算機仿真結(jié)果優(yōu)化后1∶1 比例進(jìn)行加工制作, 按高速公路一般長度設(shè)置40m 試驗樣品安裝在碰撞廣場上, 并在兩側(cè)設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)段波形梁護(hù)欄錨固[7]。

4.1 小型客車試驗結(jié)果

小型客車碰撞活動護(hù)欄中部和端部行駛軌跡見圖6, 可見小型客車碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出, 并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿足評價指標(biāo)要求。

圖6 小型客車碰撞活動護(hù)欄Fig.6 Passenger car impact on barriers

小型客車碰撞活動護(hù)欄中部和端部緩沖性能評價如表2 所示, 可見乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m/s, 乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m/s2, 滿足評價指標(biāo)要求。

表2 小型客車碰撞試驗緩沖性能Tab.2 Buffering performance of passenger car collision

4.2 大型客車碰撞試驗結(jié)果

大型客車碰撞活動護(hù)欄中部和端部行駛軌跡分別見圖7, 可見大型客車碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出,并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿足評價指標(biāo)要求。

圖7 大型客車碰撞護(hù)欄Fig.7 Bus impact on barriers

4.3 大型貨車碰撞試驗結(jié)果

大型貨車碰撞活動護(hù)欄中部和端部行駛軌跡見圖8, 可見大型貨車碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出, 并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài), 護(hù)欄導(dǎo)向性能良好; 沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄, 護(hù)欄阻擋功能滿足評價指標(biāo)要求。

圖8 大型貨車碰撞護(hù)欄Fig.8 Single-unit truck impact on barriers

根據(jù)三種車型對活動護(hù)欄兩個碰撞點共計六次實車足尺碰撞試驗檢測結(jié)果可知, 各項指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)的要求, 搭接式波形板活動護(hù)欄安全性能滿足SBm 級防護(hù)等級要求。

5 結(jié)語

針對高速公路中分帶開口處需求, 結(jié)合高速公路中分帶護(hù)欄應(yīng)用情況, 采用計算機模擬仿真分析和實車足尺碰撞試驗驗證, 開發(fā)了一種搭接式波形梁護(hù)欄, 其兩節(jié)框架單元采用波形梁板搭接結(jié)構(gòu), 有效防止活動護(hù)欄框架單元斷裂開口對失控車輛和人員損害。搭接式波形板活動護(hù)欄各項安全性能評價指標(biāo)滿足規(guī)范中SBm 級(防護(hù)能量≥280kJ)的要求, 可有效提升高速公路安全防護(hù)水平, 同時搭接式波形梁護(hù)欄具備快速開啟和移動功能, 滿足運營管理人員使用要求。