波形梁護欄防撞原理及設置技術

杜 鵬

0 引言

護欄是道路安全設施的重要組成部分,對防止行車事故起著重要作用,它可以吸收部分汽車撞擊能量,減小汽車碰撞減速度峰值。合理設置護欄不但可以減少交通事故,降低事故的嚴重程度,還可以誘導行車視線,使司乘人員感到舒適,從而降低他們的疲勞程度,保障行車安全。

1 護欄的形式與性能

1.1 按設置位置分類

根據設置位置不同,護欄可分為路側護欄和中央分隔帶護欄。路側護欄設置在公路路肩上,目的是防止失控車輛越出路外,避免碰撞路邊其他設施。中央分隔帶設置于公路中央分隔帶內,防止車輛穿越中央分隔帶闖入對向車道并保護分隔帶內的構造物。

1.2 按力學特性分類

按力學特性,護欄可分為柔性護欄、半剛性護欄及剛性護欄。柔性護欄是一種具有較大緩沖能力的韌性護欄結構,主要代表形式有纜索護欄,受撞時依靠立柱的變形和纜索的拉應力來吸收汽車能量,這種護欄形式美觀,行車時沒有壓迫感,但視線誘導效果差。剛性護欄是一種基本不變形的護欄結構,一般指的是水泥混凝土護欄,它依靠汽車前輪爬高或轉向來吸收碰撞能量。半剛性護欄一般是連續的梁柱式護欄結構,依靠護欄的彎曲變形和張拉力來抵抗車輛的碰撞,具有一定的剛度和韌性,通過橫梁的變形吸收沖撞能量,其損壞部件容易更換,具有一定的視線誘導作用,能與道路線形相協調,外形美觀。

2 護欄的防撞原理

汽車與護欄相撞過程一般可分解為四個階段:車頭角位碰撞、側面擦過護欄、車尾角位碰撞、車輛返回車道。但各種護欄在具體作用機理上又有不同。當汽車與剛性護欄相撞時,首先保險杠與護欄上坡面接觸受力變形,上坡面對汽車產生提升力。接著懸架與護欄下坡面接觸,下坡面也對汽車產生提升力,汽車沿坡面向上爬升,減小部分動能,從而減小碰撞劇烈程度。對于柔性半剛性護欄則主要依靠立柱、護欄板(纜索)的變形來吸收碰撞能。波形梁半剛性護欄對失控車輛具有良好的導向和保護性能,并且安裝方便,施工費用低。

3 汽車與護欄碰撞的仿真分析

護欄的設計條件(或碰撞條件)的確定主要考慮標準車型、車輛質量、碰撞速度、碰撞角度、道路條件、交通特性、事故成本等因素。由于半剛性和柔性護欄的撞擊過程是典型的大位移、大轉動、大應變,且具有未知接觸約束的顯著非線性問題,一般采用動態顯式有限元方法進行仿真分析,這種方法能夠將物理空間的無限自由度問題轉化為有限自由度問題,它利用接觸算法處理物體之間的接觸,通過顯式時間積分求解大變形動力響應,特別適合解決大變形、大轉角、大應變問題。申杰[3]曾以最常見的高速公路波形梁鋼護欄為研究對象,建立詳細的三維有限元模型,運用非線性顯式有限元算法,計算在汽車碰撞下的動力特性。該有限元模型總共包括 4段護欄,每段護欄包括波形梁板、防阻塊、立柱,相鄰兩段立柱的中心距離為 4m(見圖1),具體細節參考 JTG D 81-2006公路交通安全設施設計規范。

針對護欄通常長達數千米的情況,對未予以建模的部分,參考Tabiei[2]提出的邊界條件確定方法來等效模擬未予以建模的部分護欄。另外,還考慮立柱周圍土壤與立柱之間的相互作用,用面面接觸模擬土壤與立柱的相互作用。在實際的碰撞事故中,由于碰撞角通常較小,汽車會出現比較明顯的滑動,因此模擬了碰撞角30°、車速 50km/h時的碰撞過程,考察車輛沿護欄切向滑動的影響。

4 護欄的設置技術

4.1 目標功能

安全護欄需要進行正確的設計才可以實現以下功能:1)阻絆車輛,防止車輛越出路外,保護路外建筑物的安全,確保行人不致受到重大傷害,確保與其相交道路、鐵路的安全,阻止失控車輛穿越中央分隔帶闖入對向車道。2)能使車輛回復到正常行駛方向。使車輛碰撞護欄的運動軌跡圓滑過渡,以較小的駛離角和較小的回彈量停留在不影響車輛正常行駛的地方,不致發生二次事故。3)為保證一旦失控車輛與護欄發生碰撞時,對駕駛員和乘客的損傷最小,要求護欄具有良好的吸收碰撞能量的功能。4)能誘導駕駛員的視線,能清晰看到道路的輪廓及前進方向的線形,增加行車的安全性,使道路更加美觀。5)制造、安裝、維修的經濟性。目前主要依據道路條件、標準車型與車輛的質量、交通特性等幾點來確定護欄設計條件。

4.2 設計條件

不同國家在選擇和決定護欄的設計原則時,都要結合本國的道路交通條件,在滿足護欄基本功能的前提下,決定設計目標的側重點。設置于公路路基上的護欄,按防撞等級劃分,路側護欄有 A,S兩級,中央分隔帶護欄有Am,Sm兩級,每一種防撞等級的護欄所適用的公路等級及其設計條件見表1。

設置于橋梁上的護欄按防撞等級劃分為PL1,PL2,PL3三級,每一防撞等級的護欄應避免在相應設計條件下的失控車輛越出,其防撞等級及相應的設計條件見表2。

表1 路基護欄設計條件

表2 橋梁護欄設計條件

護欄作為公路上的基本安全設施,對公路上的交通安全起著積極的作用,但同時,護欄本身也是一種障礙物,它的設置也是有條件的,通常是以設置護欄和不用設置護欄保護的相對危險性比較后做出判斷的。只有正確的設計,才能實現護欄的功能和目標。

4.3 護欄的設置原則

1)路側護欄的設置原則。路側護欄主要分為路堤護欄和障礙物護欄兩種。路側護欄的最小設置長度為 70m,兩段護欄之間相距小于 100m時,宜在該兩路段之間連續設置。夾在兩填方路段之間長度小于 100m的挖方路段,應和兩端填方路段的護欄相連續。在需要設置路側護欄的路段,大、中橋側采用鋼筋混凝土組合式護欄,在土路基段及小橋、通道、涵洞上采用波形梁鋼板護欄。一般路側護欄在土路基段采用普通型鋼板護欄,立柱間距為4.0m,在小橋、通道及設有擋土墻的路段采用加強型鋼板護欄,立柱間距 2.0m。路側護欄立柱采用 φ140×4.5鋼管,橫梁為310mm×85mm×3mm變截面波形梁,護欄高度一般采用 60cm,當護欄立柱位于構造物上時,立柱應采用迫緊器連接。2)中央分隔帶護欄的設置原則。高速公路、汽車專用一級公路均應設置中央分隔帶護欄,當中央分隔帶寬度大于 10m時,可不設護欄。在路基采用分離式斷面時,靠中央分隔帶一側按路側設置護欄,上、下行路基高差大于 2.0m時,可只在路基較高一側設置。中央分隔帶護欄全部采用波形梁鋼板護欄,構造上有分設型和組合型兩種。分設型護欄適合于中央分隔帶相對較寬,中央帶內的構造物較多,并在中央分隔帶下埋有管線的路段;組合型護欄適用于中央分隔帶寬度較窄,中央帶內構造物不多或埋設管線較少的路段。一般中央分隔帶護欄在土路基段采用普通型,立柱間距為4.0m,在有構造物的路段采用加強型,立柱間距 2.0m。中央分隔帶護欄立柱為 φ114×4.5鋼管,橫梁為 310mm×85mm×3mm變截面波形梁,護欄高度一般采用 60cm。在中央分隔帶開口處設置活動護欄。3)橋梁護欄的設置原則。a.高速公路、一級公路的特大橋,大橋、中橋均應設置橋梁護欄。b.高速公路、一級公路的小橋、通道應設置與路基上相同形式的護欄。c.一級公路的特大橋,大橋應設置橋梁護欄。

5 結語

護欄對交通安全具有十分重要的意義,隨著我國高等級公路不斷向山嶺重丘區延伸,許多山區公路穿行于陡崖峭壁、深溝大壑之間,設置安全、有效的護欄就成了一個亟待解決的課題,如新結構、新材料的研發,適應大型重車護欄的開發,橋梁護欄過渡段形式和結構的研究開發,護欄端頭的結構形式,防撞墊的研究開發等。

[1] 舒 翔,張曉晴,黃小清,等.高速公路護欄系統的有限元優化分析[J].公路交通科技,2006(5):8-11.

[2] 謝玉洪,雷正保,李海俠,等.高速公路防撞護欄的研究現狀與發展趨勢[J].工程建設與設計,2003(12):21-22.

[3] 申 杰,金先龍,陳建國.汽車碰撞護欄事故再現方法[J].振動與沖擊,2007(5):34-37.

[4] JTG D81-2006,公路交通安全設施設計規范[S].