近年来，随着交通量激增及车辆技术革新，道路交通安全面临新的挑战^[1]。其中，失控车辆撞击护栏事故频发，其碰撞动态响应与损伤机制直接关系到护栏结构设计的合理性^[2-4]。护栏作为被动安全的核心设施，需在阻挡、导向及缓冲性能之间实现平衡。目前，护栏按力学特性可分为半刚性(波形梁、梁柱式)、刚性(混凝土)及柔性3类，按应用场景则涵盖路侧、中央分隔带及桥梁护栏等^[5-6]。然而，多样化护栏结构对碰撞能量分配与损伤机制的影响仍缺乏系统性研究^[7-10]，尤其是小型客车轻量化(整备质量1.27~1.39 t)导致高速碰撞时动能集中释放，车体变形风险显著增加^[11]；新能源汽车更因电池系统布局改变，面临电池包挤压起火等新型安全隐患^[12-13]。

当前研究多基于乘员风险指标(如ASI、OIV)^[14-15]，对车辆损伤的定量分析尚显不足：一方面，美国规范(如AASHTO MASH-2)虽提出车辆变形测量方法，却未建立护栏形式与车辆损伤的关联模型；另一方面，中国标准《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05—2013)缺乏针对车辆本体损伤及新能源车电池防护的量化评估参数。

针对上述问题，本研究通过实车足尺碰撞试验，构建多维度评价体系，一是融合动态响应参数与标准中关于阻挡功能、导向功能、缓冲性能的指标要求，系统对比半刚性与刚性护栏的碰撞机理差异；其次，引入车辆外部损伤、底板变形及乘员舱变形量化方法，全面评估车辆撞击损伤；三是验证参数体系与现行标准的兼容性，为护栏优化设计及新能源车安全防护提供试验数据支撑。试验严格参照行业标准，测试多种典型护栏(波形梁、梁柱式及混凝土护栏)及不同基础条件的碰撞工况。

在实车足尺碰撞试验中，车辆状态是影响碰撞响应与损伤评估的关键变量。理论上，采用同型号、同批次车辆可精准量化护栏形式对碰撞行为的影响，但受限于试验成本及车辆迭代速度(主流车型更新周期≤3 a)，此类理想条件难以实现。中国标准虽未强制要求车辆型号一致性，但明确规定了总质量(1 500±75)kg、碰撞速度(100+4)km/h等核心参数阈值。

本研究基于上述标准，选择2018~2020年生产的7款同级别小型客车(整备质量1 270~1 390 kg)，严格控制整备质量偏差≤10%、轴距偏差≤5%(见表 1)。所有试验车辆均满足：(1)车身结构完整，无重大钣金损伤；(2)轮胎磨损度＜20%(符合《轿车轮胎规格，尺寸，气压与负荷》GB/T 2978—2024)。通过参数标准化，最大限度降低车辆个体差异对护栏性能评估的干扰，确保碰撞能量(68 kJ)与动态响应数据的可比性。

本研究基于《公路交通安全设施设计规范》 (JTG D81—2017)的护栏分类体系，结合中国高速公路事故特征，选择具有工程代表性^[16-18]的4类护栏开展对比试验：(1)波形梁护栏(方案1~4)，作为半刚性护栏典型形式。其中，方案1(压实度83%)与方案3(压实度81%)模拟中央分隔带半刚性护栏因地下管线预埋、绿化植被根系扰动等复杂工况导致的压实不足现象；方案2和方案3是采用新型高强钢制作的护栏；(2)铝合金梁柱式护栏(方案5)，代表新型高强轻质护栏；(3)混凝土临时护栏(方案6)与桥梁护栏(方案7)，体现刚性护栏在不同场景的应用差异(见表 2)。尽管各方案防护等级(A/SB/SS)存在差异，但通过统一碰撞条件构建标准化试验框架(见表 3)，可有效区分护栏形式参数对碰撞响应的影响。这种差异化设计突破了传统研究仅关注单一护栏类型的局限，为揭示材料属性、结构刚度、基础强度与碰撞能量之间分配的耦合机制提供多维数据支撑。各方案护栏结构简单图见图 1。

图 1 护栏结构简图(单位: mm) Fig. 1 Schematic diagrams of guardrail structures(unit: mm)

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本研究采用经ISO/IEC 17025:2017标准校准的落锤式加速系统，确保试验车辆精确达到目标碰撞速度。加速完成后，车辆以预设角度自由滑行撞击试验护栏。碰撞过程中，采用500帧/s高速摄像系统同步记录车辆运动轨迹及护栏变形过程。同时，在车辆重心处安装加速度传感器(量程±50g，采样率10 kHz)，采集纵向(X)、横向(Y)加速度数据。

本研究构建的评价参数体系与中国标准《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05—2013)具有明确的关联性和补充性。首先，在规范要求的“防止车辆穿越、翻越、骑跨”基础上，新增车辆侵入距离的量化评估，更精确反映护栏拦截效能，实现对规范中阻挡功能评价的延伸；其次，通过引入车辆重心加速度峰值和动能损失率，在规范规定的OIV和ORA外，从能量耗散角度完善缓冲性能评价；将规范中定性描述的“车辆不翻车”及“导向驶出框”要求拓展为可量化的车辆转向角度，提升导向性能的可测性。另外，本研究提出的车辆与护栏接触长度和车辆损伤等新参数，有效弥补了现行标准在碰撞能量空间分布和车辆本体损伤评估方面的空白。

小型客车的碰撞动态行为通过高速摄像系统全程记录，提取车辆运动轨迹及姿态角变化图像。碰撞关键点速度依据《基于视频图像的车辆行驶速度技术鉴定》(GA/T 1133—2014)中的固定式视频图像的车辆行驶速度计算方法计算，速度测量误差＜1.5%。其余参数通过MB-Ruler Pro(V6.0)视频分析工具提取，可精准量化转向角度、接触长度等参数。表 4列出了7种护栏碰撞工况下的动态响应数据，包括驶入/驶出速度、动能损失率、侵入距离等关键指标。图 2进一步通过雷达图展示了各护栏形式在动能损失率、加速度峰值及接触长度等维度的性能差异。

图 2 动态响应参数相对关系图 Fig. 2 Relative relations among dynamic response parameters

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首先，所选择的7个方案均满足基于《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05—2013)的导向功能评价要求。在此基础上，通过驶入角α(碰撞点前车辆/护栏轴线夹角)与驶出角β(脱离接触时夹角)建立护栏纠偏性能量化指标：车辆转向角θ=α+β，系统评估护栏轨迹修正能力。试验数据显示，在统一驶入角(20.1°±0.6°)条件下，除方案3(低压实度波形梁护栏)和方案7(桥梁混凝土护栏)外，其余方案转向角在(29.5°±3.2°)范围内波动，波形梁材料强度(Q235与HR700F)也仅产生1.4°差异，均未达显著水平。方案3中由于失控车辆迎撞侧前轮受到该方案中路缘石横向约束影响，驶出角降至4.8°，较无路缘石高压实度方案4(13.7°)降低64.9%，较低压实度且立柱间距2 m的方案1(14.2°)降低了66.2%；方案7中超常规的47.7°转向角源于双重结构特征耦合作用，9.75°护坡设计形成的斜坡几何界面引发车辆前轮抬升效应，配合护栏本体高刚度特性，导致碰撞过程中产生显著的法向反力分量。这种“爬坡-刚性反弹”的复合作用机制，虽能增大轨迹纠偏幅度，但可能因过大的车辆转向角导致车辆姿态失稳，形成二次碰撞风险。

车辆动能损失率(E_k)是评估护栏吸能效率的核心参数，计算公式如下：

式中，E_k为车辆动能损失率；v_r为驶入速度，即车辆与护栏碰撞时的初始速度；v_c为驶出速度，即车辆与护栏脱离接触时刻的速度。

基于表 4试验数据的车辆动能损失率分析表明，护栏系统吸能性能呈现层级化差异。首先，结构类型主导核心差异：波形梁护栏通过塑性变形实现66.6%~83.1%的动能损失率，较刚性护栏(14.3%~25.1%)提升2.6~5.8倍；半刚性铝合金护栏(方案5)因预埋螺栓连接限制变形，动能损失率降至37.2%。其次，同类护栏参数敏感性排序为：波形梁护栏中，地基压实度降低(由94%降低至81%)使动能损失率提升10.8%(由72.3%提升至83.1%)，立柱间距加密(4 m至2 m)则通过刚度增强导致损失率下降19.8%。金属材质(Q235与HR700F)带来的影响不足0.5%。

车辆与护栏接触长度是指从碰撞初始点到完全脱离过程中，护栏与车辆直接接触区域的累计长度。该参数可有效表征碰撞能量的空间分布与护栏结构保持完整性的能力，各方案详值见表 4。

试验数据表明：在波形梁护栏组别(方案1至4)中，接触长度呈现显著的基础-结构耦合效应。具体而言，基础约束效应：当基础压实度从95%(方案4)降至81%(方案3)时，接触长度值由1 173.8 cm增至1 225.5 cm，增幅4.4%，即地基约束力减弱将导致护栏塑性变形区域扩展，迫使碰撞能量沿纵向梁板更广域分布；当立柱间距由4 m(方案3)加密至2 m(方案1)时，接触长度锐减36.8%，表明立柱密布形成的刚度梯度可有效抑制梁板屈曲变形，缩短能量传递路径；而金属材质(Q235与HR700F)导致的差异仅为1.3%。同时，基础约束效应也在刚性护栏组得到体现，基础未采用任何连接方式的方案6，其接触长度值较方案7增加38.2%。

值得注意的是，铝合金梁柱式护栏(方案5)展现出独特的力学响应特征，其接触长度值仅230.8 cm，较传统波形梁护栏(774.8~1 225.5 cm)降低70.2%~81.2%，与刚性护栏系统(方案6，753.3 cm；方案7，545.1 cm)相比亦减少54.6%~57.7%。该现象源于2个方面，预埋螺栓形成的刚性节点将基础-立柱连接刚度大幅提升，同时铝合金材料的弹性模量远高于水泥混凝土，从而导致碰撞过程中产生弹性回弹主导的能量反射机制。

车辆侵入护栏距离定义为碰撞过程中车辆最外边缘相对于护栏初始位置的最大水平偏移量，是评估护栏拦截效能与乘员生存空间保障能力的关键参数。研究表明：波形梁护栏(方案1~4)侵入距离与立柱稳定性及基础压实度显著相关。低压实度(81%)工况下(方案3)，侵入距离达133.4 cm，较同类型高压实度护栏(方案4，121.8 cm)增加9.5%。立柱间距从4 m(方案3)加密至2 m(方案1)时，侵入距离从133.4 cm降至72.9 cm，降幅达45.4%，验证了立柱密度对侵入距离控制的强化作用。

铝合金梁柱式护栏(方案5)侵入距离仅为25.4 cm，为所有方案中最低值。这得益于其混凝土基础预埋螺栓连接方式，通过刚性约束将碰撞能量通过立柱传递至地基，抑制了横向位移扩展，显著降低侵入风险。

刚性护栏侵入距离分析表明，混凝土临时护栏(方案6，39.4 cm)因未与基础锚固，碰撞时横向位移达15.2 cm，虽坡度较小(7.7°)，侵入距离仍高于桥梁混凝土护栏(方案7，28.8 cm)；而方案7通过现浇连接与9.75°护坡设计，将碰撞能量转化为竖向爬升，显著降低水平侵入。

乘员风险评估是护栏安全研究的核心问题。受限于实车碰撞试验成本，本研究采用车辆重心处的加速度峰值替代传统乘员舱数据(ORA/OIV)进行间接评估。在车辆重心处安装纵向(X向)和横向(Y向)加速度传感器，重点分析纵向加速度峰值(图 3)以量化碰撞烈度(见表 5)。

图 3 各方案加速度历程曲线 Fig. 3 Acceleration time-history curves with various schemes

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试验表明，波形梁护栏纵向加速度峰值(4.77g~6.76g)较刚性护栏(18.4g~23.41g)降低71%~74%，塑性变形显著衰减冲击；然而，立柱间距加密(方案1 vs.3)或基础压实度提高(方案4 vs.3)，加速度峰值上升6%~15%；材料强度提升(Q235向HR700F)并减薄构件厚度，峰值差异17.7%；铝合金梁柱式护栏(方案5)峰值介于二者之间，其预埋螺栓刚性连接部分抑制变形。刚性护栏因高刚度引发“硬碰撞”效应，纵向加速度峰值达18.40g~23.41g。结果表明，护栏设计需权衡刚度与柔性，过度强化结构虽利于控制车辆轨迹，但会加剧乘员冲击风险。

中国标准《公路护栏安全性能评价标准》 (JTG B05—2013) 对碰撞后车辆损伤及变形的定量评价体系尚不完善，难以全面评估车体变形导致的乘员挤压伤害、救援障碍及新能源车电池系统失效等衍生风险。为此，本研究参考美国AASHTO MASH-2手册^[12]的标准化测量方法，通过三维坐标重建技术，采集车辆外部损伤、底板变形及乘员舱变形数据。构建足尺碰撞试验参数与真实事故车辆损伤特征的映射关系。通过采集并对比不同护栏形式下的车辆变形数据，量化其变形差异，进而客观评价碰撞的猛烈程度。

车辆外部损伤通过点对点测量技术量化评估，如图 4所示。沿车头宽度方向等距布设6个测点(C1~C6)，以车架或车门横梁为基准，记录碰撞前后测点的位移偏差，计算变形深度(C值)，并定义损伤宽度(L)及损伤中心偏移量(D_c)表征损伤分布。试验数据显示(图 5)，半刚性护栏因变形吸能特性，车辆损伤集中于碰撞点附近，最大变形深度(C_max)为332 mm(方案1)；低压实度工况下C_max较高压实度增加22%(方案3 vs.方案4)。相比之下，混凝土护栏(方案6、7)的C_max达426~516 mm，损伤范围较波形梁护栏扩大42%~89%。不同形式的护栏，车辆的损伤宽度无明显差异，只有方案6中，混凝土护栏本身刚度较大，但因为其未与地面锚固，车辆撞击时，护栏产生横向位移，且车辆因护栏坡度爬升，使得车辆与护栏的接触面积有限，同时碰撞造成车辆前轮脱落，使得损伤宽度大幅降低。

图 4 车辆外部损伤测量图 Fig. 4 Schematic diagram of vehicle external damage measurement

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图 5 车辆外部损伤对比图 Fig. 5 Comparison of vehicle external damages

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铝合金梁柱式护栏(方案5)因预埋螺栓刚性连接抑制变形，导致车头构件越过立柱引发局部损伤骤增(C_max=674 mm)，较混凝土护栏(方案7，516 mm)增加30.6%，较波形梁护栏(方案3，164mm)增加311%。这表明，刚性连接减少护栏吸能占比，加剧了车辆自身结构损伤。研究结果凸显了波形梁护栏在控制损伤范围上的优势，同时揭示了过度强化护栏刚度和连接刚度可能引发非预期风险。

车辆内部变形通过底板变形和乘员舱变形量化评估。车辆内部变形点位图见图 6。基于车内三维坐标系(X轴为纵向中轴线，原点设于低变形区域)，在脚踏板、底板、仪表盘等关键部位布设测量点，利用激光水平仪获取各点三维变形值(Δx，Δy，Δz)。为综合表征变形影响，将有利变形(如车顶Δz、车门Δy)纳入总变形量Δ_总(式2)，并以最大值(Δ_{总_max})横向对比不同方案(见表 6)。结果显示，对于底板变形而言，波形梁护栏的Δ_{总_max}(16~33 mm)较混凝土护栏(38~49 mm)降低13%~67%。

图 6 车辆内部变形点位图 Fig. 6 Vehicle internal deformation measuring points

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尽管内部变形整体较小(Δ_{总_max}≤150 mm)，波形梁护栏较混凝土护栏和铝合金护栏仍展现出更优的乘员舱完整性保护能力。然而，车型差异导致数据离散，部分抵消了护栏形式的影响。未来需统一试验车型并规范测量点布局，以提升内部变形数据在护栏安全评价中的权重。

本研究通过实车足尺碰撞试验，系统揭示了半刚性护栏(波形梁、铝合金梁柱式)与刚性护栏(混凝土)对小型客车碰撞动态响应及损伤特征的差异化影响，构建了包含车辆动能损失率、车辆与接触长度、车辆侵入距离、车辆重心处加速度峰值及车辆外部损伤、内部变形等参数的多维评价体系，为完善护栏安全性能评价标准提供了理论与试验支撑，主要结论如下。

(1) 波形梁护栏通过塑性变形显著吸收碰撞能量，车辆动能损失率达66.6%~83.1%，为混凝土护栏(14.3%~25.1%)的3~6倍，其纵向加速度峰值(4.77g~6.76g)较刚性护栏(18.4g~23.41g)降低71%~74%，验证了其优异的缓冲性能。建议将车辆动能损失率作为半刚性护栏的评价指标，并纳入现行标准。

(2) 波形梁护栏性能受基础压实度与立柱间距显著影响，压实度从94%降至81%时，车辆动能损失率提升10.8%(72.3%至83.1%)，但侵入距离增加9.5%(121.8 cm至133.4 cm)；立柱间距从4 m加密至2 m时，车辆动能损失率下降19.8%，侵入距离锐减45.4%(133.4 cm至72.9 cm)，但加速度峰值升高30%，表明需权衡吸能与乘员冲击风险。

(3) 混凝土临时护栏(方案6)因未锚固导致横向滑移(15.2 cm)，侵入距离(39.4 cm)较桥梁护栏(方案7，28.8 cm)高36.8%；而方案7通过9.75°护坡设计将水平动能转化为竖向爬升，显著降低侵入风险，但加速度峰值提高27%(18.4g~23.41g)。

(4) 引入车辆外部损伤与底板变形参数，发现波形梁护栏最大变形深度(C_max=332 mm)较混凝土护栏(516 mm)降低35.7%，但铝合金梁柱式护栏因刚性连接引发局部损伤骤增(C_max=674 mm)。建议将底板变形纳入现行标准，作为评价新能源车电池防护的关键参数。

受限于试验样本量(7组)与车型差异，部分结论普适性待验证。后续需扩展试验规模，统一车型参数，并单独验证路缘石、坡度等变量的独立影响。此外，需结合多工况(如碰撞速度、角度)深化车辆-护栏碰撞行为分析，以提升评价参数体系的工程适用性，实现防护效能与乘员安全的协同提升。