西藏國省干線的波形梁護欄碰撞安全性分析

柳 甜，朱自成

（西安中交公路巖土工程有限責任公司，陜西 西安 710075）

隨著近年來西藏地區公路交通的深入發展，客運車輛迅速增多，各種交通事故頻繁發生，2014年8月9日以及8月18日西藏自治區境內國道318線相繼發生兩起特大交通事故，共造成47人遇難、13人失蹤、40人受傷。事故發生后，自治區黨委、政府高度重視，為深入貫徹黨的十八大和十八大三中、四中全會精神，貫徹落實習近平總書記系列重要講話精神，落實國務院的決策部署，牢固樹立以人文本、安全發展的理念，堅守發展決不能以犧牲人的生命為代價的紅線意識，以防事故、保暢通為目標，以落實安全生產責任為主線，以加強基層基礎建設為抓手，堅持公路建設、養護、安全并舉，緊緊抓住公路安全這一工作重心；按照“消除存量、不添增量、動態排查”方針，大力整治公路安全隱患，不斷完善安全設施，依法強化綜合治理，全面提升公路安全服務水平，促進全區道路交通安全形勢持續穩定好轉，因此其道路安全性也愈發受到重視。

由于西藏地區地形地質條件較差，大部分道路等級較低，同時因山高水急、路窄谷狹，一旦發生路側交通安全事故，很可能引發二次事故，其危險性也更嚴重。從防患于未然的角度出發，應合理準確地預測事故發生時的狀態，安全經濟地進行防護設施的設計施工。安防設施眾多，其中護欄對于公路交通安全的重要性不言而喻，而路側波形梁護欄的使用是最多的，其也是半剛性防護的典型代表型式。依據《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）將路側防撞等級由低到高分為C、B、A、SB、SA、SS六級，分別對應不同的碰撞能量。在發生碰撞時，波形梁護欄可以通過允許變形量吸收碰撞能量以保證車輛及司乘人員的安全，并使車輛安全停車或以安全的角度回到路面。《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）中也明確給出了邊坡、路堤高度與設置護欄的關系和路基護欄防撞等級適用條件等，能夠滿足一般交通安全設計的使用。對于規范中結論性或原則性的要求，需要更多過程性的數據作為支撐參考，對其研究則是多多益善，以使規范更科學、準確、合理。文章擬對車輛碰撞護欄的過程中的一些狀態進行分析研究，力求獲得更準確的過程量或界限值，為波形梁護欄的設計實施提供一些參考。

1 碰撞研究對象

（1）實際波形梁護欄的設置型式和位置。護欄一般構造圖中提出了土基坡頂寬度、邊坡坡度、立柱的埋入深度和地基材料等支撐條件。現場條件上述參數不同時，應檢查所在位置的設置條件和基礎狀況，對承載能力小的基礎進行改善。護欄設置于路肩的位置形式如圖1（a）所示。對于路肩寬度僅為50cm的路段，內側護欄需保證建筑限界不能被侵占的要求，外側護欄立柱需保證保護層厚度的要求。圖1（a）為護欄設置于土路肩寬度為50cm的情況，其明顯不能滿足立柱外側保護層厚度25cm的要求。對于路側路基壓實度不能滿足現行《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）中對路基路床壓實度要求時，或立柱外側土路肩保護層厚度＜25cm時，宜采用如圖1（b）所示的獨立混凝土基礎形式。

（2）碰撞模型假設。車輛在與護欄碰撞的前、中、后過程中，會有一些狀態量的改變，為了方便計算，在不影響最終結果或可忽略不計的情況下，應當做一些合理的假設，而后選取合適的參數及其量值進行與護欄碰撞前后的分析比較。下述是在安全角度和微量忽略不計的情況下引用規范的假設：①從車輛碰撞護欄起到車輛改變方向平行于護欄止，車輛的縱向和橫向加速度不變，豎向加速度和轉動加速度忽略不計；②車輛在改變方向時不發生絆阻，車輛改變方向平行于護欄時車輛的橫向速度分量為0；③車輛近似為質點運動，車輛碰撞護欄期間容許車輛發生變形，但車輛重心位置不變；④車輛與護欄、車輪與公路的摩擦力忽略不計；⑤波形梁護欄的變形值Z＞0，護欄連續設置。

（3）部分參數選取。規范的編制依據于大量的事實經驗和科學的試驗數據，具有普遍的參考和指導意義。《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）對于護欄設置原則和條件作出明確的細化區分，對于不同等級的護欄給出了詳細的各項指標。如波形梁護欄，除了具體的構型尺寸和設置要求，還給出了不同防護等級下可吸收的碰撞能量、不同車型在不同防撞等級下的對應的護欄最大橫向動態外延值和車輛最大動態外傾當量值、說明了波形梁護欄強度和立柱剛度、土的承載力及梁的抗拉強度的關系等。《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）中給出了混凝土護欄所受碰撞荷載分布和碰撞力，金屬梁護欄橫梁拼接處的設計拉力值，公路護欄碰撞條件，部分被調查公路的碰撞角度特征統計量匯總表，干線公路不同車型車輛占有率、平均車速匯總表以及其典型車型的車速統計、設計速度與碰撞速度取值表等。文章選取在西藏地區常用的路基波形梁護欄時，依據規范選擇碰撞基礎條件：三級道路，B級護欄（立柱φ114mm×4.5mm，無防阻塊，可吸收能量為70kJ）；碰撞車輛為小型客車（此類車輛在道路上占有率最高），碰撞速度為60km/h，由于碰撞發生的反應時間和反應距離極短，緊急剎車輪胎抱死時（剎車為負）的加速度一般最大為-8m/s2，故此處暫不考慮制動工況（制動下的安全性自然高一些）；碰撞角度最大選取25°（觀測值≤25°的約為一般調查統計的85%）。

圖1 護欄典型設置圖（單位：mm）

2 車輛與護欄碰撞過程的狀態分析

2.1 碰撞過程分析

碰撞發生的過程是短暫而劇烈的，車輛與護欄發生接觸沖撞后，金屬波形梁護欄在極短時間內達到彈性應力最大值，在這個過程中產生最大橫向沖擊力，之后波形梁護欄進入屈服塑性變形階段，吸收部分碰撞能量，達到屈服應力迫使車輛停止運動或沿護欄轉向，重新回到地面沿路線方向。碰撞完成后，若車輛變形受損嚴重，將使車輛損壞至不能開動和危及乘員安全，阻礙影響后續交通。

在這個過程中，應保證護欄的力學穩定性和安全性，及車輛和乘員的安全性。需要界定3個能量及其關系：一是車輛與護欄發生碰撞所產生的總碰撞能量E總，這主要由碰撞時車輛質量和碰撞速度決定；二是在碰撞中車輛將產生變形，吸收較大的一部分碰撞能量E車，此限度應保證人車安全；三是護欄能夠吸收的碰撞能量E護欄。設置護欄時，其外側多為坡谷溝河或有構造物等需要保護，其凈寬有一定的限制，所以細則中給出了不同型式級別護欄的最大橫向動態位移外延值（W，m）和車輛最大動態外傾當量值（VIn，m），這從客觀上決定了護欄的變形是有限度的，加上金屬波形梁護欄本身塑性變形能力有限，所以護欄在整體上吸收碰撞能量也是有限的。另外，碰撞前車輛的制動、碰撞摩擦時熱量的散失等也會抵消一部分碰撞能量，這些量值相對較小或難以準確計算，記為E熱，雖忽略不計，卻可以作為富余量提高安全性。所以在設計時，應盡可能提高護欄每單位變形量吸收碰撞能量的能力，合理限制車輛行駛速度，保證E總＜E車+E護欄+（o）E熱。

2.2 碰撞安全性驗算

在無條件時，護欄一般選取混凝土基礎，其形狀規格為0.5m×0.5m×0.6m（高度d×長度L×寬度b）。

根據規范《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017）式（3-2）計算碰撞橫向荷載，根據設計公路等級參考規范《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05—01—2013）表5—6取小型客車參數為m=2t、長5m、寬1.8m、碰撞速度60km/h、碰撞角25°。

（1）碰撞橫向荷載。

由8Pe=F橫max，得Pe=6.946kN。式中：F橫max為車輛作用在護欄上的最大橫向碰撞力，kN；m為車輛質量，kg；V為車輛的碰撞速度，m/s；θ為車輛碰撞角度，°；C為車輛重心至前保險杠之間的距離，m；b為車輛的寬度，m；Z為護欄的橫向變形，m。撞擊力分布圖如圖2所示。

圖2 撞擊力分布圖

（2）基礎穩定性驗算。穩定性計算圖示如圖3所示。作用點高度h=0.5m；外力矩Me=pe×（h+d）=0.946kPa。地基和混凝土的相關參數：土的內部摩擦角φ=25°，主動土壓系數Ka=0.406；被動土壓系數Kp=2.464，土和混凝土的摩擦系數μ=0.6；基地容許應力[σ]=350kPa；土的密度γs=18kN/m3；混凝土的密度γc=25kN/m3；基礎抗滑動穩定系數sf=1.2；基礎抗傾覆穩定系數s0=1.2。①基礎滑動穩定性驗算。自重的摩擦阻力：pw=μWc=μ×d×L×b×γc=0.6×0.5×0.5×0.6×25=2.25kN。單側側向主動土壓力：Pa=Ka×γs×d×L/2=0.406×18×0.5×0.5/2=0.9135kN。單側側向主動土壓力的摩阻力：Pf=μpa=μ×Ka×γs×d×L/2=0.6×0.9135=0.5481kN。前面被動土壓力：pp=Kp×γs×b×d/2=2.464×18×0.6×0.5/2= 6.6528kN。相對于滑動的阻力：Pγ=Pw+2pf+PP=2.25+2×0.5481+6.6528=9.999kN。相對于滑動的穩定性評價：sf×pe=1.2×6.946=7.983＜Pγ。滿足抗滑穩定性。②基礎傾覆穩定性驗算。基底至壓力最大一邊的邊緣的距離：Y=L/2=0.25m。外力合力偏心距：Mp=Pp×d/3=1.1088kN·m。Mf=Pf×d/3=0.0914kN·m。e0=Me-Mp-2Mf/Wc=1.51m。抗傾覆穩定系數：K0=y/e0=0.17＜s0。滿足抗傾覆穩定性。③基底應力驗算。M=Me-Mp-2Mf=5.6544kPa。σ=Wc/L×b+6M/L×b=125.588kPa＜[σ]。基底應力滿足要求。

（3）碰撞能量轉換。車輛所具有的動能：E=1/2mv2=2×103×602/（2×3.62）≈278kJ。

根據規范無防阻塊的B級護欄吸收碰撞能量為70kJ；根據已有實車足尺碰撞試驗結論認為當乘員側面碰撞速度＜12m/s，或正面碰撞速度＜15m/s，且加速度＜15g時，則乘員安全。以2t車輛為例，對應的乘員保證安全情況下可接受的剩余碰撞能量為225kJ，則E車+E護欄=225+70=295kJ＞278kJ=E，略大于碰撞時所具有的動能。其中，車輛承受了較大部分的碰撞能量，護欄吸收較少的一部分，另外有較小一部分轉化為熱能散失。總體認為其滿足安全要求，且最大經濟性地利用了護欄的防護性能。

圖3 穩定性計算圖示

3 結論

現有護欄碰撞分析方法主要采用實車足尺碰撞試驗和LS-DNYA計算機仿真模擬的方法。文章借鑒前人試驗方法和相關結論對于西藏地區現行國道三級公路路側B級波形梁護欄的碰撞安全性，以在較高車速60km/h和較大碰撞角25°的條件下進行了分析驗算，均滿足安全性要求。

4 問題與建議

查閱現有相關規范和同行著作，發現規范中有混凝土護欄的碰撞荷載分布卻無波形梁護欄碰撞荷載分布的相關研究。筆者認為廣大同行可對此進行研究完善，加深對波形梁護欄的發展提供助力安全防護性能的認識。

同等級下的波形梁護欄，立柱間距的不同，其防護效果不同。小間距立柱布置除在線形上適用于小半徑曲線外，在防護上適用于危險性較大地段，由于立柱分布相對密集，其防撞力高，橫梁變形小，可有效限制護欄外移破壞，同時給予碰撞車輛以較大的作用力；大間距立柱布置則與此相反，受碰撞時損壞變形較大，但可給予碰撞車輛更多的位移值緩沖。故在實際設計施工中，不宜一刀切采用同種設計，應根據實際情況，因地制宜，分別布置。