波形梁护栏防撞原理及设置技术

第３６卷第３３期　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　ＶｏＩ．３６　Ｎｏ．３３　ＳＨＡＮＸＩ　ＡＲＣＨＩＴＥＣＴＵＲＥ　Ｎｏｖ．２０１０　・３０１・　文章编号：１００９—６８２５（２０１０）３３—０３０１—０２　波形梁护栏防撞原理及设置技术　杜　鹏　摘　要：介绍了几种防撞护栏的形式与性能，重点探讨了波形梁护栏的防撞原理，进行了汽车与护栏碰撞的仿真分析，并　就其在不同道路条件下的设置技术展开了论述，以确保交通安全。　关键词：交通安全设施，护栏，设置技术　中图分类号：Ｕ４１７．１２　文献标识码：Ａ　０　引言　波形梁半刚性护栏对失控车辆具有良好的导向和保护性能，并且　护栏是道路安全设施的重要组成部分，对防止行车事故起着　安装方便，施工费用低。　重要作用，它可以吸收部分汽车撞击能量，减小汽车碰撞减速度　３汽车与护栏碰撞的仿真分析　峰值。合理设置护栏不但可以减少交通事故，降低事故的严重程　护栏的设计条件（或碰撞条件）的确定主要考虑标准车型、车　度，还可以诱导行车视线，使司乘人员感到舒适，从而降低他们的　辆质量、碰撞速度、碰撞角度、道路条件、交通特性、事故成本等因　疲劳程度，保障行车安全。　素。由于半刚性和柔性护栏的撞击过程是典型的大位移、大转　１　护栏的形式与性能　动、大应变，且具有未知接触约束的显著非线性问题，一般采用动　１．１　按设置位置分类　态显式有限元方法进行仿真分析，这种方法能够将物理空间的无　根据设置位置不同，护栏可分为路侧护栏和中央分隔带护　限自由度问题转化为有限自由度问题，它利用接触算法处理物体　栏。路侧护栏设置在公路路肩上，日的是防止失控车辆越出路外，　之间的接触，通过显式时间积分求解大变形动力响应，特别适合　避免碰撞路边其他设施。中央分隔带设置于公路中央分隔带内，防　解决大变形、大转角、大应变问题。申杰　曾以最常见的高速公　止车辆穿越中央分隔带闯入对向车道并保护分隔带内的构造物。　路波形梁钢护栏为研究对象，建立详细的三维有限元模型，运用　１．２按力学特性分类　非线性显式有限元算法，计算在汽车碰撞下的动力特性。该有限元　按力学特性，护栏可分为柔性护栏、半刚性护栏及刚性护栏。　模型总共包括４段护栏，每段护栏包括波形梁板、防阻块、立柱，相　柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏结构，主要代表形　邻两段立柱的中心距离为４　ｍ（见图１），具体细节参考ＪＴＧ　Ｄ８１　式有缆索护栏，受撞时依靠立柱的变形和缆索的拉应力来吸收汽　２００６公路交通安全设施设计规范。　车能量，这种护栏形式美观，行车时没有压迫感，但视线诱导效果　差。刚性护栏是一种基本不变形的护栏结构，一般指的是水泥混　凝土护栏，它依靠汽车前轮爬高或转向来吸收碰撞能量。半刚性　护栏一般是连续的梁柱式护栏结构，依靠护栏的弯曲变形和张拉　力来抵抗车辆的碰撞，具有一定的刚度和韧性，通过横梁的变形　吸收冲撞能量，其损坏部件容易更换，具有一定的视线诱导作用，　能与道路线形相协调，外形美观。　２护栏的防撞原理　图１部分护栏有限元模型　汽车与护栏相撞过程一般可分解为四个阶段：车头角位碰　针对护栏通常长达数千米的情况，对未予以建模的部分，参考　撞、侧面擦过护栏、车尾角位碰撞、车辆返回车道。但各种护栏在　Ｔａｂｉｅｉ　提出的边界条件确定方法来等效模拟未予以建模的部分　具体作用机理上又有不同。当汽车与刚性护栏相撞时，首先保险　护栏。另外，还考虑立柱周围土壤与立柱之间的相互作用，用面面　杠与护栏上坡面接触受力变形，上坡面对汽车产生提升力。接着　接触模拟土壤与立柱的相互作用。在实际的碰撞事故中，由于碰　悬架与护栏下坡面接触，下坡面也对汽车产生提升力，汽车沿坡　撞角通常较小，汽车会出现比较明显的滑动，因此模拟了碰撞角　面向上爬升，减小部分动能，从而减小碰撞剧烈程度。对于柔性　３０。、车速５０　ｋｍ／ｈ时的碰撞过程，考察车辆沿护栏切向滑动的影响。　半刚性护栏则主要依靠立柱、护栏板（缆索）的变形来吸收碰撞能。４　护栏的设置技术　一……一…～……一一一…一…～…………一………】Ｈ……一一…’…】Ｈ…，……　ｏｎ　ｎｅｗ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｕｔｉｌｉｔｙ　ｐｅｒｆ￣Ｉｒｍａｎｃｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｏａｄｂｅｄ　ＦＥＮＧ　Ｇｏｎｇ－ｊｉ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｅｖａｌｕａｔｅｓ　ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｏａｄｂｅｄ　ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｐａｉｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅｏｒｙ，ｈａｓ　ｔｈｅ　ｏｒｄｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｉｎｄｅｘｅｓ，ｃｏｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｅａｓｅｓ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｖａｌｕａ—　ｔｉｏｎ　ｓａｍｐｌｅｓ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｔ　ｐａｉｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅｏｒｙ，ａｎｄ　ｐｏｉｎｔｓ　ｏｕｔ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｃａｎ　ｂｅ　ｏｐｅｒａｔｅｄ　ｂｙ　ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　ｅｘａｍｐｌｅｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｃｅｍｅｎｔ　ｃｏｎｃｒｅｔｅ　ｒｏａｄｂｅｄ，ｕｔｉｌｉｔｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ，ｓｅｔ　ｐａｉｒ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅｏｒｙ，ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　收稿日期：２０１０—０８．０３　作者简介：杜鹏（１９７９一），男，工程师，广州市市政工程维修处，广东广州５１０１８０　・第３６卷第３３期　３０２・　２　０　１　０年１　１月　山　西　建　筑　前主要依据道路条件、标准车型与车辆的质量、交通特性等几点　４．１　目标功能　　安全护栏需要进行正确的设计才可以实现以下功能：１）阻绊　来确定护栏设计条件。车辆，防止车辆越出路外，保护路外建筑物的安全，确保行人不致　４．２设计条件　受到重大伤害，确保与其相交道路、铁路的安全，阻止失控车辆穿　不同国家在选择和决定护栏的设计原则时，都要结合本国的　越中央分隔带闯人对向车道。２）能使车辆回复到正常行驶方向。　道路交通条件，在满足护栏基本功能的前提下，决定设计目标的　使车辆碰撞护栏的运动轨迹圆滑过渡，以较小的驶离角和较小的　侧重点。设置于公路路基上的护栏，按防撞等级划分，路侧护栏　回弹量停留在不影响车辆正常行驶的地方，不致发生二次事故。　有Ａ，Ｓ两级，中央分隔带护栏有Ａｍ，Ｓｍ两级，每一种防撞等级的　３）为保证一旦失控车辆与护栏发生碰撞时，对驾驶员和乘客的损　护栏所适用的公路等级及其设计条件见表１。　伤最小，要求护栏具有良好的吸收碰撞能量的功能。４）能诱导驾　设置于桥梁上的护栏按防撞等级划分为ＰＬ１，ＰＬ２，ＰＬ３三级，　驶员的视线，能清晰看到道路的轮廓及前进方向的线形，增加行　每一防撞等级的护栏应避免在相应设计条件下的失控车辆越出，　车的安全性，使道路更加美观。５）制造、安装、维修的经济性。目　其防撞等级及相应的设计条件见表２。　表１路基护栏设计条件　设计条件　设施地点　防撞等级　适用范围　车辆碰撞速度　车辆的质量　碰撞角度　车辆加速度　最大冲入距离／ｍ　ｋｍ／ｈ　ｔ　（。）　立柱埋于土中　立柱埋于混凝土中　路侧护栏　Ａ　高速公路、～级公路　６０　１Ｏ　ｌ５　＜４ｇ　＜１．２　＜０　３　Ｓ　路侧特别危险需要加强保护的路段　８０　（４ｇ　＜１．２　＜０．３　中央分隔　Ａｍ　高速公路、一级公路　６０　１Ｏ　ｌ５　＜４ｇ　＜１．２　＜Ｏ．３　带护栏　Ｓｍ　中央带内有重要构造物需加强保护的路段　８０　１０　１５　＜４ｇ　＜１．２　＜Ｏ．３　表２桥梁护栏设计条件　带护栏全部采用波形梁钢板护栏，构造上有分设型和组合型两　设计条件　设施　防撞　适用范围　车辆碰撞速　车辆的　碰撞角　碰撞力／ｋＮ　种。分设型护栏适合于中央分隔带相对较宽，中央带内的构造物　地点　等级　度／ｋｍ・ｈ—Ｉ　质量／ｌ　度／（。）　Ｚ＝０　ｍ　Ｚ：０　３　ｍ～０　６ｍ　较多，并在中央分隔带下埋有管线的路段；组合型护栏适用于中　ＰＩ　１　一般公路跨越高速公　８０　２　Ｏ　２０　１加　８５—路侧　路、汽车专用一级公路　５０　１Ｏ．０　ｌ５　７０　央分隔带宽度较窄，中央带内构造物不多或埋设管线较少的路　及中　ＰＩ２　高速公路、汽车专用一　１５　２００　ｌ６０段。一般中央分隔带护栏在土路基段采用普通型，立柱间距为　央分　级公路　７０　ｌ０　Ｏ　—１２５　隔带　４．０　ｍ，在有构造物的路段采用加强型，立柱间距２．０　ｍ。中央分　ＰＩｊ　桥外特别危险，需要重　点保护的特大桥　８０　１４．０　ｌ５　３６０　２８０—２３０　隔带护栏立柱为　１１４×４．５钢管，横梁为３１０　ｍｍ　ｘ８５　ｍｍ×３　ｍｍ　护栏作为公路上的基本安全设施，对公路上的交通安全起着　变截面波形梁，护栏高度一般采用６０　ｃｍ。在中央分隔带开口处　积极的作用，但同时，护栏本身也是一种障碍物，它的设置也是有　设置活动护栏。３）桥梁护栏的设置原则。ａ．高速公路、一级公路　条件的，通常是以设置护栏和不用设置护栏保护的相对危险性比　的特大桥，大桥、中桥均应设置桥梁护栏。ｂ．高速公路、一级公路　较后做出判断的。只有正确的设计，才能实现护栏的功能和目标。　的小桥、通道应设置与路基上相同形式的护栏。Ｃ．一级公路的特　４．３护栏的设置原则　大桥，大桥应设置桥梁护栏。　１）路侧护栏的设置原则。路侧护栏主要分为路堤护栏和障　５结语　碍物护栏两种。路侧护栏的最小设置长度为７０　ｍ，两段护栏之间　护栏对交通安全具有十分重要的意义，随着我国高等级公路　相距小于１００　ｍ时，宜在该两路段之间连续设置。夹在两填方路　不断向山岭重丘区延伸，许多山区公路穿行于陡崖峭壁、深沟大　段之间长度小于１００　ｍ的挖方路段，应和两端填方路段的护栏相　壑之间，设置安全、有效的护栏就成了一个亟待解决的课题，如新　连续。在需要设置路侧护栏的路段，大、中桥侧采用钢筋混凝土　结构、新材料的研发，适应大型重车护栏的开发，桥梁护栏过渡段　组合式护栏，在土路基段及小桥、通道、涵洞上采用波形梁钢板护　形式和结构的研究开发，护栏端头的结构形式，防撞垫的研究开　栏。一般路侧护栏在土路基段采用普通型钢板护栏，立柱问距为　发等。　４．０　ｍ，在小桥、通道及设有挡土墙的路段采用加强型钢板护栏，　参考文献：　立柱间距２．０　ｍ。路侧护栏立柱采用４１４０×４．５钢管，横梁为　［１］　舒翔，张晓晴，黄小清，等．高速公路护栏系统的有限元优　３１０　ｍｍ×８５　ｎｌｍ　ｘ３　ｍｍ变截面波形梁，护栏高度一般采用６０　ｃｍ，当　化分析［Ｊ］．公路交通科技，２００６（５）：８－１１．　护栏立柱位于构造物上时，立柱应采用迫紧器连接。２）中央分隔　［２］　谢玉洪，雷正保，李海侠，等．高速公路防撞护栏的研究现状　带护栏的设置原则。高速公路、汽车专用一级公路均应设置中央　与发展趋势［Ｊ］．工程建设与设计，２００３（１２）：２１－２２．　分隔带护栏，当中央分隔带宽度大于１０　ｍ时，可不设护栏。在路　［３］　中　杰，金先龙，陈建国．汽车碰撞护栏事故再现方法［Ｊ］．　基采用分离式断面时，靠中央分隔带一侧按路侧设置护栏，上、下　振动与冲击。２００７（５）：３４—３７．　行路基高差大于２．０　ｍ时，可只在路基较高一侧设置。中央分隔　［４］ＪＴＧ　Ｄ８１—２００６，公路交通安全设施设计规范［Ｓ］．　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ・ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｗ・ｂｅａｍ　ｇｕａｒｄｒａｉｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ＤＵＰｅｎｇ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ　ｔｈｅ　ｆｏｒｍｓ　ａｎｄ　ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ　ｏｆ　ｓｅｖｅｒａｌ　ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｇｕａｒｄｒａｉｌｓ，ｍａｉｎｌｙ　ｅｘｐｌｏｒｅｓ　ｔｈｅ　ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ｏｆ　Ｗ—　ｂｅａｍ　ｇｕａｒｄｒａｉｌ，ａｎｄ　ｃａｒｒｉｅｓ　ｏｎ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｅａｒｓ　ａｎｄ　ｇｕａｒｄｒａｉｌ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ　ｔｈｅ　ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｕｎｄｅｒ　ｄｉｆｅｒｅｎｔ　ｒｏａｄ　ｃｏｎｄｉ—　ｔｉｏｎｓ，ＳＯ　ａｓ　ｔｏ　ｉｎｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｔｒａｆｆｉｃ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｔｒｆａｆｉｃ　ｓｅｃｕｒｉｔｙ　ｆａｃｉｌｉｔｉｅｓ，ｇｕａｒｄｒａｉｌ，ｓｅｔｔｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ