公路護欄碰撞分析及探討

黃贊華

摘要：隨著我國公路里程數(shù)和車輛保有量日益增長，道路交通事故中的公路護欄碰撞問題也層出不窮，迫切需要對交通安全設(shè)施工程進行專項研究。文章通過分析公路護欄問題存在的現(xiàn)狀，研究國內(nèi)外護欄規(guī)范水平差異、設(shè)計原則及影響因素，分析了護欄碰撞問題囊括的運動學(xué)、動量定理、質(zhì)量及能量守恒法公式，并對車輛碰撞公路護欄的數(shù)值模擬進行研究，得出評價及建議，研究成果可為交安工程設(shè)計和施工提供參考。

關(guān)鍵詞：公路;交安工程;護欄;碰撞分析

中國分類號：U491.5+9文獻標識碼：A

0 引言

根據(jù)調(diào)研，截至2019年，我國的公路總里程約為484.65萬km，高速公路約為14.26萬km，位居世界之首。然而，盡管我國的公路事故指標（事故發(fā)生數(shù)、死亡數(shù)、受傷數(shù)、直接財產(chǎn)損失）得到有效控制，但是在普通干線公路上的事故中約有45%是車輛越出道路引起的，而在高速公路中則為30%，同時產(chǎn)生的特大及重大惡性交通事故比例為60%。我國交通事故造成的死亡人數(shù)達到全世界的1/7，由車輛碰撞公路路側(cè)死亡人數(shù)約為1/3，且人數(shù)每年增加，均為護欄碰撞事故。

鑒于護欄的碰撞問題顯著，較多學(xué)者對此進行研究。黃紅武[1]通過計算機仿真建立汽車與護欄碰撞的模型，設(shè)置不同的碰撞條件，系統(tǒng)研究轎車與護欄發(fā)生碰撞時破壞特性和人員的動態(tài)響應(yīng)，根據(jù)仿真結(jié)果提出一種護欄立柱結(jié)構(gòu);毛娟娟[2]通過有限元仿真建立客車與護欄的碰撞仿真模型，模型考慮客車的幾何尺寸和護欄的連接方式等參數(shù)，對BHI型防阻塊半剛性三波護欄結(jié)構(gòu)進行安全性能評估，分析客車與護欄碰撞對護欄的影響，提出增加防阻塊的橫向尺寸和增加立柱厚度能提高護欄的防護能力;朱超等[3]通過在護欄立柱上設(shè)置多個螺孔來調(diào)節(jié)護欄的高度;楊立偉等[4]基于SA級鋼護欄的設(shè)計基礎(chǔ)設(shè)計新型波形梁護欄，該新型護欄經(jīng)過碰撞試驗，各項安全指標滿足設(shè)計需求，并用于張承高速公路;張朝旭和郭世永[5]對車輛在相同初速度下以不同角度與護欄進行碰撞仿真試驗，得出m型護欄在車輛與護欄發(fā)生碰撞時對車體的攔阻和保護效果較好。同時，關(guān)于公路護欄方面的設(shè)計、施工規(guī)范還存在紕漏，碰撞評判指標不夠系統(tǒng)全面，需要進一步研究。

1 公路護欄碰撞現(xiàn)狀分析

1.1 國內(nèi)外護欄研究水平

護欄是一種障礙物，是交通安全設(shè)施，作為公路工程重要的基礎(chǔ)設(shè)施，逐漸地成為高速公路的重要維護和安全保障措施。設(shè)置護欄的主要目的是阻擋碰撞能量小于或等于設(shè)計防護能量的碰撞車輛并導(dǎo)正其行駛方向。高速公路、一級公路、二級公路一般設(shè)置SB級、A級防護等級的三波護欄，其由三波鋼護欄板、防阻塊、立柱、拼接螺栓、連接螺栓等組成;而低等級道路如三、四級公路設(shè)置B級、C級的二波護欄，不設(shè)置防阻塊。

關(guān)于護欄的應(yīng)用，在交通運輸建設(shè)期，較多學(xué)者就進行了大量的研究，取得了豐富的科研及工程應(yīng)用成果。如19世紀50年代，美國通過交通工程科研委員會公布了世界上第一項關(guān)于護欄碰撞試驗的準則[6]。

然而，我國于19世紀70年代才開始研究護欄設(shè)施，并于1984年提出了第一個適用于我國公路條件的護欄結(jié)構(gòu)。由于科研資源匱乏，未開展相關(guān)系統(tǒng)的研究，只是直接借鑒了國外的護欄標準及形式，因此我國護欄存在一系列問題：如護欄的樣式較少;可選擇性較差;各類功能較為單一等。同時，我國車型和交通規(guī)則與國外的標準有所不同。綜上所述，目前國內(nèi)較少護欄能夠完全、合理地滿足我國的交通工程要求。

1.2 護欄設(shè)計的原則問題

護欄實際凈區(qū)寬度較小，當凈區(qū)寬度小于計算凈區(qū)寬度，且車輛碰撞護欄駛出公路比不設(shè)護欄駛出公路損害小時，應(yīng)考慮在公路設(shè)置護欄。護欄的設(shè)置還應(yīng)考慮工程經(jīng)濟性。

通過合理的公路工程設(shè)計將駛出路外的事故影響降至最低，消除那些可能產(chǎn)生致命后果的因素，設(shè)置護欄只是降低駛出路外事故后果的方法或手段之一。護欄并不是設(shè)置得越多越好、強度越高越好，因為護欄本身也是一種障礙物，只有當駛出路外的車輛碰撞障礙物與碰撞護欄相比，后果更嚴重，才考慮設(shè)置護欄。人的生命無價，但即使是發(fā)達國家，是否設(shè)置護欄也是基于工程經(jīng)濟分析結(jié)果，而更少考慮人身安全。據(jù)此，護欄設(shè)計需要經(jīng)過大量研究，綜合考慮安全與經(jīng)濟原則。

1.3 護欄設(shè)計的影響因素

護欄設(shè)計時考慮的因素，主要是預(yù)估車輛駛出路外事故的風(fēng)險。駛出路外的風(fēng)險與事故概率及事故嚴重程度有關(guān)。具體駛出路外的風(fēng)險評估，各地可根據(jù)已有公路的條件、事故的情況進行論證分析，逐步建立和使用本地的風(fēng)險評估模型及參數(shù)。

設(shè)計時應(yīng)考慮下列影響因素：路側(cè)或中間帶實際凈區(qū)寬度是否滿足計算凈區(qū)寬度要求;不能滿足計算凈區(qū)寬度要求時，路側(cè)或中央分隔帶障礙物的情況;不能滿足計算凈區(qū)寬度要求時，設(shè)計交通量、設(shè)計速度、總質(zhì)量≥25 t的貨車比例、路段線形條件等;滿足計算凈區(qū)寬度要求時，路側(cè)鄰近位置是否存在懸崖、深谷、深溝等危險地形，中央分隔帶是否采取了防止車輛駛?cè)雽ο蜍嚨赖奶幹么胧?同時還應(yīng)考慮護欄的成本效益比，并與周邊環(huán)境相協(xié)調(diào)。

需要指出的是，對于滿足計算凈區(qū)寬度要求的路段，如存在懸崖等危險條件，仍需根據(jù)公路路線線形、交通量、車型構(gòu)成以及計算凈區(qū)寬度外風(fēng)險源的位置等因素進行交通安全綜合分析，以確定是否需要設(shè)置護欄。此外，路側(cè)有高速鐵路、高壓輸電線塔等時，護欄的設(shè)置還需要符合國家相關(guān)法律法規(guī)的規(guī)定。

2 碰撞原理研究

通過確定汽車與護欄端頭碰撞仿真試驗的條件，介紹汽車與護欄端頭碰撞能量衰減裝置仿真分析涉及的理論，包括控制方程、單元類型的選擇、時間積分的算法以及碰撞試驗過程中的沙漏控制方法等，確定本文對汽車與護欄端頭碰撞仿真試驗采用的各種算法及方法。

2.1 運動方程[7]

3 碰撞評價分析及建議

由碰撞仿真結(jié)果，采用幾個評價指標對雙波形梁護欄進行防撞評價。采用的評價指標分別是：車輛方面采用《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）（以下簡稱標準B05）規(guī)定;人員方面采用《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》（JTG/T D81-2017）（以下簡稱標準D81）規(guī)定;護欄方面采用標準B05規(guī)定。上述標準結(jié)合仿真可對防控指標進一步量化及優(yōu)化如下：

3.1 車輛方面

汽車與公路護欄發(fā)生碰撞時，根據(jù)標準B05，護欄應(yīng)能夠阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，車輛碰撞后不得翻車。

3.2 人員方面

根據(jù)標準D81的規(guī)定，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均≤12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量加速度≤200 m/s2。

3.3 護欄方面

根據(jù)B05規(guī)定，護欄構(gòu)件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。在碰撞發(fā)生時，通過以上指標對護欄進行評估，如碰撞不能達到以上指標要求，即護欄安全性能達不到要求。

基于正交試驗法通過上述研究，得出的建議可為公路工程護欄設(shè)計及優(yōu)化提供參考。

4 結(jié)語

通過研究公路交通安全工程護欄設(shè)施，分析目前存在的問題，探討護欄碰撞原理，研究護欄碰撞模擬，得出以下結(jié)論：

（1）我國護欄的樣式較少，各類功能較為單一，較少護欄能夠完全滿足要求。護欄的設(shè)計除了權(quán)衡安全與經(jīng)濟原則的同時，應(yīng)考慮影響因素：路側(cè)或中間帶實際凈區(qū)寬度應(yīng)滿足計算凈區(qū)寬度要求;路側(cè)或中央分隔帶障礙物、設(shè)計交通量、設(shè)計速度、總質(zhì)量≥25 t的貨車比例、路段線形條件、不良地質(zhì)條件及環(huán)境等因素。

（2）護欄碰撞原理基于運動方程、動量方程、質(zhì)量及能量守恒方程，結(jié)合面力和位移邊界條件，進行離散公式轉(zhuǎn)換，推演碰撞機理公式。

（3）車輛與三波形梁護欄進行仿真模擬碰撞試驗，得出車輛的加速度較大，大于標準D81的規(guī)定的數(shù)值，加速度較大使乘員受傷，使得護欄的防護性能較差，從而引起嚴重傷亡事故，護欄達不到B05標準的要求。同時根據(jù)仿真結(jié)果可對雙波形梁護欄進行優(yōu)化，性能有較大提高。

參考文獻：

[1]黃紅武.轎車與高速公路護欄碰撞事故分析及仿真研究[D].長沙：湖南大學(xué)，2003.

[2]毛娟娟.客車與半剛性護欄碰撞的有限元分析與模擬[D].大連：大連理工大學(xué)，2008.

[3]朱 超，邵毅明，周 莎，等.新形勢下道路安全護欄發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究[J].公路與汽運，2011（4）：83-86.

[4]楊立偉，朱艷艷，朱 玉，等.新型波形梁護欄的開發(fā)及應(yīng)用研究[J].公路，2018，63（11）：215-219.

[5]張朝旭，郭世永.基于LS-DYNA的車輛與道路中央護欄碰撞仿真研究[J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程，2019，57（5）：66-69.

[6]伊 政.高速公路波形梁護欄碰撞仿真研究及其優(yōu)化[D].長沙：湖南大學(xué)，2014.

[7]姚 疆.汽車護欄系統(tǒng)碰撞仿真研究[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2010.

[8]Poux A，Glockner S，Azaiez M.Improvements on open and traction boundary conditions for Navier-Stokes time-splitting methods[J].Journal of Computational Physics，2011，230（10）：4 011-4 027.

[9]Gross M R，Engelder T.Strain accommodated by brittle failure in adjacent units of the Monterey Formation，USA：scale effects and evidence for uniform displacement boundary conditions[J].Journal of Structural Geology，1995，17（9）：1 303-1 318.

[10]王希杰.汽車側(cè)面碰撞安全性能分析與優(yōu)化[D].重慶：重慶理工大學(xué)，2012.