基于PC-Crash的公路護欄端頭安全性評價方法研究

王科超

(中國刑事警察學院，遼寧 沈陽 110035)

公路交通事故導致大量的人員傷亡和財產損失。車輛與護欄端頭發生碰撞時，碰撞部位、碰撞角度、碰撞速度、車載乘員數量等具有不確定性，容易對車輛及乘員造成更為嚴重的二次傷害[1]。據統計，2017年至2019年僅媒體公開報道的小型客車因不同原因碰撞護欄端頭后造成嚴重后果的事故共有15起，造成19人死亡、18人受傷[2]。因此，對公路護欄端頭進行碰撞安全性研究具有重要意義。

國內外對于護欄端頭的安全性評價方法研究日益增多，由于車輛與護欄端頭相撞的動力學過程較為復雜，目前的研究尚不完善。國外主要通過實車碰撞試驗和建立有限元模型兩種方法評價護欄端頭的安全性能，如Mario等利用實車碰撞試驗評估了護欄系統(MGS)在非專有的下游護欄端頭附近發生碰撞的安全性能[3]。我國對公路護欄端頭的安全性能評價從起初的“設計符合性檢查”層面[4]，逐漸轉向利用計算機仿真方法對護欄端頭的耐撞性和乘員損傷情況進行研究的更深層面，如雷正保等結合實車碰撞試驗和有限元仿真分析，利用混合元胞自動機的耐撞性拓撲優化方法，對其研發的新型柔性護欄端頭進行安全性評價[5]。實車碰撞試驗是驗證公路護欄端頭安全性能的最佳方法，但由于消耗大量資源，無法開展廣泛性試驗研究。隨著計算機仿真方法的興起，交通仿真軟件因其成本低、效率高、結果相對準確，實際應用更加廣泛。PC-Crash交通事故再現軟件，依據力學動量守恒與能量守恒的基本理論，可以根據事故現場信息模擬出交通事故涉事車輛碰撞發生過程，進而推導出碰撞前的運動形態，從而分析交通事故成因與交通事故責任認定[6]。PC-Crash軟件與其他交通仿真軟件相比，具有計算速度快，二維、三維動態反映具體，參數實時變化反映清晰，軟件生成的數據及分析圖表科學可靠等特點，對單車碰撞事故模擬效果較好，為公路護欄端頭安全性評價方法研究提供了有力的技術支持。

本研究通過開展護欄端頭模型的防撞性、導向性及車載乘員安全性的PC-Crash仿真分析研究，實現對公路護欄端頭較為全面的安全性評價，有助于交通管理部門分析護欄端頭事故具體碰撞類型及車輛、乘員損傷原因，為檢驗現有公路護欄端頭是否符合安全性能標準提供技術支持，也為護欄端頭的改進提供參考。

1 三種典型的護欄端頭

公路護欄不連續設置時便會出現護欄端頭，一組獨立護欄的兩端可分為上游端頭和下游端頭。上游端頭是面向車流方向的端頭，下游端頭是背向車流方向的端頭。一般而言，上游端頭的危害性遠高于下游端頭。不過，雙車道公路的下游端頭對于反向交通來說，也是上游端頭，因此兩邊端頭都需要小心處理。閆書明按照護欄端頭設置位置、護欄形式和端頭結構形式對護欄端頭進行分類[2]，如表1所示。

表1 護欄端頭分類

根據事故統計和現場調查可以發現，目前我國在公路中使用波形梁護欄端頭和混凝土護欄端頭比較廣泛，尤其是地錨式混凝土護欄端頭、直立式波形梁護欄端頭和地錨式波形梁護欄端頭，車輛與護欄端頭發生碰撞事故也多出現在這三種類型的護欄端頭。例如，2019年8月19日，在浙江樂清虹橋單板橋附近發生的一輛野馬牌跑車失控后與路側直立式波形梁護欄端頭相撞，護欄直接刺穿整個車身后呈現90°彎折狀態，車內安全氣囊爆開，事故造成1人死亡、2人受傷。因此，針對公路交通事故多發的護欄端頭類型，建立地錨式混凝土護欄端頭、直立式波形梁護欄端頭和地錨式波形梁護欄端頭三種模型，并設計車輛—護欄端頭的碰撞仿真試驗。

2 護欄端頭的安全性評價指標

根據《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)，護欄端頭的安全性評價指標應符合下述規定。

2.1 阻擋功能

(1)護欄端頭構件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。

(2)當質量大于2 kg的護欄端頭脫離件散落時，散落位置應位于圖1所示的直線Aa和直線Ad之間。直線Aa和直線Ad應平行于護欄標準段碰撞前迎撞面最內邊緣的地面投影線且間距分別應為0.5 m和1.0 m。當護欄端頭外側無其他行駛車輛或行人等安全要求時，直線Ad與護欄標準段碰撞前迎撞面最內邊緣地面投影線的間距可不作限制，如圖1所示。

(3)護欄端頭應阻擋正向側碰車輛穿越、翻越和跨騎。

圖1 質量大于2 kg的護欄端頭脫離件的散落位置限制區域

2.2 緩沖功能

(1)乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s。

(2)乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2。

2.3 導向功能

(1)車輛碰撞后不得翻車。

(2)車輛正碰、偏碰和斜碰護欄端頭后，車輛輪跡越出圖2所示的導向駛出框的直線F、直線D或直線A時，車輛重心處速度不得大于碰撞速度的10%；車輛輪跡越出直線R時的車輛重心處速度可不作限制。

(3)車輛正向側碰和反向側碰護欄端頭后，車輛輪跡不得越出圖2所示的導向駛出框的直線A。

圖2 護欄端頭的車輛輪跡導向駛出框圖注：1.直線F垂直于護欄標準段碰撞前迎撞面最內邊緣的地面投影線，與護欄端頭前端間距為6 m；2.直線D和直線A平行于護欄標準段碰撞前迎撞面最內邊緣的地面投影線且間距均為4 m；3.直線R經過護欄端頭末端，垂直于護欄標準段碰撞前迎撞面最內邊緣的地面投影線。

3 車輛—護欄端頭的碰撞仿真試驗

3.1 試驗設計

第一階段：確定試驗使用的護欄端頭種類，依據不同建模方式，建立地錨式混凝土護欄端頭、直立式波形梁護欄端頭和地錨式波形梁護欄端頭模型。

第二階段：設計車輛與護欄端頭的碰撞模型，搭建碰撞事故環境，調用軟件庫中車輛并設置初始條件和環境參數。

第三階段：按照試驗方案不斷調整試驗條件，進行重復性碰撞仿真試驗，記錄試驗數據。

3.2 建立護欄端頭模型

在PC-Crash軟件中建立護欄端頭模型有兩種方式，第一種是以帶有前橋轉向的兩軸拖車為模型基礎部件，使用幾個相互連接的部件組成護欄，護欄兩端根據試驗需要修改相應參數，并進行優化貼圖，能使虛擬護欄端頭接近真實護欄端頭，如圖3所示。第二種是在軟件庫中調用已經開發出的標準護欄端頭模型，如圖4所示，依據護欄端頭事故深度調查數據和《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)，對模型參數進行調整，該護欄端頭模型與17版新型護欄端頭外形接近，可與調用的護欄標準段模型拼接組成完整護欄結構模型。

圖3 地錨式混凝土護欄端頭模型

圖4 標準護欄端頭模型

本研究中將在采用上述兩種方式建立護欄端頭模型的基礎上進行車輛—護欄端頭碰撞重復性仿真試驗。

3.3 設置基礎參數

在DSD 2006車輛數據庫中調出試驗車輛，設置車輛型號為VW-Jetta 2.0 TDI，車長4550 mm，車寬1780 mm，車高1460 mm，車輛空重1468 kg，重心高度0.55 m，路面附著系數為0.8(dry)，車輛前排乘員質量為60 kg，后備箱載質量20 kg，車輛制動遲滯時間為0.18 s，制動距離為100 m，地錨式混凝土護欄端頭初始位置為(-12.364,-0.920)，直立式波形梁護欄端頭初始位置為(18.990,0.000)，地錨式波形梁護欄端頭初始位置為(18.990,0.000)。

3.4 仿真試驗

依據《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)中車輛與護欄端頭的試驗碰撞條件和碰撞類型，結合實際事故情況，設計車輛與護欄端頭模型碰撞仿真試驗方案如表2，依據方案不斷調整輸入車輛沖入速度和角度等參數，進行碰撞仿真試驗。

表2 試驗車輛與護欄端頭模型碰撞仿真試驗方案

4 仿真結果分析

為降低本次仿真試驗過程中的偶然誤差影響，進行重復性試驗，獲取試驗數據的穩定值或平均值，從而生成相應數據分析圖表，因此，仿真試驗結果具備科學性和可靠性。結合試驗結果，針對護欄端頭的阻擋功能、導向功能及緩沖功能分別從防撞性、導向性及車載乘員安全性三個方面分析不同試驗條件下護欄端頭模型的安全性[7]。

4.1 護欄端頭防撞性分析

護欄端頭防撞性分析分為護欄端頭吸能性分析和護欄端頭橫向永久位移分析。

4.1.1 護欄端頭吸能性分析

試驗車輛與地錨式混凝土護欄端頭模型的碰撞，仿真試驗結果如下：當車輛以100 km/h正碰護欄端頭時，護欄端頭在0.33 s時吸收能量值最大，為4.93 kJ；當車輛以100 km/h偏碰護欄端頭時，護欄端頭在0.32 s時吸收能量值最大，為6.44 kJ；當車輛以100 km/h斜碰護欄端頭時，護欄端頭在0.28 s時吸收能量值最大，為6.25 kJ；當車輛以100 km/h正向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.22 s時吸收能量值最大，為6.29 kJ；當車輛以100 km/h反向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.15 s時吸收能量值最大，為21.25 kJ。五種碰撞類型中，反向側碰時護欄端頭的吸收能量值最大，能量吸收曲線如圖5所示。

圖5 地錨式混凝土護欄端頭能量吸收曲線(反向側碰)

根據《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2017)中“剛性護欄碰撞載荷的實測結果”梳理如表3，可知我國質量為2 t左右的小型客車，在20° 左右的碰撞角度和接近100 km/h的碰撞速度下碰撞混凝土護欄，護欄吸收能量在75 kJ左右。根據剛性護欄能量吸收規律，在碰撞角度相同、碰撞速度相同的情況下，車輛總質量增加，碰撞時護欄端頭吸收能量呈現增多趨勢。地錨式混凝土護欄端頭模型在多種碰撞類型下能滿足吸能要求。

表3 小型客車撞擊剛性護欄的理論與實測值

根據《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)，常用的波形梁護欄主要有八個等級，參考日本《車輛用護欄標準圖·同解說》(2008年1月)，對不同等級護欄可吸收的碰撞能量梳理見表4。

表4 不同等級波形梁護欄可吸收的碰撞能量

試驗車輛與直立式波形梁護欄端頭模型的碰撞，仿真試驗結果如下：當車輛以100 km/h正碰護欄端頭時，護欄端頭在0.24 s時吸收能量值最大，為12.67 kJ；當車輛以100 km/h偏碰護欄端頭時，護欄端頭在0.23 s時吸收能量值最大，為19.5 kJ；當車輛以100 km/h斜碰護欄端頭時，護欄端頭在0.15 s時吸收能量值最大，為35.45 kJ；當車輛以100 km/h正向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.19 s時吸收能量值最大，為27.5 kJ；當車輛以100 km/h反向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.14 s時吸收能量值最大，為14.6 kJ。五種碰撞類型中，斜碰時，護欄端頭的吸收能量值最大，能量吸收曲線如圖6所示。直立式波形梁護欄端頭模型在各種碰撞類型下不能滿足一級護欄40 kJ的吸能要求。

圖6 直立式波形梁護欄端頭能量吸收曲線(斜碰)

試驗車輛與地錨式波形梁護欄端頭模型的碰撞，仿真試驗結果如下：當車輛以100 km/h正碰護欄端頭時，護欄端頭在0.23 s時吸收能量值最大，為9.63 kJ；當車輛以100 km/h偏碰護欄端頭時，護欄端頭在0.13 s時吸收能量值最大，為17.33 kJ；當車輛以100 km/h斜碰護欄端頭時，護欄端頭在0.09 s時吸收能量值最大，為65 kJ；當車輛以100 km/h正向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.17 s時吸收能量值最大，為25.83 kJ；當車輛以100 km/h反向側碰護欄端頭時，護欄端頭在0.12 s時吸收能量值最大，為16.44 kJ。五種碰撞類型中，斜碰時，護欄端頭的吸收能量值最大，能量吸收曲線如圖7所示。地錨式波形梁護欄端頭模型在多種碰撞類型下不能滿足一級護欄40 kJ的吸能要求。

圖7 地錨式波形梁護欄端頭能量吸收曲線(斜碰)

4.1.2 護欄端頭橫向永久位移分析

護欄端頭橫向永久位移是指車輛碰撞試驗護欄端頭過程中，試驗護欄端頭變形后迎撞面相對于其初始位置的橫向水平位移。根據《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)，剛性護欄端頭最大橫向永久位移應小于或等于10 cm，半剛性雙波波形梁護欄端頭最大橫向永久位移應小于或等于100 cm。

小型客車與三種護欄端頭模型的碰撞，試驗結果如圖8所示。地錨式混凝土護欄端頭模型在多種碰撞類型下的最大橫向永久位移小于或等于規范值10 cm，滿足護欄端頭防護的變形要求；直立式波形梁護欄端頭和地錨式波形梁護欄端頭模型在多種碰撞類型下的最大橫向永久位移大于規范值100 cm，不能滿足護欄端頭防護的變形要求。

圖8 護欄端頭最大橫向永久位移

4.2 護欄端頭導向性分析

護欄端頭導向性是指公路護欄端頭引導碰撞失控車輛順利至原行駛軌跡并恢復車輛運行狀態，避免二次碰撞產生危險。

用小型客車分別碰撞地錨式混凝土護欄端頭、直立式波形梁護欄端頭和地錨式波形梁護欄端頭模型，分析不同護欄端頭在不同碰撞類型下對車輛的導向作用，試驗結果(部分)如圖9所示。試驗車輛在碰撞三種護欄端頭模型時出現穿越、跨騎等現象，且未按導向駛出框圖所示行駛，三種護欄端頭模型不能滿足導向要求。

圖9 護欄端頭導向示意圖

4.3 車載乘員安全性分析

對車載乘員的安全性評價，通常有兩種方式，第一種是根據《汽車正面碰撞的乘員保護》(GB 11551—2014)，在碰撞過程中和碰撞試驗后對車載乘員的傷害指標有一個限值要求，即頭部的性能指標≤1000，胸部性能指標≤75 mm，大腿性能指標≤10 kN。第二種是通過車輛質心處加速度來間接判斷乘員的安全性，當車輛質心沿縱向(x)、側面橫向(y)和鉛直方向(z)三個方向的加速度數值均小于或等于限值20 g(即200 m/s2)時，乘員的傷亡程度較低。本文采用車輛質心處加速度來評價車載乘員的安全性。

試驗車輛以60 km/h反向側碰地錨式混凝土護欄端頭時，沿x軸最大加速度為0.02 g，沿y軸最大加速度為0.8 g，沿z軸最大加速度為-0.29 g，如圖10所示，各個方向加速度均小于20 g；其他碰撞類型下，最大加速度數值未有超過0.8 g，地錨式混凝土護欄端頭模型滿足車載乘員的安全性評價要求。

圖10 車輛質心加速度(地錨式混凝土護欄端頭模型)

試驗車輛以100 km/h斜碰直立式波形梁護欄端頭時，沿x軸最大加速度為0.02 g，沿y軸最大加速度為0.65 g，沿z軸最大加速度為-0.37 g，如圖11所示，各個方向加速度均小于20 g；其他碰撞類型下，最大加速度數值未有超過0.65 g，直立式波形梁護欄端頭模型滿足車載乘員的安全性評價要求。

圖11 車輛質心加速度(直立式波形梁護欄端頭模型)

試驗車輛以100 km/h正向側碰地錨式波形梁護欄端頭時，沿x軸最大加速度為0.01 g，沿y軸最大加速度為0.67 g，沿z軸最大加速度為-0.38 g，如圖12所示，各個方向加速度均小于20 g；其他碰撞類型下，最大加速度數值未有超過0.67 g，地錨式波形梁護欄端頭模型滿足車載乘員的安全性評價要求。

圖12 車輛質心加速度(地錨式波形梁護欄端頭模型)

5 結論

通過試驗可以得到如下結論：綜合吸能性和橫向永久位移，三種護欄端頭模型中，地錨式混凝土護欄端頭模型的防撞性較好，兩種波形梁護欄端頭模型不能實現較好的阻擋功能；試驗車輛在碰撞護欄端頭模型時出現穿越、跨騎等現象，三種護欄端頭模型不能實現較好的導向功能；試驗車輛在各種碰撞類型下的質心加速度均未超過20 g，乘員安全性可以得到保證。因此，試驗中建立的護欄端頭模型不能完全滿足公路安全防護性能，需要優化設計。

本研究提出了一種基于PC-Crash仿真技術的公路護欄端頭安全性評價方法，對現實中不同材質、不同生產工藝的公路混凝土護欄端頭和波形梁護欄端頭，可以通過設計仿真試驗并分析其防撞性、導向性及車載乘員安全性，檢驗公路具體路段護欄端頭是否符合安全性能標準，也為交通管理部門判斷護欄端頭事故乘員損傷及車輛變形原因及護欄端頭的優化設計提供借鑒。