1、新型四级多功能型护栏实车足尺碰撞试验研究 岳锐强 李文 张翔 蔡顺江 陈森 云南武易高速公路建设指挥部 北京中路安交通科技有限公司 摘 要： 为了提高武易高速公路双向行驶匝道区域的行车安全性, 针对目前应用于高速公路护栏的不足之处, 提出了一种新型四级 (SB) 多功能型护栏, 该护栏采用模块化设计, 刚度合理, 在车辆碰撞产生横向变形较小的条件下具有较好的缓冲吸能功能。为验证护栏是否满足公路护栏安全性能评价标准 (JTG B05-01-2013) 规定的四级 (SB 级, 防护能量280kJ) 防护等级的要求, 依据评价标准采用小型客车、中型客车、大型货车对护栏进行了实车足尺碰撞试验, 试验
2、结果表明新型四级 (SB) 多功能型护栏满足评价标准要求, 护栏最大横向动态变形值满足武易高速公路实际要求, 可以应用于工程实际。关键词： 多功能型护栏; 四级 (SB) ; 实车足尺碰撞试验; 护栏最大横向动态变形值; 缓冲性能; 收稿日期：2017-05-10Received： 2017-05-10武易高速公路起于武定县, 止于易门县城南, 线路全长 104km, 全线采用双向六车道, 设计时速 100km/h, 具有交通量大、大型车比例高、互通立交多等特点, 交通流复杂, 属于事故多发区域, 事故损失严重, 危险程度较高。目前刚性护栏和半刚性护栏在公路工程中应用较为广泛, 采用刚性护栏可
3、以起到防护车辆的作用, 但是护栏缓冲功能一般, 碰撞对乘员冲击较大, 不利于保护乘员安全;若采用半刚性护栏, 虽然碰撞对乘员造成冲击较小, 但大型车碰撞护栏变形较大, 车辆易进入对向车道造成严重的二次事故1-3。相关学者针对当前护栏所存在的不足进行了改进4,5, 使护栏在满足现行标准6规定的阻挡、导向、缓冲功能同时, 还应具有较好的缓冲吸能作用来减小碰撞对乘员的冲击作用, 并且护栏变形需满足实际要求以避免二次事故的发生。对于武易高速公路互通立交路段, 为避免车辆碰撞护栏后进入对向车道, 应使护栏最大横向动态变形值 D1m。针对当前公路护栏所存在的问题, 并结合武易高速公路的实际情况, 本文研发
4、了一种新型四级 (SB) 多功能型护栏结构, 依据公路护栏安全性能评价标准(JTG B05-01-2013) 对其进行实车足尺碰撞试验, 通过试验数据对护栏的安全性能指标和在武易高速公路的适用性进行分析, 并为其他高速公路的应用提供基础数据。1 多功能型护栏结构介绍多功能型护栏采用模块化设计, 护栏高度 0.96m, 宽 0.38m, 由多组防撞吸能单元组成, 每组防撞吸能单元长 0.65m, 由立柱, 上、下吸能箱和导向旋转体组成, 立柱与上、下吸能箱体采用螺栓连接。基础采用钢筋混凝土嵌固式基础, 立柱与基础采用法兰连接。各防撞吸能单元间通过螺栓拼接, 结构示意见图1。图 1 多功能型护栏结
5、构示意 下载原图单个吸能箱体结构示意见图 2, 上、下箱体由 Q345 钢板焊接而成, 上、下迎撞面板分别设置 1 道和 2 道凹槽来增加板自身刚度, 两侧迎撞面板与具有一定倾角的斜板焊接, 增加结构整体刚度的同时, 斜板的设置有助于对碰撞车辆的导向和吸能。图 2 吸能箱体结构示意 下载原图导向旋转体由高 100 mm, 外径 375 mm 的 EVA 材料制成, 可减小车辆与护栏碰撞过程中的冲击作用, 还可通过转子绕立柱转动来起到导向作用, 转子上、下分别设置回旋圈, 以便减小转子与上、下吸能箱间的摩擦。2 碰撞条件及评价指标2.1 碰撞条件根据评价标准6规定, 四级 (SB) 多功能型护栏
6、安全性能应采用小型客车、中型客车、大型货车三种车型进行碰撞试验, 碰撞条件见表 1。表 1 碰撞条件 下载原表 2.2 评价指标评价标准规定护栏安全性能评价指标见表 2, 采用三种车型碰撞过程评价护栏的阻挡和导向功能, 小型客车评价护栏的缓冲功能, 对车辆外倾和护栏变形进行记录, 以便根据道路实际情况确定护栏适用性。表 2 护栏评价指标 下载原表 2.3 车辆轨迹导向驶出框见图 3, 参数取值见表 3图 3 车辆轨迹导向驶出框 下载原图表 3 参数 A 和 B 取值 下载原表 3 实车足尺碰撞试验3.1 试验准备在试验场根据所研发四级 (SB) 多功能型护栏结构尺寸按 11 安装试验护栏, 试
7、验段长度 50m, 见图 4, 根据标准要求准备试验用小型客车、中型客车和大型货车 (图 5) , 经检验车辆各项技术指标符合要求。在试验场设置高速摄像机对车辆碰撞护栏过程进行记录, 在护栏和车身设置明显标识以便于图像和试验数据的采集。图 4 实车碰撞试验用多功能型护栏 下载原图图 5 实车碰撞试验用车辆 下载原图3.2 小型客车试验结果小型客车碰撞多功能型护栏行驶轨迹见图 6, 护栏导向性能良好, 车辆碰撞后未穿越、翻越和骑跨护栏;车辆破坏形态见图 7, 车辆碰撞护栏后乘员舱完好, 多功能型护栏对小型客车阻挡功能符合要求。图 6 小型客车碰撞护栏运行轨迹 下载原图小型客车导向使出框见图 8,
8、 车辆距碰撞点 5.8m 位置处开始驶出护栏, 在距离驶离点 10m 范围内未越出直线 F, 并恢复正常行驶姿态, 护栏导向性能满足要求。图 7 小型客车破坏形态 下载原图图 8 小型客车导向使出框 下载原图试验碰撞时刻为 0.118s, 该时刻乘员纵向和横向碰撞速度分别为 4.9 m/s 和7.8 m/s, 小于标准规定的 12m/s。乘员碰撞后纵向和横向加速度见图 9, 由图可知, 乘员碰撞后加速度的纵向和横向分量最大值分别为 68.4m/s 和 60.2m/s, 小于标准规定的 200m/s。因此, 多功能型护栏的缓冲功能满足标准要求, 且对乘员冲击作用较小, 伤害程度较低。图 9 乘员
9、碰撞后加速度分量与时间关系 下载原图护栏变形见图 10, 多功能型护栏整体刚度较大, 车辆碰撞导致变形也较小, 根据测量 D=50mm, W=500mm, 护栏表面 5.9m 范围内有刮痕, 护栏损伤较轻。图 1 0 小型客车碰撞后护栏变形 下载原图根据以上分析, 多功能型护栏对小型客车的阻挡、导向功能满足要求, 并在碰撞使护栏产生较小位移的条件下对小型客车具有较好的缓冲性能。3.3 中型客车试验结果中型客车碰撞多功能型护栏行驶轨迹见图 11。中型客车碰撞护栏后可以恢复到正常的行驶姿态, 未穿越、翻越和骑跨护栏, 乘员舱完好, 前挡风玻璃出现裂纹但未脱落, 侧车窗完好, 可以较好保护乘员安全
10、(图 12) , 因此, 对中型客车的阻挡功能满足要求。图 1 1 中型客车碰撞护栏运行轨迹 下载原图图 1 2 中型客车破坏形态 下载原图中型客车导向使出框见图 13, 车辆距碰撞点 4.3m 位置处开始驶出护栏, 在距离驶离点 20m 范围内未越出直线 F, 并恢复正常行驶姿态, 护栏导向性能满足要求。护栏变形见图 14, 5.2 m 范围内立柱向外倾斜, 护栏板产生变形。测量得护栏最大横向动态变形值 D=465mm, 满足护栏 D1 m 的要求, 可以有效避免车辆侵入护栏距离过大而进入对向车道, 从而造成严重的二次事故。护栏最大横向动态位移外延值 W=760mm, 车辆最大动态外倾值 (
11、VI) 及其当量值 (VI n) 分别为843mm 和 1 034mm。图 1 3 中型客车导向使出框 下载原图图 1 4 中型客车碰撞后护栏变形 下载原图3.4 大型货车试验结果大型货车碰撞多功能型护栏行驶轨迹见图 15。由图可知, 货车碰撞护栏后未穿越、翻越和骑跨护栏, 车辆左前角产生凹陷变形, 驾驶室内部未变形 (图 16) , 可以较好保护乘员安全, 护栏对大型货车阻挡功能满足要求。图 1 5 大型货车碰撞护栏运行轨迹 下载原图图 1 6 大型货车破坏形态 下载原图大型货车导向使出框见图 17, 车辆距碰撞点 1.3m 位置处开始驶出护栏, 在距离驶离点 20m 范围内未越出直线 F,
12、 并恢复正常行驶姿态, 护栏导向性能满足要求。图 1 7 大型货车导向使出框 下载原图护栏变形见图 18, 6.2m 范围内迎撞面板有刮痕, 碰撞点 3.5 m 范围内护栏板向内凹陷, 护栏最大横向动态变形值 D=145mm, 满足护栏 D1m 的要求, 护栏最大横向动态位移外延值 W=570mm, 车辆碰撞最大外倾角 13.5, 车辆最大动态外倾值 (VI) 及其当量值 (VI n) 分别为 1 056mm 和 1 208mm。图 1 8 大型货车碰撞后护栏变形 下载原图4 结语(1) 实车足尺碰撞试验表明, 多功能型护栏满足公路护栏安全性能评价标准(JTG B05-01-2013) 规定的
13、四级 (SB 级, 碰撞能量280kJ) 防护等级, 各项指标均满足评价标准要求。(2) 将实车足尺碰撞试验中护栏变形和车辆外倾情况汇总于表 4 中。表 4 各车型护栏变形与车辆外倾 下载原表 由表中数据可知, 三种车型护栏最大横向动态变形值 D 均小于 1m, 满足武易高速公路对护栏变形的要求。(3) 多功能型护栏兼备半刚性护栏和刚性护栏的特点, 在车辆碰撞产生横向变形较小的条件下具有较好的缓冲吸能功能, 可以在工程实际中推广应用。参考文献1赵永利, 柳天振.刚性护栏及半刚性护栏与车辆碰撞的安全性模拟分析J.东南大学学报:自然科学版, 2012, (2) :369-373. 2王忠仁.高速公路中央分隔带护栏形式选择J.公路交通科技, 1999, (S1) :48-53. 3周炜, 张天侠, 乔希永, 崔海涛, 朴松爱.汽车与不同形式高速公路护栏碰撞的试验研究J.公路交通科技, 2006, (7) :137-141. 4刘瑾.高速公路事故高发段防护栏优化设计D.成都:西南交通大学, 2012. 5奚少新, 徐良杰, 刘启远, 应聃.城市中央隔离栏安全性改善及优化研究J.武汉理工大学学报:交通科学与工程版, 2015, (2) :427-431. 6JTG B05-01-2013 公路护栏安全性能评价标准S.
