閆書明， 陳冠雄， 劉　航

(1.北京華路安交通科技有限公司， 北京 100071；　2.廣東省公路學會， 廣東 廣州　510101；　3.山東高速股份有限公司， 山東 濟南　250014)

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幾種改進的波形梁護欄的碰撞分析

閆書明1， 陳冠雄2， 劉航3

(1.北京華路安交通科技有限公司， 北京 100071；2.廣東省公路學會， 廣東 廣州510101；3.山東高速股份有限公司， 山東 濟南250014)

[摘要]采用實車碰撞試驗和LS-DNYA計算機仿真模擬的方法，對幾種改進的波形梁護欄進行碰撞分析，研究了高度和剛度結(jié)構(gòu)改變對波形梁護欄安全防護性能的影響。研究結(jié)果有助于加深對波形梁護欄安全防護性能的認識，并為相關(guān)規(guī)范的修訂提供基礎(chǔ)資料。

[關(guān)鍵詞]交通設(shè)施； 波形梁護欄； 實車碰撞試驗； 計算機仿真； 優(yōu)化； LS-DNYA

0前言

波形梁護欄由相互拼接的波紋狀鋼板和立柱構(gòu)成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，利用土基、立柱、波紋狀鋼板的變形來吸收碰撞能量，并迫使失控車輛改變方向，是半剛性護欄的典型代表[1]。波形梁護欄在中國的應用已有20多a的應用歷程，在實際應用中，有些波形梁護欄進行了一些結(jié)構(gòu)改進[2-6]，需要對這些改進結(jié)構(gòu)的防撞性能進行研究分析，評價其安全性能。

以早期建造的波形梁護欄為基礎(chǔ)，采用計算機仿真和實車碰撞試驗相結(jié)合的方法[7-15]，對波形梁護欄及幾種改造結(jié)構(gòu)進行碰撞分析，為合理應用波形梁護欄結(jié)構(gòu)奠定基礎(chǔ)。

1波形梁護欄

波形梁護欄在中國高速公路的應用主要劃分為4個階段：1994年之前，由于高速公路建設(shè)在中國處于起步階段，波形梁護欄沒有做過專項結(jié)構(gòu)研究，大部分直接照辦歐美和日本成果，還有一小部分在國外成果基礎(chǔ)上做過一些人為變動，造成波形梁結(jié)構(gòu)形式多樣，防護性能亦不確定；1994年6月，《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》JTJ 074-94(以下簡稱074規(guī)范)頒布，對波形梁護欄結(jié)構(gòu)進行了明確規(guī)定，其中A防撞等級波形梁板采用歐美弧線板，厚度為3 mm，立柱為φ114 mm×4.5 mm厚，打樁深度為1 100 mm，波形梁板和立柱之間不設(shè)置防阻塊或設(shè)置3 mm厚的六角防阻塊，波形板中心距離地面或路緣石上表面為60 cm，設(shè)計防護能量為93 kJ；2006年9月，《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》JTG D81-2006頒布，進一步對波形梁護欄結(jié)構(gòu)進行了規(guī)范，其中A防撞等級波形梁護欄在JTG074-94規(guī)范的基礎(chǔ)上將波形梁厚度提高為4 mm，立柱型號為φ140 mm×4.5 mm厚，打樁深度提高為1 400 mm，波形梁板和立柱之間設(shè)置4.5 mm厚的六角防阻塊，波形梁中心距離地面或路緣石上表面為60 cm，設(shè)計防護能量為160 kJ。

由于2006年以前建造的波形梁護欄設(shè)計防護能量較現(xiàn)行規(guī)范低，出現(xiàn)了對以前建造波形梁護欄的一些改造方案，需要通過研究確定這些改造方案的合理性和安全性。

2護欄安全性能

2.1分析方法

車輛碰撞護欄是高度非線性的物理過程，歐美發(fā)達國家采用實車足尺碰撞試驗進行安全性能分析，雖然該方法費用高且周期長，但具有可靠和客觀的優(yōu)點，多用于護欄安全性能法規(guī)評價；隨著計算機軟硬件的發(fā)展，采用基于有限元方法的計算機仿真方法日趨成熟，該方法具有周期短、費用省的特點，多用于護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全性能分析。

采用實車碰撞試驗和計算機仿真相結(jié)合的方法對波形梁護欄進行碰撞分析，達到可靠、經(jīng)濟、省時的綜合效果。

2.2碰撞條件

應同時采用小型車和大型車碰撞來判斷波形梁護欄是否達到相應的防撞等級。小型車的質(zhì)量小，運行速度高，碰撞護欄后乘員所受的沖擊程度較大型車大，采用小型車碰撞主要對護欄的緩沖功能進行評價；大型車質(zhì)量大，對護欄的破壞程度較嚴重，采用大型車碰撞主要對護欄的阻擋功能進行評價。

A防撞等級護欄應通過1.5 t的小型車輛100 km/h速度20°角碰撞和10 t的大型車輛以60 km/h速度20°角碰撞。以該碰撞條件為基礎(chǔ)，對波形梁護欄進行碰撞分析。

2.3評價指標

護欄的安全性能評價指標主要包括車輛行駛軌跡、護欄防護導向，乘員風險幾個方面。

車輛行駛軌跡指標為：碰撞后車輛應保持正常行駛姿態(tài)，不發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象；禁止車輛任何形式的穿越、翻越、騎跨、下穿護欄。

結(jié)構(gòu)防護導向指標為：護欄應能夠有效地阻擋并導向車輛；車輛碰撞后的駛出角度應小于碰撞角度的60%；在碰撞過程中，脫離組件、護欄碎片不能侵入駕駛室內(nèi)及阻擋駕駛員視線。

乘員風險指標為：小型車輛與護欄發(fā)生碰撞時應能保證車內(nèi)乘員的生命安全，不受到嚴重傷害，所受沖擊加速度最大值不大于20 g。

3早期建造波形梁護欄碰撞分析

早期建造的波形梁護欄以按074規(guī)范規(guī)定的A防撞等級結(jié)構(gòu)居多，建立該結(jié)構(gòu)試驗段(見圖1)。

圖1　早期建造波形梁護欄試驗段Figure 1　Test structure of early built W-beam barrier

按A防撞等級碰撞條件中的10 t大型車以60 km/h速度20°角碰撞組織實車碰撞試驗，評價其是否能夠抵擋160 kJ碰撞能量。圖2為碰撞試驗結(jié)果，可以看出波形梁護欄發(fā)生了斷裂，車輛穿越護欄，說明早期建造波形梁護欄抵擋不了160 kJ的碰撞能量。

圖2　早期波形梁護欄碰撞試驗Figure 2　Impact test of early built W-beam barrier

按試驗條件建立1：1有限元ls-dnya模型，模型參數(shù)經(jīng)大量試驗數(shù)據(jù)進行校核，計算結(jié)果如圖3所示，波形梁護欄發(fā)生斷裂，車輛穿越護欄，與試驗結(jié)果一致，說明了仿真模型的有效性。

圖3　早期波形梁護欄碰撞模擬Figure 3　Impact simulation of early built W-beam barrier

根據(jù)碰撞試驗結(jié)果，說明早期建造的波形梁護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計防護能力已不滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTGD81-2006)的要求，需要進行改造。

4常見改造波形梁護欄碰撞分析

以早期建造波形梁護欄結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，綜合運用試驗和仿真技術(shù)手段，對幾種常見改造波形梁護欄進行碰撞分析。

4.1加強立柱的改造波形梁護欄

以早期建造的波形梁護欄為基礎(chǔ)，將其φ114 mm×4.5 mm厚立柱更換為φ140 mm×4.5 mm厚立柱，進行碰撞分析以考察加強立柱對波形梁護欄安全防護的影響。

圖4為加強立柱改造波形梁護欄按A防撞等級大型車碰撞的結(jié)果，可見加強立柱后，波形梁板未被撞斷，但車輛仍然騎跨上護欄，不滿足安全性能指標要求。

(a) 試驗(b) 模擬

從碰撞結(jié)果來看，加強立柱對于護欄安全性能有一定提高，但是單純依靠加強立柱來提高護欄安全性能的效果不明顯，同時在護欄設(shè)計中，一般遵循“強梁弱柱”的設(shè)計理念來降低車輛發(fā)生絆阻的概率，立柱不宜設(shè)計過剛。

4.2加強梁的改造波形梁護欄

以加強立柱的改造波形梁護欄為基礎(chǔ)，將波形梁厚度由3 mm提高到4 mm，防阻塊厚度由3 mm提高到4.5 mm，采用計算機仿真進行A防撞等級大客車碰撞分析以考察加強梁板對波形梁護欄安全防護的影響。圖5為該加強梁波形梁護欄碰撞結(jié)果，可見車輛騎跨上護欄后一直向前行駛，將碰撞點后的波形梁護欄盡數(shù)壓垮，不滿足護欄安全性能評價要求。

圖5　4 mm厚波形梁護欄碰撞Figure 5　Impact of W-beam barrier with 4mm thickness beam

為進一步提高波形梁板的剛度，建立兩個有限元仿真模型：在仿真模型1中，以4 mm厚波形梁護欄仿真模型為基礎(chǔ)，將波形梁厚度提高到6 mm，其剛度相當于將兩片3 mm的波形梁疊置；在仿真模型2中，以3 mm厚波形梁護欄仿真模型為基礎(chǔ)，將波形梁后面增設(shè)一片反扣的3 mm厚波形梁板，兩片波形梁呈8字形布置。在這兩個仿真模型中，波形梁剛度均得到了較大加強。圖6為仿真模型和A防撞等級大客車碰撞計算結(jié)果，可見由于波形梁剛度加大，波形梁護欄變形較小，但是車輛仍然會騎跨上護欄，不滿足安全性能指標要求。

(a) 6 mm厚波形梁護欄模型與計算結(jié)果

(b) 8字型波形梁護欄模型與計算結(jié)果

Figure 6Impact simulation of W-beam barrier with strengthen beam

建立8字型加強波形梁護欄試驗段，按A防撞等級組織大客車碰撞試驗，試驗見圖7，同仿真結(jié)果，大客車騎跨上波形梁護欄，不滿足評價標準要求。

圖7　加強波形梁護欄模擬碰撞Figure 7　Impact simulation of W-beam barrier with 　strengthen beam

從碰撞結(jié)果來看，在加強立柱的基礎(chǔ)上單純依靠加強波形梁板來提高護欄安全性能的效果不明顯，車輛騎跨護欄說明波形梁護欄的高度不足是影響護欄安全防護性能的一個主要因素。

4.3加高的波形梁護欄結(jié)構(gòu)

為提高波形梁護欄防護能力，有些路段提高了波形梁護欄高度，以4 mm厚波形梁護欄仿真模型為基礎(chǔ)，將波形梁護欄板提高30 cm，按A防撞等級大客車碰撞進行分析，圖8為計算結(jié)果，可見加高的波形梁護欄對于防止大客車騎跨和翻越有較大作用，但是否會對小客車造成不利影響需要做進一步分析論證。

圖8　加高波形梁護欄大客車模擬碰撞Figure 8　Bus impact simulation of with heighten W-beam 　barrier

按照A級護欄碰撞試驗條件中的小型車碰撞規(guī)定，建立1.5 t的小客車以100 km/h碰撞速度20°角碰撞加高10 cm的波形梁護欄結(jié)構(gòu)仿真模型，對這種處理方式對小型車防護性能的影響進行分析。圖9為計算結(jié)果，可見加高的波形梁護欄結(jié)構(gòu)由于波形梁與地面之間的間距增加，會導致小客車車輪在立柱處發(fā)生嚴重絆阻，并且車輛下穿波形梁的趨勢增加，對乘員的安全造成不利影響。

圖9　加高波形梁護欄小客車模擬碰撞Figure 9　Car impact simulation of with heighten W-beam barrier

通過事故調(diào)查，發(fā)現(xiàn)小客車下穿護欄板的事故屢見不鮮，如圖10所示，驗證了小客車碰撞加高波形梁護欄仿真模型的準確性，說明單純依靠提高護欄高度來提高護欄的安全防護性能是不合理的。

圖10　小客車下穿護欄事故Figure 10　Car under cross W-beam barrier accident

4.4雙層波形梁護欄結(jié)構(gòu)

部分高速公路在保持原建造波形梁護欄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在其下部增加一道3 mm的歐式波形梁板，形成雙層波形梁護欄結(jié)構(gòu)。

按照A級護欄碰撞試驗條件中的小型車碰撞規(guī)定，采用1.5 t的小客車以100 km/h碰撞速度20°角碰撞雙層波形梁，在碰撞區(qū)域內(nèi)小客車發(fā)生了橫轉(zhuǎn)，有可能對相鄰車道正常行駛車輛造成較大影響，不滿足評價標準要求，如圖11所示。

(a) 護欄變形

(b) 車輛姿態(tài)

建立10 t的大客車以60 km/h碰撞速度20°角碰撞雙層波形梁護欄的有限元模型，計算結(jié)果顯示大客車穿越雙層波形梁護欄，不滿足評價標準要求。

根據(jù)試驗和仿真計算結(jié)果(見圖12)，在早期建造護欄的底部增加一層波形梁板會增加車輛碰撞后車輪沿波形梁板上爬的趨勢，對增強波形梁的防護能力沒有起到有利作用。

圖12　雙層波形梁護欄大客車碰撞仿真計算Figure 12　Bus impact simulation of double deck W-beam barrier

5優(yōu)化改造波形梁護欄碰撞分析

綜合常見改造波形梁護欄碰撞分析結(jié)果，可知只有同時提高波形梁護欄的高度和剛度才有可能使其達到160 kJ的防護能力，在此基礎(chǔ)上，從舊護欄板再利用角度出發(fā)，提出優(yōu)化的雙層波形梁護欄結(jié)構(gòu)。舊波形梁護欄分為歐式板和日式板：歐式板為曲線弧面結(jié)構(gòu)，為常用波形梁板結(jié)構(gòu)；日式板為折線結(jié)構(gòu)，1994年之前建造的波形梁護欄部分采用日式板。組織實車碰撞試驗，分別對基于這兩種護欄板的優(yōu)化雙層波形梁護欄結(jié)構(gòu)進行碰撞分析。

5.1歐式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)

歐式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)見圖13：波形梁板為從舊波形梁護欄拆除的 3 mm厚歐式舊波形梁板，下層板中心距地面60 cm，上層板中心距地面為93 cm，護欄總高度為108.5 cm；立柱采用φ140 mm×4.5 mm厚型號，打樁深度為140 cm，間距4 m；立柱和波形梁之間采用4.5 mm厚的六角防阻塊。

圖13　歐式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)Figure 13　Optimized double deck europe type W-beam barrier

按A防撞等級對歐式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行實車碰撞試驗。碰撞護欄試驗結(jié)果如圖14所示：小客車和大客車碰撞護欄后基本保持正常行駛姿態(tài)，車輛沒有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象，亦沒有發(fā)生穿越、翻越、騎跨護欄現(xiàn)象，車輛行駛軌跡指標良好；小客車駛出角度為11.9°，大客車駛出角度接近0°，脫離組件、護欄碎片沒有侵入駕駛室內(nèi)及阻擋駕駛員視線，結(jié)構(gòu)防護導向指標良好；碰撞后小車加速度最大值12.9 g，遠離指標限值，大客車碰撞后僅保險杠位置有較小變形，玻璃完整無損，緩沖功能良好，乘員風險指標滿足要求。

(a) 小客車碰撞結(jié)果

(b) 大客車碰撞結(jié)果

Figure 14Impact test of optimized double deck Europe type W-beam barrier

5.2日式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)

日式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)如圖15所示：整體由上下兩層獨立波形梁護欄組成，兩層波形梁護欄的護欄板均為3 mm厚的日式板，下層波形梁護欄的護欄板中心距離地面為56 cm，上層波形梁護欄的護欄板中心距離地面為96 cm；上下兩層波形梁護欄均采用φ114 mm×4.5 mm厚型號立柱，打樁深度為140 cm，間距均為4 m，兩層波形梁護欄立柱呈等間距交叉布置；立柱和波形梁之間采用4.5 mm厚的π型托架進行螺栓連接。

(a) 背部(b) 前部

Figure 15Optimized double deck Japanese type W-beam barrier

按A防撞等級對日式板雙層波形梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)進行實車碰撞試驗。碰撞護欄試驗結(jié)果如圖16所示：小客車和大客車碰撞護欄后基本保持正常行駛姿態(tài)，車輛沒有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象，亦沒有發(fā)生穿越、翻越、騎跨護欄現(xiàn)象，車輛行駛軌跡指標良好；小客車駛出角度為11.1°，大客車駛出角度為1.3°，脫離組件、護欄碎片沒有侵入駕駛室內(nèi)及阻擋駕駛員視線，結(jié)構(gòu)防護導向指標良好；碰撞后小車加速度最大值為11.7 g，遠離指標限值，大客車碰撞后僅保險杠位置有較小變形，緩沖功能良好，乘員風險指標滿足要求。

(a) 小客車碰撞結(jié)果

(b) 大客車碰撞結(jié)果

Figure 16Impact test of optimized double deck Japanese type W-beam barrier

6結(jié)論

對波形梁護欄及其幾種改造結(jié)構(gòu)進行實車足尺碰撞試驗和計算機仿真模擬計算，得出的主要研究結(jié)論如下：

① 早期建造的波形梁護欄防撞能力達不到160 kJ，不滿足高速公路交通安全設(shè)施的最低防護要求，需要進行加強改造；

② 保持波形梁護欄高度不變，靠加強立柱和波形梁板方式對于提高波形梁護欄的防護能力有限；在波形梁板下增加一道波形梁，會導致車輛沿迎撞面爬升，更易翻越護欄；

③ 提高波形梁護欄高度對大客車防護有利，但是小客車易發(fā)生下穿護欄事故；

④ 提高護欄高度并增設(shè)一道波形梁板的優(yōu)化雙層波形梁護欄，可有效防護大客車和小客車，防撞能力達到160 kJ。

優(yōu)化雙層波形梁護欄研究成果已經(jīng)在河北石安高速公路大修項目、廣東省惠深高速公路惠州段改擴建項目和山東省濟青高速公路護欄改造項目中成功實施應用。

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Impact Analysis on Several Improved W-beam Barriers

YAN Shuming1， CHEN Guanxiong2， LIU Hang3

(1.Beijing Hualuan Traffic Technological Co.， Ltd， Beijing 100071， China；2.Guangdong Highway and Transportation Society， Guangzhou， Guangdong 510101， China；3.Shandong Hi-speed Company Limited， Jinan， Shandong 250014， China)

[Abstract]Impact analysis on several improved w-beam barriers were done with vehicle impact test and LS-DNYA computer simulation methods，and the effect of height and stiffness parameter to w-beam barrier safety performance was studied.The research results can enhance understanding of safety performance of w-beam barriers，and provide basic data for the relevant specification revision.

[Key words]traffic facility； W-beam barrier； full scale impact test； computer simulation； optimize； LS-DNYA

[中圖分類號]U 417.12； U 491.59

[文獻標識碼]A

[文章編號]1674-0610(2016)01-0167-05

[作者簡介]閆書明(1976-)，男，山東德州人，高級工程師，從事交通安全設(shè)施仿真與試驗研究。

[基金項目]公路護欄安全性能評價標準修訂(JTG B05-01-2013)

[收稿日期]2014-11-26