新型旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄防車撞能力與導(dǎo)向機(jī)理

鄭 植， 耿 波， 楊 波， 陳 巍， 魏思斯

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045；2.招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司 橋梁工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)試驗(yàn)室，重慶 400067；3.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 611756)

截至2019年，我國公路總里程已達(dá)501.25萬km，其中高速公路達(dá)14.96萬km，位居世界第一[1]。隨著交通強(qiáng)國建設(shè)綱要的逐步實(shí)施，汽車保有量增加，車輛重型化、快速化發(fā)展，公路交通流量與貨物吞吐量將進(jìn)一步增加，道路交通安全事故也愈加頻繁，嚴(yán)重威脅著人們的生命財(cái)產(chǎn)安全和交通設(shè)施的正常使用。在發(fā)生的公路交通事故中，汽車尤其是大型車輛與路邊安全設(shè)施的碰撞事故比例高達(dá)30%以上[2]。

護(hù)欄作為保護(hù)車輛行駛安全的最后一道屏障，其可靠防護(hù)性至關(guān)重要，因此護(hù)欄的防護(hù)性能與機(jī)理得到了許多學(xué)者的關(guān)注。張晶等[3]分析了彎道混凝土護(hù)欄的曲線半徑對乘員在碰撞過程中所承受沖擊加速度的影響，得到乘員風(fēng)險(xiǎn)的最不利護(hù)欄半徑；雷正保等[4-7]建立了完整的汽車-護(hù)欄-乘員-座椅-安全帶一體化模型對山區(qū)公路上常用的4種典型混凝土護(hù)欄進(jìn)行了碰撞仿真分析，研究了汽車撞擊護(hù)欄時(shí)車內(nèi)乘員的安全性，指出了間斷式混凝土護(hù)欄與連續(xù)式混凝土護(hù)欄存在的問題，并研究了新型聚氯乙烯(polyvinyl chloride, PVC)護(hù)欄、柔性護(hù)欄的安全防護(hù)性能。Dinnella等[8]提出了一種新型混凝土護(hù)欄，通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證該護(hù)欄能夠承受38 t重型車輛的連續(xù)撞擊；宋彥琦等[9]提出了一種具有較高剛性新型過渡段護(hù)欄，能夠抵擋重型車輛碰撞時(shí)產(chǎn)生的巨大能量，并能起到很好卸能效果；Gutowski等[10]對不同傾斜度、坡面及不同設(shè)置高度的波形護(hù)欄進(jìn)行了碰撞仿真分析，并通過碰撞后的運(yùn)行軌跡、傾斜程度、碰撞角、橫向位移和橫向速度等指標(biāo)評估護(hù)欄性能。Noh等[11]研究了立柱的結(jié)構(gòu)容差效應(yīng)對開放式護(hù)欄系統(tǒng)的影響，并指出大于15°的角容差是必須避免的；Yang等[12]提出了一種新型鉸接式可移動(dòng)的高速公路混凝土中央分隔帶護(hù)欄，與標(biāo)準(zhǔn)混凝土護(hù)欄相比能有效降低乘員傷害、減輕車輛側(cè)翻程度。Yin等[13]針對傳統(tǒng)波形護(hù)欄易出現(xiàn)拌阻而降低護(hù)欄的轉(zhuǎn)向性能，設(shè)計(jì)了一種7字型立柱，能夠有效防止拌阻現(xiàn)象。Reid等[14]研究了不同外傾率對波形護(hù)欄安全性的影響，指出外傾率是護(hù)欄安全性的重要影響因素。楊少偉等[15]提出了適合中國高速公路的合理中間帶結(jié)構(gòu)型式，并指出高速公路中間帶護(hù)欄外側(cè)不宜設(shè)置凸起式路緣石。Hou等[16]發(fā)現(xiàn)在碰撞過程中，立柱對車輪產(chǎn)生的拌阻作用會(huì)導(dǎo)致汽車嚴(yán)重變形，以護(hù)欄尺寸為設(shè)計(jì)變量對波形梁護(hù)欄系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，提高了碰撞安全性。Atahan等[17]提出了一種新型輕鋼護(hù)欄，進(jìn)行了6次全尺寸碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證了其防護(hù)性能。

上述研究主要集中在以現(xiàn)有的混凝土護(hù)欄、波形護(hù)欄為基礎(chǔ)進(jìn)行升級改造，而對旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄這一新型防護(hù)結(jié)構(gòu)鮮有報(bào)道。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄最早由韓國ETI公司研發(fā)，在美日韓等國家被廣泛使用，近年來我國進(jìn)行了引進(jìn)并開展了相關(guān)研究。目前已在國內(nèi)多條高速公路、國道等不同等級道路上運(yùn)用[18-20]。根據(jù)蘇州繞城高速統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)波形護(hù)欄相比，安裝旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄前后一年某匝道交通事故數(shù)由63次降低至10次，護(hù)欄損壞數(shù)由24個(gè)降低至3個(gè)，事故率與碰撞損傷程度分別降低了84%，87%，證明了其優(yōu)越性[21]。盡管旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄已得到較為廣泛應(yīng)用，但相關(guān)文獻(xiàn)較少，已有的文獻(xiàn)僅定性分析了旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的工作原理，僅整理、對比了1.5 t小轎車碰撞下旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄與其他形式護(hù)欄的車體加速度指標(biāo)[22]。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在大噸位客車與貨車撞擊下的防護(hù)能力、導(dǎo)向機(jī)理尚未有文獻(xiàn)報(bào)道。鑒于此，本文基于LS-DYNA建立了輕型貨車、中型客車、大型貨車-護(hù)欄的精細(xì)化有限元模型，對相同防護(hù)等級下的旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄、三波護(hù)欄、混凝土護(hù)欄進(jìn)行了碰撞數(shù)值模擬，對比了多個(gè)評價(jià)指標(biāo)，并與實(shí)車碰撞試驗(yàn)進(jìn)行了對比，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的合理性，研究了旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的防護(hù)能力與導(dǎo)向機(jī)理。

1 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄介紹

旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄由立柱、橫梁、旋轉(zhuǎn)桶組成，為加強(qiáng)護(hù)欄橫向剛度，采用“一柱四欄”形式，可有效防止汽車穿越或沖斷護(hù)欄。將復(fù)合材料柔性旋轉(zhuǎn)桶套在立柱上形成獨(dú)特的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，在受到失控車輛撞擊時(shí)，多個(gè)旋轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)，一方面可撥轉(zhuǎn)車頭回到行駛方向；另一方面可分散部分撞擊力，從而有效減輕交通事故造成的后果。根據(jù)DB33/T 888—2013《旋轉(zhuǎn)式防撞護(hù)欄設(shè)置規(guī)范》[23]，選用RG-SB-1型進(jìn)行分析，其構(gòu)造見圖1所示。旋轉(zhuǎn)防撞桶外徑350 mm，內(nèi)徑145 mm，高490 mm，旋轉(zhuǎn)桶噴涂醒目顏色并設(shè)置反光條，具有良好的視線引導(dǎo)與警示功能，內(nèi)部設(shè)置PVC耐磨套管，外徑165mm，厚度8mm。防撞橫梁尺寸為100.0 mm×80.0 mm×3.5 mm(b×h×δ)。橫梁與立柱采用M20螺栓連接，立柱布置間距為700 mm。立柱直徑為140 mm，厚度4.5 mm，路面以上高度為960 mm。

圖1 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄構(gòu)造(mm)Fig.1 Structural dimensions of rotary guardrail(mm)

旋轉(zhuǎn)桶以乙烯-醋酸乙烯共聚物(ethylene-vinyl acetate copolymer,EVA)為主料，添加聚乙烯(polyethylene,PE)及相關(guān)化學(xué)助劑等17種輔料，在一定溫度及壓力下復(fù)合而成，具有輕質(zhì)耐沖擊、回彈率高等特點(diǎn)。由于碰撞中旋轉(zhuǎn)桶受壓，為在后續(xù)仿真中精細(xì)模擬旋轉(zhuǎn)桶，進(jìn)行了壓縮性能試驗(yàn)，將工程上運(yùn)用的成品截取制作5個(gè)邊長50 mm正方體試件，統(tǒng)一編號后進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖2，試驗(yàn)前后試件無明顯變化，力學(xué)性能表現(xiàn)為超彈性。

2 碰撞系統(tǒng)有限元模型及碰撞工況

2.1 汽車有限元模型

碰撞車輛選取了道路交通運(yùn)輸中較為常見的3種車型，分別為2 t輕型貨車、10 t中型客車及18 t兩軸大型貨車，由于汽車車身主要為薄壁金屬結(jié)構(gòu)，因此單元類型以殼單元為主，單元算法選用缺省的Belytschko-Tsay單點(diǎn)積分，該算法在處理大應(yīng)變問題中具有更高的精度與計(jì)算效率。同時(shí)為獲得良好單元以保持?jǐn)?shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性，控制四邊形單元翹曲角不大于15°，碰撞區(qū)域最小特征長度均控制在20 mm左右，單元長寬比小于3。車身各部分主要采用點(diǎn)焊與剛性連接，通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_SPOTWELD與*CONSTRAINED_NODAL_RIGID_BODY實(shí)現(xiàn)。輪胎與懸掛的連接、轉(zhuǎn)動(dòng)與轉(zhuǎn)向采用球鉸與鉸鏈模擬，通過關(guān)鍵字*CONSTRAINED_JOINT_SPHERICAL與*CONSTRAINED_JOINT_REVOLUTE實(shí)現(xiàn)。輪胎胎壓通過關(guān)鍵字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL來模擬，輕型貨車胎壓為0.3 MPa，中型客車與大型貨車胎壓為0.8MPa。為模擬行駛過程中輪胎的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過關(guān)鍵字*INITIAL_VELOCITY_GENERATION定義輪胎旋轉(zhuǎn)軸并施加角速度來實(shí)現(xiàn)。碰撞車輛有限元模型來自美國國家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center, NCAC)，見圖3，車輛模型結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

圖3 碰撞車輛有限元模型Fig.3 FE models of vehicles

表1 車輛模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.2 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄有限元模型

建立護(hù)欄精細(xì)化有限元模型，防撞橫梁、立柱、PVC套管均采用四邊形殼單元建立，厚度分別為3.5 mm，4.5 mm，8 mm。螺栓采用六面體單元建立，旋轉(zhuǎn)桶采用五面體單元建立，PVC套管與旋轉(zhuǎn)桶通過共節(jié)點(diǎn)方式連接。實(shí)體單元算法采用缺省的連續(xù)應(yīng)力積分，為避免碰撞中由于接觸剛度差異過大旋轉(zhuǎn)桶出現(xiàn)負(fù)體積現(xiàn)象，對旋轉(zhuǎn)桶采用包殼處理，厚度取1 mm，護(hù)欄接觸碰撞區(qū)域單元尺寸均控制在10～20 mm內(nèi)。有限元模型見圖4，限于篇幅僅列出局部細(xì)節(jié)，實(shí)際有限元模型全長為70 m，共設(shè)置100個(gè)旋轉(zhuǎn)桶。

圖4 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄有限元模型Fig.4 FE models of rotary guardrail

2.3 常見護(hù)欄有限元模型

選取相同防護(hù)等級的混凝土護(hù)欄、三波護(hù)欄，分別與旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的防護(hù)性能進(jìn)行對比。建立精細(xì)化有限元模型，混凝土護(hù)欄采用六面體單元建立，護(hù)欄長60 m，共劃分59 200個(gè)單元，66 732個(gè)節(jié)點(diǎn)。三波護(hù)欄采用四邊形殼單元建立，布設(shè)長度為80m，立柱間距1 m，共劃分118 814個(gè)單元，120 078個(gè)節(jié)點(diǎn)。護(hù)板厚度為4 mm，防阻塊厚度為4.5 mm，立柱厚度為6 mm。三者采用點(diǎn)焊單元進(jìn)行連接，其法向失效拉力fsn=70 kN，剪切失效力fss=45 kN。兩種護(hù)欄構(gòu)造及有限元模型見圖5。

圖5 常見護(hù)欄有限元模型(mm)Fig.5 FE models of common guardrails(mm)

2.4 邊界條件定義

接觸設(shè)置：為模擬車輛與地面接觸，利用關(guān)鍵字*LOAD_BODY_Z給各碰撞系統(tǒng)施加重力加速度，通過*RIGIDWALL_PLANAR定義輪胎與地面的接觸，摩擦因數(shù)取0.7；通過*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE定義各碰撞車輛內(nèi)部自接觸；通過*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE分別定義各車輛與護(hù)欄接觸；其中混凝土護(hù)欄與三波護(hù)欄接觸較為簡單，可將其作為整體定義接觸。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄立柱與橫梁的連接通過建立實(shí)際的螺栓進(jìn)行模擬，連接性能通過接觸實(shí)現(xiàn)；車輛與護(hù)欄、地面的相互作用均通過接觸模擬。為了模擬碰撞過程中旋轉(zhuǎn)桶的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向功能，旋轉(zhuǎn)桶與立柱定義自動(dòng)面面接觸，旋轉(zhuǎn)護(hù)欄碰撞系統(tǒng)接觸設(shè)置見表2。為方便對比分析，不同碰撞系統(tǒng)靜、動(dòng)摩擦因數(shù)均設(shè)置為0.2[24]。

表2 旋轉(zhuǎn)護(hù)欄碰撞系統(tǒng)接觸定義

約束設(shè)置：根據(jù)文獻(xiàn)[25]，立柱最大彎矩發(fā)生位置與柱徑、埋深無關(guān)，最大彎矩位于地面以下400 mm處。因此土壤與立柱的相互作用可直接固接地面以下400 mm進(jìn)行簡化，不會(huì)影響計(jì)算精度，同時(shí)可提高仿真效率，通過*BOUNDARY_SPC_SET進(jìn)行約束。

材料模型：旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄防撞橫梁、立柱與三波護(hù)欄均采用Q235鋼材，材料模型為*MAT_PLASTIC_KINEMATIC，密度7 850 kg/m3，彈性模量210 GPa，泊松比0.3，屈服強(qiáng)度235 MPa，切線模量1 180 MPa，失效應(yīng)變0.34，應(yīng)變率參數(shù)C=40.4，P=5[26]。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄螺栓采用理想彈塑性模型，屈服強(qiáng)度為375 MPa，屈服應(yīng)變?yōu)?.001 78，失效應(yīng)變0.34，不考慮應(yīng)變率效應(yīng)。旋轉(zhuǎn)桶材料密度為188 kg/m3，采用*MAT_HYPERELASTIC_RUBBER超彈性本構(gòu)模型，該模型在處理大變形問題時(shí)十分穩(wěn)定，且材料參數(shù)輸入方便，能夠直接輸入圖2的試驗(yàn)曲線進(jìn)行模擬；旋轉(zhuǎn)桶包殼層采用*MAT_NULL空物質(zhì)材料模型，密度10 kg/m3，彈性模量10 MPa，泊松比0.3；PVC套管材料彎曲性能表現(xiàn)為彈塑性，采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY分段線性彈塑性模型，密度1 500 kg/m3，彈性模量1.4 GPa，泊松比0.38，屈服強(qiáng)度23.4 MPa，拉伸強(qiáng)度39.4 MPa，失效應(yīng)變0.22。混凝土護(hù)欄由于屬于剛性護(hù)欄，碰撞中幾乎沒有明顯變形，根據(jù)文獻(xiàn)中混凝土護(hù)欄足尺實(shí)車撞擊試驗(yàn)與有限元的對比，采用剛體模型模擬混凝土，能夠保證結(jié)果的可靠性，且能提高計(jì)算效率[27-29]。故采用*MAT_RIGID剛體模型，密度2 500 kg/m3，彈性模量30 GPa，泊松比0.17。

工況設(shè)置：根據(jù)文獻(xiàn)[30]，并參考Yang等，邰永剛[31]，閆書明[32]的取值，碰撞工況為2 t輕型貨車、10 t中型客車及18 t大型貨車分別以100 km/h，80 km/h，65 km/h行駛速度20°撞擊各護(hù)欄，見表3所示。

表3 碰撞工況

3 碰撞結(jié)果對比分析

3.1 輕型貨車碰撞結(jié)果

車輛與護(hù)欄碰撞以后，會(huì)受到?jīng)_擊加速度作用，當(dāng)加速度達(dá)到一定程度，乘員就會(huì)受到不同程度傷害且有死亡的可能。在輕型車輛碰撞護(hù)欄過程中，需進(jìn)行乘員安全評價(jià)，要求車輛重心處縱向與橫向加速度10 ms間隔平均值的最大值不得超過20g。車體重心處加速度時(shí)程曲線如圖6所示，其中撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄縱橫向加速度最大值分別為12.6g，9.7g；撞擊三波護(hù)欄加速度最大值分別為12.8g，11.5g；撞擊混凝土護(hù)欄加速度最大值分別為18.4g，16.1g，均滿足要求。

圖6 車輛重心加速度時(shí)程曲線Fig.6 Acceleration time history curves of vehicle’s center of gravity

圖7為撞擊力時(shí)程曲線，可以發(fā)現(xiàn)在車頭碰撞階段撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的峰值力要略高于三波護(hù)欄，遠(yuǎn)低于混凝土護(hù)欄，隨后三波護(hù)欄與混凝土護(hù)欄直接進(jìn)入甩尾碰撞階段，出現(xiàn)第二個(gè)撞擊力峰值，而旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄憑借多個(gè)旋轉(zhuǎn)桶的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向及彈性反作用，使車頭在0.1 s內(nèi)橫向偏離一定距離，不再接觸護(hù)欄，甩尾碰撞接觸面積減小，再加上旋轉(zhuǎn)桶的柔性，使得第二個(gè)峰值相對于三波護(hù)欄與混凝土護(hù)欄降低了82%。碰撞過程中三波護(hù)欄最大橫向變形為275 mm，碰撞結(jié)束彈性變形恢復(fù)后穩(wěn)定在250 mm，而旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄沒有明顯變形，整體未出現(xiàn)破壞，見圖8。

圖7 撞擊力時(shí)程Fig.7 Time history curve of impact force

圖8 護(hù)欄橫向變形Fig.8 Lateral deformation of guardrail

圖9給出了3種護(hù)欄在碰撞過程中車輛高度變化，圖9實(shí)線為重心高度變化，虛線為離地最高的輪胎抬高變化。以車輛的行進(jìn)方向區(qū)分左右輪胎，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄車輛重心降低了8 cm，左前輪最大抬高至30 cm，隨后回到地面；撞擊混凝土護(hù)欄與三波護(hù)欄車輛重心分別抬高了28 cm，15 cm，車輛右后輪抬高最為劇烈，最大達(dá)到了58 cm，這表明在完全脫離護(hù)欄以后車輛將在此高度落下碰撞地面給乘員帶來豎向沖擊。

圖9 車輛高度變化時(shí)程Fig.9 Time history of vehicle height variations

圖10 碰撞角度變化時(shí)程Fig.10 Time history of collision angle variations

圖10給出了從碰撞到駛離護(hù)欄過程的角度變化，可以發(fā)現(xiàn)由于混凝土護(hù)欄的剛性碰撞，車輛駛出角度達(dá)到了12°，三波護(hù)欄駛出角最小，僅為5.1°。陳國興等給出了旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在1.5 t小客車以100 km/h速度撞擊下的實(shí)車碰撞試驗(yàn)實(shí)測駛出角度為6.32°，本文有限元模擬得到的駛出角為6.52°。

輕型貨車碰撞結(jié)束后車輛與護(hù)欄的形態(tài)見圖11，可以發(fā)現(xiàn)，在分別撞擊3種護(hù)欄下，車輛輪胎均未脫落，車門無變形，玻璃完好，乘座室完整，乘員沒有被侵入物傷害的可能。其中撞擊三波護(hù)欄車頭左側(cè)變形最為嚴(yán)重，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄與混凝土護(hù)欄車輛變形最小，三波護(hù)欄出現(xiàn)明顯橫向變形，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄未出現(xiàn)破壞，整體形態(tài)完好。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄能夠有效抑制小型車輛的抬高，這在發(fā)生事故時(shí)是極為有益的。

圖11 輕型貨車碰撞形態(tài)對比Fig.11 Comparison of collision patterns under the light truck collision

3.2 中型客車碰撞結(jié)果

圖12為中型客車碰撞下的撞擊力時(shí)程，可以發(fā)現(xiàn)第一階段車頭碰撞時(shí)，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄與三波護(hù)欄的碰撞力峰值區(qū)別不大，為370 kN，撞擊混凝土護(hù)欄峰值達(dá)到700 kN；由于三波護(hù)欄發(fā)生較大的橫向變形，在0.35 s時(shí)刻達(dá)到720 mm，碰撞結(jié)束后穩(wěn)定在650 mm，見圖13，因此在第二階段客車甩尾時(shí)撞擊不到護(hù)欄，不會(huì)出現(xiàn)第二個(gè)峰值。對于旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄，橫梁與立柱產(chǎn)生塑性變形、旋轉(zhuǎn)桶產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)與柔性彈性變形，使車頭在0.40～0.55 s內(nèi)橫向偏離一定距離，不再接觸護(hù)欄，甩尾碰撞接觸面積減小，使得第二個(gè)峰值相比車頭碰撞時(shí)降低了46%，與混凝土護(hù)欄的第二個(gè)峰值相比則降低了88%。

旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄車頭碰撞階段護(hù)欄橫向變形最大為470 mm，恢復(fù)彈性變形后穩(wěn)定為420 mm，甩尾碰撞護(hù)欄變形最大增加了42 mm，碰撞結(jié)束后變形穩(wěn)定在466 mm，見圖13。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄受碰撞產(chǎn)生的峰值力盡管與三波護(hù)欄基本一樣，但護(hù)欄的變形降低了28%，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的耐撞性能更好。

圖12 撞擊力時(shí)程Fig.12 Time history curve of impact force

圖13 護(hù)欄橫向變形Fig.13 Lateral deformation of guardrail

圖14給出了客車重心高度與輪胎最大抬高變化，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄車輛重心僅升高了5.6 cm，右后輪最大抬高為16 cm；撞擊三波護(hù)欄車輛高度變化最大，重心升高了20 cm，右前輪離地最高達(dá)到43 cm。

圖14 車輛高度變化時(shí)程Fig.14 Time history of vehicle height variations

圖15為碰撞角度變化，撞擊混凝土護(hù)欄的駛出角最小，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄駛出角為11°，三波護(hù)欄為13°。碰撞結(jié)束以后發(fā)現(xiàn)，客車撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄僅左前輪處發(fā)生輕微變形，駕駛室完好，撞擊三波護(hù)欄時(shí)駕駛室變形最為嚴(yán)重，見圖16。

圖15 碰撞角度變化時(shí)程 Fig.15 Time history of collision angle variations

圖16 中型客車碰撞形態(tài)對比Fig.16 Comparison of collision patterns under the mediumbus collision

3.3 大型貨車碰撞結(jié)果

圖17為大型貨車撞擊3種護(hù)欄的碰撞力時(shí)程曲線，由于混凝土護(hù)欄剛性碰撞，使得車頭與車尾碰撞護(hù)欄時(shí)的峰值最高，達(dá)到700 kN，在0.85 s時(shí)刻貨車側(cè)翻貨廂撞擊護(hù)欄，引起第三個(gè)撞擊峰值，為250 kN；三波護(hù)欄由于護(hù)板被撞斷，車頭隨后碰撞立柱，碰撞峰值增加；旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在貨車撞擊下其完整性與導(dǎo)向性均較好，仍正常工作，其車頭碰撞、甩尾碰撞兩個(gè)階段峰值力相當(dāng)，分別為353 kN，340 kN，相比于混凝土護(hù)欄與波形護(hù)欄，車頭碰撞階段撞擊力峰值分別降低了50%，34%。

圖18為護(hù)欄橫向變形，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄車頭碰撞階段最大變形為245 mm，甩尾碰撞時(shí)變形最高達(dá)到358 mm，經(jīng)過兩階段碰撞，護(hù)欄最終橫向變形穩(wěn)定為327 mm。三波護(hù)欄變形達(dá)到270 mm時(shí)護(hù)板發(fā)生斷裂，隨后車輛沖斷護(hù)板無法導(dǎo)向。撞擊旋轉(zhuǎn)護(hù)欄時(shí)車輛高度變化見圖19，車輛重心最高升高至22 cm，右后輪抬高最為劇烈，但在0.74 s時(shí)刻甩尾碰撞階段達(dá)到最大值86 cm后，將不再繼續(xù)抬高，并逐步返回地面。

圖17 撞擊力時(shí)程Fig.17 Time history curve of impact force

圖18 護(hù)欄橫向變形Fig.18 Lateral deformation of guardrail

圖19 撞擊旋轉(zhuǎn)護(hù)欄車輛高度變化時(shí)程Fig.19 Time history of vehicle height variations of rotary guardrail

圖20給出了車輛碰撞角度變化，撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄車輛在0.4 s時(shí)刻車頭被完全撥正，最終駛出角為7°，表明車輛順利得到了轉(zhuǎn)向。三波護(hù)欄由于其完整性不足，無法順利引導(dǎo)車輛轉(zhuǎn)向，在1.3 s時(shí)刻車身縱向軸線與護(hù)欄夾角達(dá)到了25°。

圖20 碰撞角度變化時(shí)程Fig.20 Time history of collision angle variations

車輛運(yùn)行軌跡是護(hù)欄導(dǎo)向功能最好的評價(jià)指標(biāo)，通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的軌跡對比，能夠定性評價(jià)數(shù)值模擬的可靠性。試驗(yàn)與數(shù)值仿真采用的車輛均為NCAC發(fā)布的HGV16型貨車。圖21對比了貨車碰撞試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到的車輛運(yùn)行軌跡與護(hù)欄橫向變形，0.12 s時(shí)刻車頭碰撞護(hù)欄，左前輪轉(zhuǎn)向與護(hù)欄平行，旋轉(zhuǎn)桶旋轉(zhuǎn)逐漸撥正車頭，0.39 s時(shí)刻車輛軸線與護(hù)欄幾乎完全平行，0.48 s時(shí)刻發(fā)生甩尾碰撞，隨后貨車駛離護(hù)欄。從圖21可知，在碰撞進(jìn)程中，車輛沒有翻越、騎跨護(hù)欄，且未發(fā)生橫擺、調(diào)頭、翻車等狀況，車輛駛出護(hù)欄后順利恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)。車輛運(yùn)行軌跡的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

圖22為貨車碰撞3種護(hù)欄全過程，對于旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄，0.2 s時(shí)刻車輛右前輪撥正方向，左前輪抬高，到0.4 s時(shí)刻左前輪回到地面，車頭被撥轉(zhuǎn)回到行駛方向，0.6 s時(shí)刻發(fā)生甩尾，左后輪撞擊護(hù)欄，貨車右側(cè)騰空有側(cè)翻趨勢，到1 s時(shí)刻回到地面隨后駛離護(hù)欄，車輛僅左前側(cè)保險(xiǎn)杠處出現(xiàn)輕微破壞，其余部位未發(fā)生明顯變形，見圖22(g)；對于三波護(hù)欄，碰撞中護(hù)板被撞斷，車輛無法轉(zhuǎn)向回到行駛方向，繼續(xù)侵入護(hù)欄外側(cè)；對于混凝土護(hù)欄，左前輪無法爬上護(hù)欄坡面，只能產(chǎn)生碰撞，在0.4 s時(shí)刻貨車甩尾，左后輪與護(hù)欄坡面頂部發(fā)生剛性碰撞，車輛以左側(cè)輪胎頂部為支點(diǎn)外翻，右側(cè)輪胎迅速抬高導(dǎo)致翻車。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在抵御重型貨車撞擊時(shí)更具優(yōu)勢，能夠有效保障乘員安全。

4 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄導(dǎo)向機(jī)理及防護(hù)性能

車輛失控撞擊護(hù)欄獲得良好轉(zhuǎn)向的關(guān)鍵在于與護(hù)欄碰撞的輪胎能否被撥正方向，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄設(shè)置上下兩道防撞橫梁，中間設(shè)置柔性旋轉(zhuǎn)桶，為減輕車輛外翻旋轉(zhuǎn)桶中心線略高于車輛輪軸。圖23(a)表明車輪剛撞擊護(hù)欄時(shí)為點(diǎn)接觸，將受到垂直于輪面的反作用力，隨后車輪繞輪軸扭轉(zhuǎn)回正，由點(diǎn)接觸轉(zhuǎn)變?yōu)槊娼佑|，見圖23(b)。

圖21 實(shí)車碰撞試驗(yàn)與數(shù)值模擬車輛軌跡對比Fig.21 Collision test and simulation of vehicle trajectory comparison

圖24給出了大型貨車撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的轉(zhuǎn)向過程，左前輪回正以后繞輪軸水平方向的扭轉(zhuǎn)基本鎖死，車輪將平行緊靠在橫梁上向前運(yùn)動(dòng)，并隨著旋轉(zhuǎn)桶反方向的旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)駛離護(hù)欄，駛出角為7°。

碰撞過程旋轉(zhuǎn)桶受力見圖25，旋轉(zhuǎn)桶受到擠壓產(chǎn)生可恢復(fù)的彈性變形進(jìn)行緩沖，受到的橫向壓力分別為85 kN，104 kN，150 kN，車輛與旋轉(zhuǎn)桶間的縱向滾動(dòng)摩擦力分別為79 kN，91 kN，118 kN，顯著低于車與護(hù)欄間的整體碰撞力，能減輕對乘員傷害。同時(shí)，由于多個(gè)旋轉(zhuǎn)桶受力，一方面通過繞立柱反方向旋轉(zhuǎn)撥轉(zhuǎn)車頭，快速導(dǎo)向；另一方面占據(jù)了橫梁間空隙，可有效防止碰撞后小型車輛下穿護(hù)欄，見圖26。

圖22 大型貨車碰撞下各時(shí)刻動(dòng)態(tài)響應(yīng)Fig.22 Dynamic response under the heavy truck collision

圖24 旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的轉(zhuǎn)向過程Fig.24 Turning process of rotatary guardrail

設(shè)置下橫梁的作用一方面可以托住旋轉(zhuǎn)桶，更重要的是能夠有效防止輪胎撞擊立柱發(fā)生拌阻。波形護(hù)欄由于護(hù)板底部與立柱間的空隙，易發(fā)生車輪拌阻，見圖27(a)、圖27(b)所示。拌阻發(fā)生以后車輛運(yùn)行軌跡無法明確，存在以下三種情況：①克服拌阻順利導(dǎo)向；②由于巨大慣性車身橫擺翻轉(zhuǎn)；③碰撞方式轉(zhuǎn)變?yōu)槟芰拷粨Q的偏置正碰，撞斷護(hù)板、立柱。圖27(c)說明了波形護(hù)欄的拌阻機(jī)理，可見在車輪中心上下一定距離設(shè)置兩道橫梁能夠?qū)囕喰纬蓹M向推力，有利于轉(zhuǎn)向。

車輛碰撞旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄全過程的行駛軌跡見圖28，輪跡均未越出導(dǎo)向駛出框直線F。在輕型貨車撞擊下，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄沒有明顯變形，整體未出現(xiàn)破壞；在中型客車與大型貨車撞擊下，護(hù)欄均出現(xiàn)塑性變形，最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值分別為746 mm，636 mm，變形長度范圍分別為11.2 m，7.7 m。

圖25 旋轉(zhuǎn)桶碰撞受力Fig.25 Collision force of rotating barrel

圖26 旋轉(zhuǎn)桶旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向Fig.26 Rotation guide of rotating barrels

圖27 撞擊波形護(hù)欄車輪拌阻Fig.27 The snagging between the wheel and W-beam guardrail

圖28 碰撞車輛行駛軌跡(m)Fig.28 Trajectory of collision vehicles(m)

圖29給出了車輛外傾時(shí)程曲線，波形護(hù)欄防護(hù)下，中型客車最大外傾當(dāng)量值為1.85 m；旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄防護(hù)下，中型客車最大外傾當(dāng)量值為1.05 m，外傾程度降低了43%，大型貨車則為0.85 m，表明旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄阻擋車輛外傾能力更優(yōu)。

圖29 車輛動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值Fig.29 Normalized dynamic vehicle incline-out distance

在撞擊護(hù)欄過程中，車輛初始動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為車輛和護(hù)欄的內(nèi)能、界面接觸能、沙漏能等，圖30(a)為大型貨車撞擊旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的系統(tǒng)能量曲線。總能量保持守恒，沙漏能得到有效控制，占總能量比例小于10%，可說明數(shù)值仿真結(jié)果的合理性。碰撞中內(nèi)能僅占總能量20%，70%的動(dòng)能仍保留在車輛上，其導(dǎo)向性能良好。圖30(b)說明了旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄與三波護(hù)欄的吸能對比，輕型貨車撞擊下，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄主要依靠彈性緩沖、引導(dǎo)車輛，護(hù)欄不發(fā)生破壞；中型客車與大型貨車碰撞下，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄產(chǎn)生塑形變形吸能，由于旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄獨(dú)特的四道橫梁，與三波護(hù)欄相比可在較小的橫向變形下吸收更多能量，從而減輕車輛損傷；旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄在防護(hù)大型貨車碰撞時(shí)導(dǎo)向能力最好，護(hù)欄僅吸收了200 kJ能量就引導(dǎo)車輛駛出。兩種護(hù)欄內(nèi)部的吸能情況較為一致，從圖30(c)、圖30(d)可知，防撞橫梁與護(hù)板是吸能的主體，立柱次之。旋轉(zhuǎn)桶與防阻塊的主要作用并不是吸能，前者是配合橫梁對失控車輛提供快速有效導(dǎo)向，后者是為了防止車輪拌阻。

綜合各指標(biāo)對比，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄防護(hù)性能優(yōu)于傳統(tǒng)護(hù)欄，建議在重車繁重路段、急彎、陡坡、視距不良等行車危險(xiǎn)路段進(jìn)行設(shè)置，以更好的保障生命安全。

圖30 能量變化Fig.30 Energy variations

5 結(jié) 論

(1)輕型貨車、中型客車碰撞下，旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的各項(xiàng)主要指標(biāo)均優(yōu)于三波護(hù)欄與混凝土護(hù)欄。大型貨車撞擊下，三波護(hù)欄完整性不足，護(hù)板被撞斷，混凝土護(hù)欄出現(xiàn)翻車。旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄防護(hù)能量可達(dá)340 kJ，在防護(hù)大型貨車撞擊方面更具優(yōu)勢。

(2)旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的導(dǎo)向關(guān)鍵在于其沿輪軸中心上下一定距離設(shè)置兩道防撞橫梁，能快速有效回正車輪，且回正以后繞輪軸水平方向扭轉(zhuǎn)基本鎖死，車輪將平行緊靠在橫梁上向前運(yùn)動(dòng)，并隨著旋轉(zhuǎn)桶反方向旋轉(zhuǎn)引導(dǎo)駛離護(hù)欄。

(3)旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄獨(dú)特的“一柱四欄”形式，其剛度與強(qiáng)度高于波形護(hù)欄，在輕型貨車、小型客車的低能量碰撞下，整體上依靠可恢復(fù)的彈性變形、局部依靠旋轉(zhuǎn)桶柔性緩沖與旋轉(zhuǎn)進(jìn)行防護(hù)；在大中型車輛的中高能量碰撞下，主要依靠防撞橫梁與立柱的塑形變形吸收能量，降低車輛直接承擔(dān)的內(nèi)能，減輕車輛損傷。

(4)下一步可對旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄的設(shè)置高度、立柱間距、橫梁尺寸、旋轉(zhuǎn)桶半徑等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并對立柱進(jìn)行改造使其可作為橋梁防撞護(hù)欄。