2023, Vol. 40扩展功能
文章信息
- 杨雷, 唐祖德, 陈劲宇, 朱冠儒, 杨永红.
- YANG Lei, TANG Zu-de, CHEN Jin-yu, ZHU Guan-ru, YANG Yong-hong
- 基于碰撞仿真的F型混凝土护栏路侧安全分析
- Roadside Safety Analysis on F-shaped Concrete Barrier Based on Impact Simulation
- 公路交通科技, 2023, 40(12): 208-218
- Journal of Highway and Transportation Research and Denelopment, 2023, 40(12): 208-218
- 10.3969/j.issn.1002-0268.2023.12.024
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文章历史
- 收稿日期: 2022-11-29
2. 广东省隧道工程安全与应急保障技术及装备企业重点实验室, 广东 广州 510545;
3. 华南理工大学 土木与交通学院, 广东 广州 510640;
4. 广东华路交通科技有限公司, 广东 广州 510420;
5. 长沙理工大学 公路工程教育部重点实验室, 湖南 长沙 410114
2. Guangdong Provincial Key Laboratory of Tunnel Safety and Emergency Support Technology and Equipment, Guangzhou Guangdong 510545, China;
3. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510640, China;
4. Guangdong Hualu Transport Technology Co., Ltd., Guangzhou Guangdong 510420, China;
5. Key Laboratory of Ministry of Education for Highway Engineering, Changsha University of Science & Technology, Changsha Hunan 410114, China
为防止货车撞击路侧障碍物，道路设计中须采取措施进行安全设计。根据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)[1]，路侧净区内存在重要障碍物，需要使用3级或以上等级护栏防护，如设置波形梁护栏，需要考虑护栏被车辆撞击的变形量，防止车辆外倾运动过程中碰撞障碍物。由于波形梁护栏变形量大，在有限的横断面宽度内，设置波形梁护栏无法有效安全保护，因此，需要设置混凝土护栏保护，但混凝土护栏与重要障碍物的安全距离。在《公路交通安全设施设计规范》中并没有具体规定。根据国外进行的货车碰撞混凝土护栏试验中，货车碰撞护栏后外倾距离为1.2~2.88 m，存在碰撞重要障碍物的风险。通过收集分析2016—2020年美国交通事故报告抽样调查系统(Crash Report Sampling System，CRSS)中的6 001起、及死亡交通事故报告系统(Fatality Analysis Reporting System，FARS)中的6 222起涉及碰撞护栏的事故可知，发生在道路平曲线上的事故频率高于直线，少车道、大纵坡、湿滑路面状况使得曲线路段路侧事故发生频率和事故严重程度更高。
此外，美国典型路侧事故为撞击固定物体，如树木、电线杆、护栏等，造成的死亡人数占总死亡人数的20%左右[2]，而路侧死亡事故中碰撞重要障碍物占碰撞固定物体的2%，碰撞路侧固定物分布比例如图 1所示。对于重要障碍物的防护，主要有2种方法，一是从结构设计上提高重要障碍物的撞击力设计值，二是通过增设护栏阻止车辆撞击。对于第1种方法，国内外相关研究主要集中于车辆撞击桥梁的撞击力计算和撞击的概率[3-10]，然而《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)[11]的撞击力设计值不及美国规范(LRFD Bridge Design Specification, 6th Edition)[12]的40%，并且规范规定不明确，是否考虑撞击力以及撞击力的量值仅凭设计人员的主观意见，也缺少当重要障碍物结构设计考虑碰撞力后是否需要设置护栏的相关规定。对于第2种方法，可避免车辆碰撞重要障碍物的风险，且对于大量横断面宽度受限的改扩建道路，只能使用第2种方法进行防护。
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| 图 1 碰撞路侧固定物分布 Fig. 1 Percent distribution of roadside fixed-object being collided |
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在整体式货车实车碰撞试验和有限元仿真试验研究中，Sheikh等[13]研究结果显示，车厢侵入护栏区域达2.4 m；Buth等[14-15]与Bullard等[16]得到的结果约为1.2~1.6 m；Alberson等[17]进行的牵引车碰撞TL-5级护栏试验中，拖挂车侧倾距离达到2.88 m。国内对混凝土护栏的防护研究主要关注乘员的安全性[18-22]，对路侧障碍物的防护研究较少。顾赛男等[23]模拟了25 t的三轴货车以60 km/h的速度对4~6级F型混凝土护栏的碰撞，得出了护栏迎撞面距离障碍物的安全距离，但车辆模型没有经过实车试验验证，也没有研究不同碰撞速度下的影响。方乐等[9]研究了新泽西护栏对重要障碍物的防护效果，但新泽西护栏的车辆稳定性不如F型护栏，《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2006)[24]中已经取消，其在我国的实践中已经弃用。由于各国标准不同，国外的护栏设计不能直接应用于我国，而我国已有研究中鲜有考虑不同碰撞速度下的车辆外倾值。
评价护栏的防护效果，进行实车碰撞试验是直观且准确的方法，美国和我国护栏安全评价规范都要求新型护栏必须进行实车碰撞试验以测试其性能，但实车碰撞试验的成本过高，且采集数据有限。有限元仿真的方法能够方便地控制变量和获取所需的各种数据，已成为交通安全设施研究和设计中广泛使用的方法[25-27]。
鉴于此，本研究基于有限元仿真方法，使用经过实车碰撞试验验证的货车模型，研究碰撞速度、混凝土护栏等级与车辆侵入路侧区域的关系，提出使用混凝土护栏防护重要障碍物的设置方法。
1 碰撞仿真试验方案及评价指标 1.1 护栏模型《公路路线设计规范》(JTG D20—2017)[28]规定防护重要障碍物的护栏需要考虑护栏的变形量。对车辆碰撞护栏后的外倾值，即图 2中的车辆最大动态外倾当量值(VIn)，《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)仅提供了波形梁护栏的试验结果，缺少混凝土护栏的相关结果。根据《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)[1]规定，路侧净区内存在重要障碍物，需要使用3级或以上等级护栏，而7级(HB级)和8级(HA级)护栏一般在桥梁上使用。因此，选用3~6级护栏并考虑到波形梁护栏的变形大，在横断面较宽的高速、1级公路和部分城市道路上，如果要满足货车撞击波形梁护栏后不碰撞到重要障碍物的要求，根据实车试验结果，3级波形梁护栏迎撞面和重要障碍物之间需要留出2.73 m以上距离。在横断面宽度有限的道路上，设置波形梁护栏会侵入道路建筑限界，因此选用基本不变形的混凝土护栏建模。采用Hypermesh有限元仿真软件建立护栏几何模型并划分网格，由于预计护栏不会发生显著变形，护栏全部采用刚性六面体单元模拟，碰撞区单元翘屈度小于5°，长宽比小于2，最大角小于120°，最小角大于60°。护栏材料使用Mat159混凝土模型，该模型在混凝土三维本构关系模拟效果较准确。
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| 图 2 发生碰撞护栏和车辆变形值(单位：m) Fig. 2 Deformation values of barrier and vehicle in collision (unit: m) |
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为了研究阻挡坎的防护效果，增加带阻挡坎的加强型混凝土护栏模型。护栏尺寸如图 3和表 1所示，护栏长度均为60 m，碰撞点选在距护栏起点1/3处。另外，为研究不同行驶速度的货车碰撞护栏后的车辆外倾值，设置碰撞速度为40~80 km/h，碰撞角度均为20°。在货车-混凝土护栏的整体耦合模型中，货车与护栏之间的接触类型为面-面(Automatic Surface to Surface)接触，车轮-护栏之间的摩擦因数取0.45，货车与护栏之间的摩擦因数取0.2，接触阻尼系数均取10，轮胎和地面之间的摩擦系数设为0.7。
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| 图 3 混凝土护栏尺寸(单位：cm) Fig. 3 Dimension of concrete barriers(unit: cm) |
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| 防护等级 | 代码 | H | H1 | B | B1 | B2 |
| 3 | A | 81 | 55.5 | 46.4 | 8.1 | 5.8 |
| 4 | SB | 90 | 64.5 | 48.3 | 9 | 6.8 |
| 5 | SA | 100 | 74.5 | 50.3 | 10 | 7.8 |
| 6 | SS | 110 | 84.5 | 52.5 | 11 | 8.9 |
1.2 车辆模型
车辆模型选用美国国家碰撞分析中心(National Crash Analysis Center, NCAC)开发的整体卡车Ford F800。模型以实车试验为对比，经过改进参数调整为专用于路侧护栏的碰撞试验，新版本的试验显示出了良好的准确性[29]，如图 4所示。该模型由大约35 193个单元组成，车辆模型中梁、壳、体单元的计算公式分别为Hughes-Liu，Belytschko-Tsay，Constant Stress公式[30-31]，模型参数与碰撞试验标准的车型[32]分析对比如表 2和表 3所示。
| 中型货车 | 规范值 | 模拟值 | |
| 轻载 | 重载 | ||
| 车辆总质量/kg | 6 150±150 | 10 150±150 | 8 138 |
| 整备质量/kg | 2 830±300 | 4 450±500 | 5 225 |
| 几何尺寸/mm(容许误差±15%) | |||
| 前轮轮距 | 1 570 | 1730 | 2 045 |
| 车轮半径 | 410 | 460 | 482 |
| 最远轴间距离 | 3 380 | 3 870 | 5 301 |
| 车辆总长 | 6 210 | 7 040 | 8 565 |
| 车辆总宽 | 2 080 | 2 290 | 2 440 |
| 货厢底板高度 | 1 000 | 1 080 | 1 166 |
| 配载重心位置/mm | |||
| 距地面高度(容许误差±10%) | 1 310 | 1 410 | 1 708 |
| 距纵向中心线的横向距离 | ±100 | ±100 | 10 |
| 大型货车 | 规范值 | 模拟值 | |||
| 3轴货车 | 4轴货车 | ||||
| 轻载 | 重载 | 轻载 | 重载 | ||
| 车辆总质量/kg | 18 000 | 25 000 | 33 000 | 40 000 | 8 138 |
| 整备质量/kg | 9 050±1 000 | 11 460±1 000 | 5 225 | ||
| 几何尺寸/mm(容许误差±15%) | |||||
| 前轮轮距 | 1 930 | 1 950 | 2 045 | ||
| 车轮半径 | 500 | 520 | 482 | ||
| 最远轴间距离 | 6 910 | 7 610 | 5 301 | ||
| 车辆总长 | 11 300 | 11 900 | 8 565 | ||
| 车辆总宽 | 2 470 | 2 490 | 2 440 | ||
| 货厢底板高度 | 1 250 | 1 250 | 1 166 | ||
| 配载重心位置/mm | |||||
| 距地面高度(容许误差±10%) | 1 580 | 1 910 | 1 708 | ||
| 距纵向中心线的横向距离 | ±100 | ±100 | 10 | ||
国内外货车车型主要差别在于国外货车一般为长头式货车，国内货车一般为平头式，两者区别主要在于驾驶室位置与车头长度。在车辆碰撞过程中，长头式车头可为驾驶员提供一定的缓冲保护，但在货车整体形态变化方面影响较小。在引擎、整体结构、材质、车辆载重方面国内外货车车型差距不大，车辆碰撞特性差别不明显，故上述整体卡车Ford F800对我国中型货车具有代表性。
Miele等[29], Mohan等[31], Chen等[33], Polivka等[34]通过实车试验验证了该模型的有效性并进行了优化。图 5为车辆碰撞护栏后的姿态角位移时程图，其中翻滚角φ为车辆围绕纵轴旋转的角度；俯仰角θ为车辆围绕横轴旋转的角度；偏航角ψ为车辆围绕竖轴旋转的角度。
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| 图 5 姿态角位移时程图 Fig. 5 Time intervals of attitude angular displacement |
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在理想情况下，实车试验采集的数据和有限元试验求解结果应该吻合，但许多环节均会存在一定的误差，例如实车试验采集数据的设备、有限元模型的求解方法、材料本构模型的简化等。路侧安全试验验证程序(Roadside Safety Verification and Validation Program，RSVVP)通过计算比较指标，定量比较2条曲线之间或多对曲线之间的相似性，是Ray等[35]为比较路侧安全研究中碰撞试验的有效性而提出的标准。RSVVP计算的比较指标可用于基于实车试验数据验证有限元试验模拟结果。推荐比较指标的计算方法为Sprague & Geers。
按照RSVVP的比较指标，以及美国碰撞试验标准(Manual for Assessing Safety Hardware，MASH)[36]分析有限元模型的有效性。车辆3个姿态角对比结果如表 4和图 6所示，可以发现翻滚角完全满足标准要求，偏航角除残差均值外，均满足要求，俯仰角则不满足标准要求。由表 4可以看出，翻滚角和偏航角是车辆运动的主要响应，俯仰角变化程度相对较小，俯仰角曲线因此而记录了许多噪声，因此无法与实车试验结果一致。从车辆整体运动来看，有限元模型与实车试验结果基本一致，其有效性得到了验证。
| 姿态角 | Sprague-Geer指标 | 残差分析 | |||||
| 幅度/% | 相位/% | 评价结果 | 均值/% | 标准差/% | 评价结果 | ||
| 偏航角 | -13.5 | 6.9 | 满足 | 9.5 | 15.4 | 不满足 | |
| 翻滚角 | 3.9 | 2.9 | 满足 | -0.5 | 5.7 | 满足 | |
| 俯仰角 | 112.5 | 19 | 不满足 | -77.4 | 40.9 | 不满足 | |
| 注：单通道曲线比较时间范围为0~0.85 s。 | |||||||
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| 图 6 能量变化情况 Fig. 6 Summary of energy change |
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图 6为模型的能量变化情况。模型求解过程中总能量保持平衡，表明模型的结构中没有异常耗散能量的单元。在碰撞过程中，随着速度的降低，车辆运动的动能一直下降，当车辆部件通过变形吸收能量时，内能持续增加，而与车辆和护栏之间的摩擦力相关的界面能量不断增加。模型总体能量变化没有异常之处，验证了模型的稳定性。
表 5为有限元试验能量变化的定量分析，可以发现各种能量变化幅度处于合理区间。表 6为根据美国碰撞试验标准选取试验指标的对比结果，护栏的安全性能与实车试验和有限元试验的试验差异均满足要求。
| 评价标准 | 改变量/% | 结果 |
| 分析过程中总能量(包括动能、内能、界面能、沙漏能等)差异不应超过10% | < 5 | 满足 |
| 分析结束时的总沙漏能占分析开始时总能量的比例不超过5% | < 1 | 满足 |
| 分析过程中具有最高沙漏能的部件或材料，沙漏能占分析开始时总能量的比例不超过5% | < 1 | 满足 |
| 分析开始时，总质量增加量不超过模型总质量的5% | < 1 | 满足 |
| 质量增加量最多的部件或材料，其质量增加量不超过初始总质量增加量的10% | < 1 | 满足 |
| 移动的部件或材料的质量增加量不超过其初始质量的5% | < 1 | 满足 |
| 分析过程是否有过度穿透节点 | 无 | 满足 |
| 分析过程中是否有实体单元出现负体积 | 无 | 满足 |
| 评价指标 | 实车试验 | 模拟试验 | 相对误差 | 是否通过 | |
| 结构强度评价 | 护栏应阻挡并导向车辆，车辆不应穿越、下钻、跨越护栏 | 无 | 无 | — | 通过 |
| 护栏最大变形的差异应在20%以内 | 0 | 0 | 0 | 通过 | |
| 车辆碰撞护栏的时间差异应在20%以内 | 0.064 s | 0.055 s | 14% | 通过 | |
| 护栏整体是否失效 | 是 | 是 | — | 通过 | |
| 护栏连接处是否失效 | — | — | — | — | |
| 护栏是否明显绊阻车轮 | 否 | 否 | — | 通过 | |
| 护栏是否绊阻车身 | 否 | 否 | — | 通过 | |
| 乘员安全性评价 | 护栏或车辆的掉落部位是否穿越乘员舱，或对已有交通流或行人造成危险 | 否 | 否 | — | 通过 |
| 车辆姿态是否持续保持直立 | 否 | 否 | — | 通过 | |
| 车辆最大翻滚角相对误差不超过20%或绝对误差不大于5° | 90° | 90° | — | 通过 | |
| 车辆最大俯仰角相对误差不超过20%或绝对误差不大于5° | 4.95° | 9.30° | 87.8%，4.35° | 通过 | |
| 车辆最大偏航角相对误差不超过20%或绝对误差不大于5° | 18.15° | 16.89° | 6.94%，1.26° | 通过 | |
| 车辆轨迹 | 车辆是否在导向驶出框内运动 | — | — | — | — |
1.3 护栏阻挡效果评价指标
车辆侧向碰撞护栏后由于惯性会向外侧倾，《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)中规定路侧护栏面距其防护的障碍物的距离应大于护栏最大横向动态位移外延值或车辆最大动态外倾当量值。车辆最大动态外倾当量值指大中型车辆(包括特大型客车)碰撞试验护栏过程中外倾时，车辆最外边缘相对于试验护栏前最内边缘的最大横向水平距离，并按照车辆总高4.2 m进行换算。为防止车辆碰撞护栏后与重要障碍物等障碍物碰撞，选用车辆最大动态外倾值(VI)来评价护栏的防护性能。混凝土护栏的设计需要经过抗倾覆稳定性计算，并且在已有研究和实车碰撞试验中[18, 20, 37-38]，护栏整体位移几乎为零，因此护栏变形值D和位移值W可等于零。根据现行《道路交通安全法实施条例》的规定，各种道路行驶车辆的限高最大值为4.2 m，因此车辆最大动态外倾当量值计算时采用的车辆总高为4.2 m。根据空间几何关系，通过式(1)将车辆最大动态外倾值(VI)转换成车辆最大动态外倾当量值(VIn)。
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(1) |
式中，VIn为大中型车辆(包括特大型客车)的车辆最大动态外倾当量值；VI为车辆最大动态外倾值；VH试验车辆总高；α为试验车辆外倾角度。
发生碰撞的护栏和车辆变形值如图 2所示，图中D为护栏最大横向动态变形值；W为护栏最大横向动态位移外延值。
2 有限元仿真碰撞试验结果分析 2.1 车辆外倾值与安全距离试验方案共40组，使用LS-DYNA软件(版本为smp d R11.0，修订号为129956)进行分析，时间步长为3.44 μs，求解时间设置为2.5 s。
碰撞是能量转化的过程，系统总能量为货车的初始动能，转化为剩余动能、货车和护栏的内能以及沙漏能。沙漏能是使用了简化的积分单元计算导致的，一方面可以提高计算效率，另一方面也会导致零能量的变形。为了确保模拟的准确性，必须将沙漏能控制在较低的水平。在40组试验中，沙漏能量与总能量的比率保持在6%以下，可保证计算精度。因此，从能量转换的角度来看，模拟结果的合理性可接受。
仿真结果如图 7所示，汇总了碰撞速度、护栏等级与最大动态外倾当量值(VIn)的试验结果，(b)图的图例中“+”号表示加强F型护栏。按式(1)计算VIn，VI为车辆运动过程中的最大外倾距离，VH为3 337 mm，α取为车辆的运动至最大外倾距离时的翻滚角。表 7中，最小安全距离是指考虑车辆碰撞护栏情况下，路侧护栏面距其被防护障碍物的最小距离。
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| 图 7 护栏最大动态外倾当量值 Fig. 7 Normalized maximum dynamic vehicle incline-out distance |
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| 设计速度/(km·h-1) | 50 | 60 | 80 | |
| 护栏等级 | 3级 | 1.6 | 1.8 | 3.0 |
| 4级 | 1.4 | 1.6 | 2.8 | |
| 5级 | 1.2 | 1.4 | 2.0 | |
| 6级 | 1.0 | 1.2 | 1.7 | |
分析试验结果，可得出以下规律：
(1) 碰撞速度与货车最大动态外倾当量值线性相关。碰撞速度每提高10 km/h，货车最大动态外倾当量值约提高0.3~0.5 m。
(2) 护栏等级越高，货车最大动态外倾当量值越低。高等级护栏具有更大的高度，车辆侧撞护栏向外倾斜运动过程中与护栏的接触区域也越高，车辆重心外倾的距离越小，使得车辆导向过程更稳定。
假定货车碰撞速度等于设计速度，根据研究结果，为便于工程应用，按式(1)计算货车最大动态外倾当量值(VIn)并向上取整，按照护栏等级和碰撞速度，提出护栏迎撞面与路侧重要障碍物的安全净距要求，如表 7所示。同等级的加强型护栏与F型护栏相比，在多数情况下，其阻挡车辆外倾的能力更强，根据式(2)计算平均VIn减少率如表 8所示，因此加强型护栏迎撞面与路侧重要障碍物的安全净距可在表 8基础上减少5%。
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(2) |
| 护栏等级 | 平均VIn减小率 |
| 3(A)级 | 13.3 |
| 4(SB)级 | 6.8 |
| 5(SA)级 | 6.2 |
| 6(SS)级 | 10.5 |
2.2 车辆运动稳定性
根据仿真试验结果，分析车辆运动稳定性。图 8为货车以80 km/h碰撞F型护栏的姿态角位移时程图，图例中“+”号表示加强F型护栏。可以发现，护栏等级决定了车辆的稳定性，护栏等级越高，车辆翻滚角、俯仰角和偏航角变化幅度越小，车辆运动越稳定。这是因为护栏高度越高，车辆侧撞护栏向外倾斜运动过程中与护栏的接触区域高度越大，越接近车辆重心处，护栏对车辆运动的导向功能越强。以80 km/h的碰撞试验为例，在F型护栏中，车辆碰撞3(A)级护栏的最大翻滚角为42.7°，6(SS)级护栏的最大翻滚角19.0°，减少了55%。在F型护栏中，车辆碰撞3(A)级护栏的最大翻滚角为34.9°，6(SS)级护栏的最大翻滚角24.6°，减少了29%。
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| 图 8 碰撞速度为80 km/h时货车姿态角时程图 Fig. 8 Time intervals of vehicle attitude angle at collision speed of 80 km/h |
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从护栏与车辆的高度来分析，3(A)级护栏高度最低，仅有81 cm，远低于车厢底部横梁的高度115 cm，货车以80 km/h的速度侧撞该护栏时，后轮跃起且明显高于护栏高度。仿真结果表明，护栏高度越低，车辆的俯仰角越大，后轮的跃起高度越大。车辆受到护栏导向作用出现回正，此过程中后轮受护栏顶部的阻挡，有助于阻止车辆向外倾斜。结果表明，当护栏的高度进一步减小，可能会导致车辆后轴越过护栏。
表 9为半挂车侧撞护栏的实车试验结果，虽然半挂车的质量更大，但最大翻滚角度不一定比Ford F800整体式卡车更大，这也从侧面说明了Ford F800能作为车辆侧撞护栏外倾的代表车型。
| 学者 | 试验年份 | 车辆质量/t | 碰撞速度/ (km·h-1) | 碰撞角度/ (°) | 最大翻滚角/(°) |
| Buth | 1993 | 22.7 | 84 | 14.0 | 12.5 |
| Buth | 1993 | 22.7 | 83 | 16.2 | 7.5 |
| Alberson | 1996 | 36.0 | 80 | 14.5 | 14.0 |
| Rosenbaugh | 2007 | 36.15 | 85 | 15.4 | 22.5 |
| Buth | 2011 | 35.9 | 81 | 15.6 | 12.0 |
| Campise | 1985 | 36.4 | 84 | 16.5 | 52.0 |
护栏阻挡坎有利于增强货车碰撞的稳定性。护栏的阻挡坎使得货车更早受到护栏的阻挡和导向作用，减小车辆外倾的幅度，最大翻滚角对比如表 10所示，货车与加强型护栏碰撞过程中的最大翻滚角明显小于无阻挡坎的F型护栏。
| F型 | 不同碰撞速度(km·h-1)最大翻滚角/(°) | 平均值 | 加强型 | 不同碰撞速度(km·h-1)最大翻滚角/(°) | 平均值 | |||||||||
| 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | 40 | 50 | 60 | 70 | 80 | |||||
| A | 5.1 | 12.8 | 25.4 | 42.1 | 42.7 | 25.6 | A | 6.4 | 12.7 | 17.5 | 25.3 | 34.9 | 19.4 | |
| SB | 8.0 | 14.6 | 20.6 | 29.6 | 44.3 | 23.4 | SB | 6.0 | 11.7 | 21.8 | 29.2 | 40.2 | 21.8 | |
| SA | 5.8 | 10.2 | 16.1 | 20.6 | 25.3 | 15.6 | SA | 4.8 | 7.3 | 13.9 | 15.2 | 28.1 | 13.9 | |
| SS | 6.6 | 13.9 | 14.8 | 33.9 | 19.0 | 17.6 | SS | 6.7 | 8.6 | 10.0 | 16.3 | 24.6 | 13.2 | |
2.3 护栏侧向碰撞力对比
3~6级护栏的碰撞力时程图从后处理程序LS-PrePost的接触力中输出，如图 9所示。由于碰撞力大小处于动态变化，而动荷载与静态的设计荷载关系不明，一般认为50 ms内的平均碰撞力可作为碰撞力设计值[13]。如果采用碰撞力峰值作为碰撞力设计值，则可能是不经济的，因为峰值一般为平均值的2倍以上。图 9为护栏50 ms碰撞力平均值，其中60 km/h为护栏设计碰撞速度，80 km/h为货车一般行驶速度，图例中“+”号表示加强F型护栏。《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2006)中，假设护栏和车辆为线性的弹簧，计算护栏最大横向力公式如式(3)所示。作为仿真结果的对比，也在图 9中列出。
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(3) |
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| 图 9 护栏碰撞力时程图 Fig. 9 Time intervals of barrier collision force |
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式中，F横max为车辆作用在护栏上的最大横向力；m为车辆质量，取8 138 kg；v1为车辆的碰撞速度；C为车辆重心距前保险杠的距离，取3.897 m；b为车辆的宽度，取2.44 m；Z为护栏的横向变形，对混凝土护栏, Z=0。
由图 9可见，护栏受到的碰撞力有2个峰值，第1个峰值发生在车辆驾驶室与护栏初次碰撞，第2个峰值发生在车厢撞击护栏时，且第2个峰值显著高于第1个峰值。从图中还能发现6(SS)级护栏比其他等级护栏的碰撞力峰值大幅增加，如图 9(a)中圆圈标记的碰撞力对比所示。这是因为6级护栏高度最大，在货车侧倾过程中，护栏顶部更可能与车厢发生碰撞，其他等级护栏一般仅与底盘结构碰撞，而车厢刚度比底盘大，因此产生更大的碰撞力。图 9(b)中3级和4级护栏在相同碰撞速度下碰撞力没有出现第2个峰值，是因为其高度相对较低，车厢没有与护栏发生较强的撞击。这也说明，在同样的碰撞条件下，提高护栏等级能有效减少车辆外倾距离和提高车辆运动的稳定性，但护栏受到的碰撞力也会大幅增加。我国规范公式计算碰撞力与车厢和护栏的50 ms平均撞击力比较接近，且明显高于车辆其他部分和护栏的撞击力。欧洲规范[40]把碰撞分为“硬碰撞”和“软碰撞”2类。硬碰撞的能量主要通过物体的碰撞反弹来消散，软碰撞的能量主要通过结构的变形来消散。这表明国内规范公式更接近于车厢与护栏的“硬碰撞”。
3 结论通过货车碰撞护栏有限元仿真试验，选用车辆最大动态外倾当量值(VIn)作为评价指标，评价护栏的防护性能，研究碰撞速度、混凝土护栏等级与车辆侵入路侧区域的关系，解决跨越式或穿越式涉路工程中如何选取护栏等级防护重要障碍物安全的难题，最后得到结论如下：
(1) 混凝土护栏等级越高，货车碰撞护栏的VIn越低，货车侧撞护栏过程中越稳定。根据设计速度和护栏等级得出护栏迎撞面与路侧重要障碍物的最小安全距离。护栏等级为3~6级，设计速度为60 km/h的道路，护栏与路侧障碍物的最小安全距离为1.8~1.2 m。设计速度为80 km/h的道路，护栏最小安全距离为3.0~1.7 m。同等级别的护栏，带阻挡坎的加强型护栏能降低货车VIn 5%以上。
(2) 带阻挡坎的加强型护栏在相同碰撞条件相比F型护栏，能增强车辆运动的稳定性，护栏提高1个等级，降低车辆最大翻滚角2°到3°。
(3) 在相等的碰撞速度下，提高护栏等级能有效减少车辆外倾距离，但由于车厢更可能与护栏碰撞，护栏受到的碰撞力会大幅增加，护栏结构设计应考虑这一效应的影响。
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