高速公路鋼護欄改造碰撞實驗研究

摘要:近幾年國內很多高速公路在改造維護過程中對路面都進行了重新罩面，導致護欄板距地面高度降低，無法滿足國家標準的要求。為方便舊護欄的再利用，提高經濟性，采用計算機仿真技術進行方案初選后，由實車碰撞試驗確定滿足相關規范要求的護欄改造方案是評價護欄改造方案最直接、最有效的方法。通過此方法確定了一種施工簡便且造價較低的護欄改造方案，該方案不僅簡便，而且降低了護欄改造費用，減少了對運營的影響，適合應用于目前狀況下我國高速公路護欄改造及再利用。

隨著我國經濟的快速增長和公路運輸事業的蓬勃發展，交通量迅速增長，特別是大型重載車輛的迅猛增長導致許多高速公路進入中修或大修階段，由于重新罩面后，使得路面抬高，護欄高度降低，不能滿足目前我國規范要求;如果重新布置護欄，則原有護欄需要拆掉，立柱要拔出也比較困難，且存在對運營影響大，對路基損壞較大，施工量和施工難度大，花費也高;如果能在原有護欄上做一些改造和處理，充分利用原有材料，使其滿足目前規范要求，則不但可以減少很多工作量，還可以節省大量的費用，且對道路運營情況影響較小。所以，對護欄的改造研究就成了一個亟待解決的課題。但是，護欄改造方案需要滿足評價標準的要求，而這就需要進行實車碰撞實驗。

護欄改造方案的確定

目前，對護欄改造研究的主要方法實車碰撞試驗和有限元仿真分析。實車碰撞試驗是綜合評價汽車碰撞安全性能最直接、最有效的方法。但此類試驗需要大型的實驗場地以及成套的實驗裝置和數據采集系統，要花費大量的人力、物力，實驗成本較高。并且為了優選滿足標準要求的護欄方案需要進行多次實車碰撞試驗，研究往往要受到經濟條件的限制。所以一般在實車碰撞之前先進行有限元仿真，參考多次仿真的結果，確定最終的護欄改造方案，進行實車碰撞試驗，以降低研究成本。本項目護欄改造方案的確定亦遵循這樣的步驟和原則。

汽車護欄碰撞是一個瞬態的大位移和大變形過程，涉及幾何、材料、接觸狀態等多重非線性，并且碰撞過程涉及的參數較多，所以汽車護欄碰撞仿真一般都采用先進的非線性動力學分析軟件，如Ls-dyna、pam-crash等。在本項目研究中，我們利用Ls-dyna軟件進行各種不同護欄方案的碰撞模擬。

經過多次碰撞仿真計算，確定了最終的護欄改造方案，如下圖所示:

護欄改造的實車碰撞試驗

模擬仿真雖然也具有較高可靠性，但是畢竟還存在一定的誤差，為了確保護欄改造方案滿足標準要求，必須進行實車碰撞試驗。實車碰撞試驗有嚴格的實驗要求以及成套的實驗裝置和數據采集系統，為了保證實驗的可靠性，實車碰撞選在具有檢測資質的北京昌平深華達試驗場完成，被試驗護欄按照《高速公路護欄安全性能評價標準》(JTG/T F83-01-2004)的要求進行安裝，護欄立柱的安裝位置、埋置深度等嚴格按沿海高速公路的現場情況設置，保證與實際路況一致。

碰撞試驗用大客車

本次試驗采用的驪山牌大客車，其長、寬、高分別為:9100mm、2490mm、2986mm。其它主要參數如表1所示。

在表1中需要說明的是: 重心CG-X 表示重心位置距離車輛前軸的距離;CG-Y 表示重心位置偏離中心線的橫向距離(向左取正);CG-Z 表示重心位置離地面高度。

客車護欄碰撞的主要參數

因為碰撞試驗的目的是為了驗證護欄改造方案是否滿足標準要求，所以客車護欄碰撞的主要參數均參考標準設定。

大客車碰撞結果

車輛碰撞護欄后，無穿越、掉頭、騎跨等現象發生，車輛被安全導出;車輛碰撞護欄后左前角變形，保險杠損壞，行駛系統、制動系統、轉向系統完好，車架縱梁、前后橋完好，車頂棚、輪胎完好;車輛內部座椅、配載等沒有破壞，車門能自由打開。如圖3所示。

碰撞過程車輛行駛行駛軌跡如圖4所示，總體狀況良好，表明護欄對車輛進行了有效攔截和導向。

客車護欄碰撞過程中三個方向的加速度均小于20倍的重力加速度，具體變化曲線如圖5所示:

在碰撞過程中護欄最大動態變形量為561mm也滿足小于1000mm的標準要求。

具體檢測指標和相關結果如表3所示。

結論

綜上所述，可以得到在碰撞試驗過程中，改造后的護欄滿足160KJ大客車碰撞試驗的標準要求。(作者單位:河北省高速公路沿海管理處)