基于失控車輛誘導的斜護墩設計

魏連雨，馮 雷，宋 楊,2，張海峰,3

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 河北工程技術高等專科學校，河北 滄州 061000 3. 華北高速公路股份有限公司，北京 100176)

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基于失控車輛誘導的斜護墩設計

魏連雨1，馮 雷1，宋 楊1,2，張海峰1,3

(1. 河北工業大學 土木工程學院，天津 300401；2. 河北工程技術高等專科學校，河北 滄州 061000 3. 華北高速公路股份有限公司，北京 100176)

為建設更加安全、經濟、環保的低等級公路側路安保設施，提出了斜護墩的概念。通過結合HYPERMESH和LS-DYNA兩種軟件，對斜護墩、道路以及車輛碰撞模型體系進行整合，建立起完整的碰撞模型；使用LS-PREPOST對不同旋轉角下車輛與斜護墩碰撞結果進行了數值分析。研究表明：斜護墩對失控車輛有著良好的誘導能力。結合公路交通安全設施設計規范，針對不同線型路段特點進行斜護墩旋轉角度及布設間距研究，提出了一套較為完整的低等級公路路側安保設施解決方案。

道路工程；斜護墩；數值模擬；低等級公路；路側安保設施

隨著我國經濟建設的飛速發展，公路網的建設也取得了巨大的成就，其中三級、四級等低等級公路占很大比例。由于建設資金不充裕，部分低等級公路存在著安保設施不齊全的問題，許多學者已經在這方面展開了研究[1-2]。一些山區公路，依山臨河而建，如果缺乏路側安保設施，一旦車輛在這些路段沖出路面，后果將會十分嚴重。根據近幾年事故資料統計[3]，由于安保設施不健全所引發的的事故已經成為交通事故主要原因之一。

路側安保設施種類繁多，從設置特點上進行分類有連續式護欄，間斷式護墩和警示類護樁等。從材料上分類有金屬類護欄，鋼筋混凝土類護欄和新材料類防護設施等[4]。從結構特點上分類有纜索式護欄，波形梁護欄，連續混凝土護欄，防護墩，警示樁以及各種仿生防護設施等。連續式的金屬護欄和混凝土護欄一般造價較高、防護效果好，而間斷式護墩或警示樁造價便宜但防護效果較差。

對于低等級公路安保設施設計，也有很多學者進行了研究。王仁偉等[5]對山區公路路側護欄等級選擇方法進行了總結；李雷等[6]提出了低成本的箱式填石護欄，徐倩等[7]對山區公路不同碰撞角度下的護欄結構進行了分析優化。

為解決低等級公路路側安保設施的問題，筆者設計了一種新型間斷式混凝土防護墩，即斜護墩。斜護墩通過一定程度角度轉動以間斷式護墩設置形式達到了連續護欄的誘導防護效果，以較少的建設資金投入，超低的養護成本，最大限度的減少低等級公路路側事故造成的人員和財產損失。

1 設計綜述

平順的線型、平整的路面都有利于行車安全。但在車輛發生事故時，則主要依靠路側安保設施對失控車輛進行保護，其保護作用主要有三個方面：

1)能夠更加清晰的描繪出前方道路線性變化及道路輪廓，對駕駛員的駕駛起到良好的誘導作用，增加駕駛員行車安全感，并有一定程度的美化道路的作用。

2)在車輛失控時，通過與護欄的碰撞，能使車輛完成較小角度的轉向，回到正常的形式路線中。在發生較大事故時，能起到阻拌車輛越出路外的作用，防止發生二次事故。

3)在碰撞中通過自身變形或使得車輛在一定程度上重心升高轉化成勢能，以此降低碰撞能量，減小撞擊對駕駛員和乘客以及車輛的傷害。

不同類型的路側安保設施所能達到的保護效果也不相同，逼著將一些典型的路側安保設施功能及特點進行了匯總，如表1。

表1 不同類型路側安保設施對比

由表1可以發現，防護效果較好的主要是連續護欄，但造價較高；而造價低的間斷式護墩、警示樁，防護效果又不理想。對比高等級公路，許多低等級公路依山傍水，路側就是懸崖，十分危險，路側安保設施的設置又十分必要。多數低等級公路為了節省建設費用，公路線型多依照地形設計，彎道較多，線性較差，設計時速較低。在較低的行駛速度下，車輛失控碰撞的能量較小，這也使得修建較為經濟的路側安保設施成為可能。

間斷式護墩作為路側安保設施最大的優點是經濟耐用，修建及養護都比較方便。缺點主要是由于是間斷式布置，對失控車輛誘導能力差，如果失控車輛撞擊在墩頭處，會產生極大的碰撞能量。除了對車輛造成極大的傷害，也對護墩質量提出了極高的要求。同時規范中給出的建議布設間距沒有根據線性和設計時速進行優化，也造成財產和資源的浪費。為優化間斷式護墩作為路側安保設施的防護效果和建設成本，逼著以安全、經濟和環保作為設計理念，綜合以上低等級公路的特點，結合JTG D81—2006《公路交通安全設施設計規范》[8](以下簡稱《規范》)中相關規定和要求研究設計了一種新型的間斷式混凝土斜護墩，用以配套建設低等級公路路側安保設施。

斜護墩是一種間斷式路側安保設施，通過轉動上部墩塊使之與行車路面方向形成一定角度，避免車輛直接撞擊墩頭處，對失控車輛產生良好的誘導，在一定程度上實現連續護欄的效果。同時根據道路線形、設計及運行時速及交通流構成進行斜護墩旋轉角度及布設間距設計，進一步降低建設成本，達到安全、經濟、環保的效果。

2 數值仿真模擬

在進行斜護墩布設間距及具體形式設計前，首先要確定斜護墩的保護效果以及影響斜護墩保護效果的重要因素。圖1為斜護墩布設示意及與普通間斷式護墩的對比。

圖1 斜護墩與普通護墩對比及斜護墩保護車輛平面示意Fig.1 Oblique and general nursing care pier contrast and oblique care protection plan view of the vehicle

連續護欄相比較間斷式護墩最大的優勢是連續護欄以改變失控車輛行駛方向為主，有良好的誘導能力[9]，減小與車輛發生大角度碰撞而產生極大的沖擊力，同時連續護欄可以作為整體吸收碰撞能量，避免車輛沖出路面。對于普通間斷式護墩來說，失控車輛有50%的幾率與墩頭發生碰撞。如果車輛一旦與護墩墩頭發生碰撞，會產生極大的碰撞能量，對車輛造重大損傷，如圖1(a)。同時失控車輛也有可能沖垮護墩越出路外，造成二次傷害，這是筆者設計斜護墩時首要避免的問題。斜護墩則通過自身轉動一定角度及布設間距的變化，保證車輛在以一定角度沖出路面時被墩身阻攔而不碰撞在墩頭，以達到良好的誘導效果。

斜護墩碰撞角為沖出路面角度α及斜護墩自身轉動角度β之和，較之于普通間斷式護墩及護欄碰撞角要大，故本節數值模擬主要研究確定車輛沖擊斜護墩時運動軌跡狀態以及碰撞碰撞角度極限值，用以指導后文斜護墩具體設計。

2.1 建立模型

考慮到是低等級道路路側安保設施，參照規范中公路護欄防撞等級B級要求，試驗車質量10 t，碰撞速度40 km/h為基本條件建立模型。碰撞模型使用卡車總重9.99 t，總高度3.33 m，寬度2.4 m，總長8.6 m。模型主體采用殼單元，單元厚度為4.3 mm，采用24號材料MAT-PIECEWISE-LINEAR-PLASTICITY。懸架采用殼單元，單元厚度7.3 mm，采用24號材料。輪胎胎面采用殼單元，單元厚度20 mm，側胎單元厚度10 mm，并均選用1號材料。模型中路面采用剛性材料，斜護墩高度80 cm，護墩設置為矩形，長200 cm，寬40 cm。以行車方向前端護墩中心為軸心向路外旋轉不同角度。模型如圖2。

圖2 車輛碰撞整體模型Fig.2 Vehicle collision overall model

本次數值模擬計算假設條件如下：

1)假設車輛失控駛出路面為首次碰撞；

2)不考慮空氣阻力影響，對車輛直接施加重力場；

3)考慮碰撞中摩擦影響，假設斜護墩在碰撞中不發生破壞；

4)假設碰撞前后車輛在初始設定條件下自由運動，不受駕駛影響。

2.2 碰撞結果分析

本次模擬假設車輛沖出路面角度為20°，共分析了斜護墩旋轉角度5～40°(步長為5°)等8種不同情況，其碰撞角分別為25～60°[10]。此外，還進行了車輛碰撞墩頭的仿真模擬。數值模擬計算主要在LS-DYNA中進行，使用LS-PREPOST進行分析可以得到9組仿真實驗的結果。從車輛軌跡、車輛行駛速度變化、撞擊力大小等方面進行分析，結果如表2。

表2 數值模擬結果分析

由表2可知，車輛撞擊墩頭時車輛直接損毀，撞擊力峰值遠大于與斜護墩碰撞時撞擊力。在車輛與斜護墩碰撞時，隨著碰撞角度的增大，車輛撞擊減速的加速度值以及撞擊力峰值都相應變大。由碰撞軌跡可知，當碰撞角度較小時，斜護墩對車輛的誘導作用主要是通過車頭及車身與護墩擦碰使得車身回到正常行駛方向。當碰撞角較大時，車頭與護墩產生嚴重碰撞，阻攔車輛越出路外。車身發生傾斜甩尾，與后方護墩產生二次碰撞摩擦。

圖3為碰撞角為50°時行車軌跡。車輛于0.01 s碰撞到第1個斜護墩。第0.08 s車頭右側變形摩擦，車身發生輕微甩尾，車體向前行進。第0.28 s車頭碰上第二個斜護墩，車身與第一個斜護墩摩擦，車體向前行進。0.45 s車頭原理斜護墩，恢復正常行駛方向，顯示出斜護墩良好的誘導能力。

圖3 碰撞角為50°時車輛模型碰撞軌跡Fig.3 Vehicle model collision trajectory when the collision angle is 50 degree

通過數值模擬結果可知：斜護墩能夠對車輛起到有效的誘導作用。碰撞角較小時，斜護墩在碰撞中改變失控車輛行駛方向，誘導車輛回到路面。同時應注意到的是，誘導過程中車輛與護墩會產生較大面積摩擦，故設計時應對斜護墩墩頭進行優化，以弧形面為宜，以免在摩擦中墩頭對車輛造成較大的二次損傷。碰撞角較大時，車輛與斜護墩產生嚴重碰撞摩擦，汽車重心升高，為保證車輛不側翻，車輛與斜護墩極限碰撞角取50°。碰撞角越大對車輛傷害越大，故在設計時斜護墩旋轉角β在綜合各方面因素時應盡取最小值。

3 旋轉角及布設單位長度研究

現有規范給出的間斷式防護墩間距為2 m，為了更加經濟、安全、環保的建設低等級公路路側安保設施，逼著分析了研究低等級公路不同線型點，并設計出變間距斜護墩布設方案。

3.1 直線段條件下旋轉角及布設單位長度研究

首先討論直線段條件下斜護墩旋轉角及布設單位長度問題。圖1中：a代表護墩長度；b為最大布設單位長度，即一個護墩能夠保護道路的最大長度；c為車輛寬度；α為車輛沖出路面的角度；β為護墩旋轉的角度；車輛與斜護墩實際碰撞的角度為α與β兩者之和。這4個變量互相影響。

按照《規范》[8]建議，首先確定護墩長度a=2 m，小車車輛寬度c=2 m。據統計，85%以上的車輛是以<20°的角度沖出路面的，《規范》[8]中也規定我國護欄碰撞角度為20°，所以筆者設計車輛沖出路面角度α最大取值20°。通過分別改變α與β的值來確定b的長度，如表3，其變化規律如圖4。

表3 不同沖出角α下變化旋轉角β時最大布設單位長度b的變化情況

圖4 最大布設單位長度b隨α和β變化規律Fig.4 The law of the max unit length b changing with different α and β

最大布設單位長度b的計算如式(1)：

b=a·sin(180-α-β)/sinα

(1)

通過表3及圖4可以發現：隨著斜護墩旋轉角增大，最大布設單位長度b隨之增大。當沖出角度較小時，b隨β增大趨勢較快；當沖出角較大時，b隨β增大趨勢較緩。對于低等級公路來說，一個護墩能保護的道路長度b越長，建設費用越經濟；α與β角之和越小，碰撞能量越小。

在道路修建過程中，如果遇到較長的直線段，路面條件及視野較好時，考慮沖出角α時可以適當取較小值；如果直線段較短，或是復雜線性中的一段直線段時，α宜取較大值。

3.2 曲線段條件下旋轉角及布設單位長度研究

較之于直線段，道路曲線段的斜護墩轉角及布設單位長度研究更為復雜，增加了由平曲線半徑決定的附加角γ等影響因素。圖5為左轉平曲線車輛沖出路面示意。

圖5 車輛在曲線段沖出路面平面示意Fig.5 Vehicles off the road in a curve segment schematic plan

車輛通過直線段進入曲線段時，假設沿道路中心線行駛不轉向直行，與路緣線形成的夾角為γ。車輛在彎道失控沖出路面時，設計中采用最不利情況下沖出路面角度為α與γ角度之和。故在彎道中失控車輛沖出路面角度一般大于直線段失控情況，這也是彎道事故多發的原因之一。

左轉平曲線時γ角的取值主要是由平曲線半徑以及路面寬度所決定的，設平曲線半徑為r、路面寬度為d，則γ的計算如式(2)：

γ=arcos[r/(r+d)]

(2)

假設低等級公路為雙向兩車道，單幅路面寬度取3.75 m，表4為不同圓曲線半徑下γ角取值大小。

表4 不同圓曲線半徑值下γ角取值

左轉平曲線條件下斜護墩轉角及布設單位長度設計參照直線段設計情況，沖出路面角度取α與γ之和，斜護墩轉角β取值為斜護墩與平曲線切線夾角，碰撞角即為α，γ和β這三者之和，如圖3。最大布設單位長度b按直線段計算，施工時按曲線段弧長測量放樣，其計算如式(3)：

b=a·sin(180-α-γ-β)/sin(α+γ)

(3)

假設最不利情況下α=20°。表5為不同曲線半徑條件時各斜護墩旋轉角下的最大布設單位長度及碰撞角大小。圖6為各圓曲線半徑下不同旋轉角時最大單位布設長度變化趨勢。

表5 各圓曲線半徑下不同旋轉角時最大單位布設長度及碰撞角

圖6 各圓曲線半徑下不同旋轉角時最大單位布設長度變化趨勢Fig.6 Each curve radius with different rotation angles of the largest units of different length change trends

由表5及圖6可知，相同斜護墩旋轉角度下，圓曲線半徑越小，碰撞角度越大，最大布設單位長度b越小；相同圓曲線半徑下，斜護墩旋轉角度越大，碰撞角度越大，最小布設間距越大。對于墩長2 m的斜護墩來說，最大布設單位長度<3 m時，綜合考慮安全保護效果及經濟效益，修建連續型護欄更為合理。當圓曲線半徑<250 m時，極限碰撞角為50°的前提下，最大布設單位長度均<3 m。所以當左轉圓曲線半徑<250 m時，宜布設連續護欄。

當彎道為右轉平曲線時，失控車輛沖出路面角度為α與γ的差值，故碰撞角相應比直線段路面要更小，斜護墩布設單位長度可相應加大。但考慮彎道行車復雜性，故右轉平曲線斜護墩布設單位長度宜與其連接的直線段上斜護墩布設單位長度相同。

4 低等級公路斜護墩布設建議

通過對斜護墩防護誘導效果的仿真模擬分析，結合斜護墩在不同道路線型情況下旋轉角度及布設單位長度分析結果，筆者給出以下低等級道路斜護墩布設建議：

1)對于《規范》[8]要求設置路側護欄的山區公路必須設置護欄，如受到資金限制可以采用筆者提出的斜護墩進行替代。

2)斜護墩旋轉角取值主要根據路緣修建條件確定。路緣寬度較大，斜護墩可以取較大旋轉角。

3)在較長直線段，視野及道路條件較好時，建議斜護墩旋轉角度在15～30°之間，具體取值根據路緣條件確定。相應布設單位長度取4～10 m，具體長度依據旋轉角度計算取整得到。在銜接圓曲線的較短直線段宜采取保守設計，布設單位長度不宜>6 m。

4)在行車方向左轉圓曲線右側斜護墩布設須根據圓曲線半徑進行計算。當圓曲線半徑<250 m時，宜采用連續護欄。當圓曲線半徑>250 m時，隨圓曲線半徑增大可斜護墩布設單位長度從3 m逐漸變大，旋轉角取值從25°相應減小，但布設單位長度不宜<4 m。

5)在行車方向右轉曲線右側斜護墩參照與其連接的直線段斜護墩布設單位長度進行布設。

6)直線段與曲線段相接的緩和曲線段斜護墩布設單位長度宜線性遞增或遞減銜接。

5 視覺引導特點及經濟效益分析

5.1 斜護墩視覺引導特點

對于山區低等級道路來說，路側護墩是十分重要的安保設施。而斜護墩最大的特點是其通過旋轉一定的角度，達到了連續護欄的效果，通過對失控車輛的誘導，減少對事故車輛的損害，這一點較之于普通護欄有極大的優勢。此外，斜護墩對駕駛員視覺也有著積極的引導作用。圖7為等間距下普通護墩與斜護墩的駕駛員視角對比。

圖7 駕駛員視角對比Fig.7 The comparison chart of driver’s perspective

通過圖7可以看出，斜護墩有更好的視覺引導作用。在相同布設間距下從駕駛員的角度觀察，普通護墩在車輛附近是間斷的，而斜護墩則是連續的。山區道路路側往往是深溝山澗，斜護墩產生的連續視覺效應不僅能夠更加清晰的描繪出前方道路線形變化及道路輪廓，還能起到能集中駕駛員的注意力，增加駕駛員行車安全感的作用。同時由于斜護墩在視覺上是連續的，通過對斜護墩側面圖樣的科學繪制，還能起到一定的道路信息傳達作用。

5.2 斜護墩經濟效益分析

斜護墩不影響路基寬度，一般道路路緣至邊坡最少有0.5 m，斜護墩約有15°旋轉空間，故一般道路都可修建斜護墩，不會影響原有路面寬度或增加路基建設成本。路側空間越大，斜護墩可旋轉角度越大。根據表3計算數據，對比現有規范的護墩布設方案，可得到單位公里建設成本節省數據。表6為斜護墩旋轉角為30°時不同沖出角下采用斜護墩單位公里建設成本節省數據。

表6 采用斜護墩單位公里建設成本節省數據

由表6可知采用斜護墩可以大大減少路側安保設施的建設成本，根據不同的布設形式可節省路側安保設施建設資金10%～70%。這也就意味著可以用更少的建設資金使得更多道路得到保護，這對山區道路安全有著重要現實意義。

6 結 論

筆者通過數值仿真模擬研究了不同碰撞角下車輛與斜護墩撞擊的各種情況，在此基礎上分析研究了不同低等級公路線型斜護墩布設單位長度及旋轉角度，得出以下主要結論：

1)斜護墩對失控車輛有良好的誘導作用，能在一定程度上起到連續護欄的保護效果；

2)為保證車輛不傾覆，車輛與斜護墩最大碰撞角為50°；

3)改變斜護墩旋轉角度，可相應改變斜護墩布設單位長度。根據不同公路線型，斜護墩采取變間距布設方案，從而達到節約建設費用的效果。

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Design of Oblique Guard Pier Based on Induction of Runaway Vehicle

Wei Lianyu1, Feng Lei1, Song Yang1, 2, Zhang Haifeng1, 3

(1. School of Civil Engineering, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, China;2. Hebei Engineering & Technical College, Cangzhou 061000, Hebei, China;3. Huabei Expressway Co. Ltd, Beijing 100176, China)

In order to build safer, more economical and environmentally friendly rural road side security facilities, the concept of oblique guard pier was proposed. By using software HYPERMESH and LS-DYNA, oblique guard pier, road and vehicle collision model system were integrated, and a complete collision model was established. LS-PREPOST was used to carry out a numerical analysis on the vehicle and the oblique guard pier collision under different rotation angles. The results indicate that oblique guard pier has a good ability to induce the runaway vehicle. On this basis, combined with road traffic safety facilities design specifications, retaining pier oblique angle of rotation and linear layout spacing for different sections of study, a more complete rural highway roadside security infrastructure solutions were proposed.

road engineering; oblique guard pier; numerical simulation; low-grade highway; roadside security facility

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.12

2014-05-04；

2014-10-20

國家自然科學基金項目(50808064); 河北省交通運輸廳科技計劃項目(C080213)

魏連雨(1957—)，男，天津人，教授，博士生導師，主要從交通及道路方面的研究。E-mail：wly57@126.com。

U491.59

A

1674-0696(2015)05-058-07