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護欄結構安全裕度研究

文檔作者：賈寧王成虎李勇文檔來源：交通運輸部公路科學研究院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年06月16日
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第42卷，第5期公路工程V01．42，No．5
2 0 1 7年1 0月Highway Engineering Oct．，2 0 1 7
護欄結構安全裕度研究
賈寧，王成虎，李勇
(交通運輸部公路科學研究院，北京100088)
[摘要】提出護欄安全裕度的概念，將安全裕度概念引入護欄的結構設計和選型中。采用經實車碰撞試驗
校核的有限元仿真模型，通過仿真模擬方法分析A級(160 kJ)三波波形梁護欄和SA級(400 kJ)混凝土護欄
的安全裕度。三波波形梁護欄的極限防護能力為中型客車176 kJ，護欄安全裕度為16 lcJ，混凝土護欄的極限防
護能力為大型貨車440 kJ，護欄安全裕度為40 kJ，SA級混凝土護欄安全裕度略大于A級三波波形梁護欄。安全
裕度較高的護欄更適合應用在車型構成復雜、超載超速可能性大、交通事故率較高的高風險路段。
【關鍵詞】安全裕度；三波波形梁護欄；混凝土護欄；有限元仿真；實車碰撞試驗
【中圖分類號]U 491．5+9 f文獻標識碼】A 【文章編號】1674—0610(2017)05—0006—06
Research on Safety Margin of Barrier Structures
JIA Ning，WANG Chenghu，LI Yong
(Research Institute of Highway Ministry of Transport，Beijing 100088，China)
[Abstract]The concept of barrier safety margin was put forward and introduced into barrier structure
design and type selection．With finite element simulation models verified by full·scale impact test，
safety margin of A-level(160 kJ)thrie-beam barrier and SA-level(400 kJ)concrete barrier was ana—
lyzed through the method of FEA．Critical protection capability of thrie·beam barrier was 176 kJ for mediam
bus and safety margin was 16 kJ．Critical protection capability of concrete barrier was 440 kJ for largescale
truck and safety margin was 40 kJ．Safety margin of concrete barrier was slightly greater than that of
thrie-beam barrier．Barrier with more safety margin was more suitable for the high—risk road section with
complex vehicle constitution，more possibility for overload and overspeed，high traffic accident rate．
[Key words]safety margin；thrie-beam barrier；concrete barrier；FEM；full—scale impact test
0前言
護欄是設置于公路行車道外側或中央分隔帶的
一種帶狀吸能結構，車輛碰撞時通過自體變形或車
輛爬升吸收碰撞能量，對碰撞車輛起到阻擋、緩沖
和導向的作用，從而降低乘員的傷害程度。
護欄結構設計按照既定的防護等級確定結構型
式、尺寸及配筋，并根據(jù)規(guī)范規(guī)定的相應防護等級
的碰撞條件進行實車碰撞試驗驗證?。碰撞條件
包括碰撞車輛的總質量m、碰撞速度t，和碰撞角度
0，各防護等級對應的設計防護能量Ed=1／2 m
(vsin0)2。每一個防護等級的護欄結構能夠安全防
護相應碰撞條件的碰撞車輛，實車碰撞試驗結果滿
足評價標準要求?，但安全余量大小可能不盡相
同。護欄安全裕度定義為護欄相對于設計防護能量
所具有的防護能力余量，有的實車碰撞試驗結果表
明護欄的防護能力已經達到臨界狀態(tài)，即安全裕度
較低(圖1(a))，也有的試驗中護欄碰撞后變形損
壞程度較輕，護欄還可以承受更大的碰撞荷載，即
安全裕度較高(圖1(b))。
在實際的交通環(huán)境條件下，失控車輛不可能完
全按照既定的車輛總質量、碰撞速度和碰撞角度碰
撞護欄，這三個要素值都可能高于試驗值，對于安
全裕度較高的護欄，能夠安全防護的失控車輛范圍
更廣，對應路段的安全保障水平就更高，更適合應
用在車型構成復雜、超載超速可能性大、交通事故
率較高的高風險路段。
本文選取典型的A級三波波形梁護欄和SA級
[收稿日期】2016—04—29
【基金項目】國家科技支撐計劃(2014BAG01801)
【作者簡介】賈寧(1979一)，女，遼寧瓦房店人，博士，高級工程師，主要從事公路安全防護設旌研究與開發(fā)。
萬方數(shù)據(jù)
第5期賈寧，等：護欄結構安全裕度研究7
戳
霹嘲
(a) (b)
圖1護欄安全裕度(a較低b較高)
Figure 1 Barriers with less(a)and more(b)safery margin
混凝土護欄兩種護欄結構，采用經實車碰撞試驗校
核的有限元仿真模型，通過仿真模擬方法分析這兩
種護欄的安全裕度，以指導這兩種護欄結構在具體
路段道路環(huán)境條件下的設計選用，將安全裕度概念
引入護欄的結構設計和選型中。
1 研究思路
1．1 典型護欄結構選取
護欄安全裕度研究選取路基護欄常用的A級
波形梁護欄和橋梁護欄常用的SA級混凝土護欄為
研究對象。文獻[1]規(guī)定的A級護欄和SA級護
欄的設計防護能量分別是160，400 kJ，試驗碰撞
條件如表1所示。
表1 防護等級A級和SA級的試驗碰撞條件
Table l impact test conditions of protection level A and SA
A級三波波形梁護欄如圖2所示，采用3 mm
厚三波板(506×85×3)，間距4 m中140×4．5 mm
立柱，4．5 mm厚防阻塊(196×178×200×4．5)，
三波板中心距地面高度70 cm，該護欄已按照文獻
[1]要求進行防護等級A級(160 kJ)的實車碰
撞試驗驗證，并寫入設計規(guī)范¨‘川修訂稿中，將在
今后的高速公路設計中廣泛應用。護欄安全裕度分
析的SA級混凝土護欄結構來自于設計規(guī)范∽’“，
護欄結構設計如圖3所示。
1．2分析方法
護欄安全裕度研究涉及護欄的防護能力分析及
驗證。護欄防護能力分析及驗證的技術手段包括實
車碰撞試驗和計算機仿真模擬兩種方法。實車碰撞
試驗具有可靠客觀的優(yōu)點，但費用高、周期長，多
}墜—墮+衛(wèi)軸
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路面
可—一
咖140立柱垡
————＼ 寸 蠢一
圖2三波波形梁護欄(單位：ram)
Figure 2 Thrie—beam barrier(unit：mm)
圖3 混凝土護欄(單位：am)
Figure 3 Concrete barrier(unit：am)
用于護欄安全性能的最終驗證。目前國內外護欄研
究人員普遍采用計算機仿真模擬進行護欄結構參數(shù)
優(yōu)化及防護能力分析¨“1，實踐證明，采用經實車
碰撞試驗校核的車輛和護欄仿真模型，對車輛碰撞
護欄過程的求解精度可滿足防護能力分析需要。
由于護欄安全裕度研究中須分析護欄結構參數(shù)
改變及不同碰撞條件的防護能力，工況較多，因此
采用計算機仿真模擬方法進行護欄安全裕度分析。
1．3 分析過程
護欄安全裕度研究的核心是計算護欄的極限防
護能力，即護欄防護能力達到極限狀態(tài)時對應的車
輛碰撞能量。護欄試驗碰撞車型包括小型客車、大
(中)型客車和大(中)型貨車3種碰撞車型。小
型客車主要用于評價護欄緩沖功能，大中型車輛主
要用于評價護欄阻擋功能，各防護等級護欄的設計
防護能量是根據(jù)大中型車輛試驗碰撞條件的計算。
對于高速公路不同防護等級的護欄，小型客車
P∽¨K怪嵯正
萬方數(shù)據(jù)
受公路工程42卷
的試驗碰撞條件均是一致的，防護等級的區(qū)別僅在
于大中型車輛的試驗碰撞條件，因此護欄極限防護
能力計算時不考慮小型客車。
計算護欄的極限防護能力，可以通過提高大
(中)型車輛的車輛總質量、碰撞速度或角度來增
大碰撞能量，由于提高碰撞速度在仿真計算時最方
便實現(xiàn)，為提高計算效率，將碰撞速度以5 km／h
為步長采用二分法逐漸增大，依次進行大中型車輛
碰撞護欄仿真計算，得到護欄防護能力達到極限狀
態(tài)時對應的車輛碰撞能量E，。護欄的安全裕度為：
M。=E。一Ed
式中：M。為護欄安全裕度，kJ；E，為護欄極限防護
能力，kJ；Ed為護欄設計防護能量，kJ。
2仿真模型精度校驗
車輛碰撞護欄過程仿真模擬計算的精度和可靠
性建立在合理的仿真模型及參數(shù)基礎上，因此在護
欄可靠性和安全裕度仿真計算之前，必須根據(jù)實車
碰撞試驗結果進行仿真模型的精度校核。
仿真模擬計算過程中，首先使用Hypermesh前
處理平臺建立護欄一車輛模型，車輛模型的技術參
數(shù)符合文獻[1]相關要求，設置與實車碰撞試驗
相同的碰撞速度和角度，采用LS—DYNA程序進行
計算求解。通過對比仿真模擬計算結果與實車碰撞
試驗結果，檢驗護欄一車輛模型和相關參數(shù)的準確
性，當計算結果存在較大誤差時，對仿真模型和參
數(shù)不斷修正，直至滿足精度要求為止"。1。精度控
制目標為護欄變形損壞和車輛行駛姿態(tài)的仿真與試
驗結果基本一致，定量指標仿真誤差不大于10％。
2．1 波形梁護欄模型
在客車總質量10 t、碰撞速度60 km／h、碰撞
角度20。碰撞A級二波波形梁護欄工況下，實車碰
撞試驗與仿真模擬計算的車輛行駛姿態(tài)對比見圖
4，兩者基本一致；護欄變形損壞情況對比見圖5，
實車碰撞試驗護欄最大橫向動態(tài)變形值為1．05 m，
仿真模擬計算結果為I．106 m，誤差為5．3％，仿
真模型精度滿足要求。
在貨車總質量10 t、碰撞速度60 km／h、碰撞
角度20。碰撞A級二波波形梁護欄工況下，實車碰
撞試驗與仿真模擬計算的車輛行駛姿態(tài)對比見圖
6，兩者基本一致；如圖7所示，護欄最大橫向動
態(tài)變形值試驗結果為1．26 m，仿真結果為1．301
m，誤差為3．3％，仿真模型精度滿足要求。
2．2混凝土護欄模型
黛
_——L簟__主k
圖4客車試驗與仿真的車輛行駛姿態(tài)
Figure
4 Test and simulation results of bus posture
【l，)壩r弗覦㈣I¨L
圖5 客車試驗與仿真的護欄變形
Figure 5 Test and simulation results of barrier displacement afler
bus impact
混凝土采用solid單元模擬，混凝土材料采用
LS—DYNA中專用混凝土材料模型MAT一159(術
MAT—CSCM—CONCRETE)模擬，主要輸入參數(shù)
為混凝土無側限抗壓強度以及骨料直徑等；鋼筋采
用Beam單元，鋼筋材料采用塑性隨動模型MAT一
3(術MAT—PLASTIC—KINEMATIC)模擬；混凝
土和鋼筋的相互作用采用，Ic CONSTRAINED—LA．
一曩_ 苫■■I
豳
薔雌墓必
飄誓
萬方數(shù)據(jù)
第5期賈寧，等：護欄結構安全裕度研究9
’P)1 42、
圖6 貨車試驗與仿真的車輛行駛姿態(tài)
Figure 6 Test and simulation results of truck posture
(a)后方視圖對比
f
)；；-～?． 。．。———t～
㈠一’ 一一一
。：‘‘
h)頂躑稅用‘『【L
圖7貨車試驗與仿真的護欄變形
Figure 7 Test and simulation results of barrier displacement after
truck impact
GRANGE—IN—SOLID耦合模擬!m川。
根據(jù)sB級單坡面混凝土橋梁護欄實車碰撞試
驗結果，校核鋼筋混凝土護欄模型的精度。圖8為
車輛接觸護欄范圍的仿真和試驗結果對比，均為4
m左右；圖9為車輛運行姿態(tài)的仿真和試驗結果對
比，兩者基本一致。仿真模型精度滿足要求。
圖8客車試驗與仿真的車輛接觸護欄范圍
Figure
8 Test and simulation results of bus contact barrier
range
鬟‘翼一鹺
￡曩爨圍
【cj 0 9 5
圖9 客車試驗與仿真的車輛行駛姿態(tài)
Figure 9 Test and simulation results of bus posture
3 護欄安全裕度仿真分析
3．1 A級波形梁護欄
根據(jù)表2匯總的A級波形梁護欄安全裕度仿
真(碰撞過程見圖10～圖14)分析結果，可知該
表2 A級波形梁護欄極限防護能力仿真分析結果
Table 2 Safety margin simulation results of A-level thrie‘
beam barrier
萬方數(shù)據(jù)
10 公路工程42卷
續(xù)表2
碰撞能量／kJ 仿真結果
176
190
190
205
22l
護欄有效阻擋車輛，車輛順利導出(圖10)
車輛騎跨護欄，不滿足防護要求(圖1I)
護欄有效阻擋車輛，車輛順利導出(圖12)
車輛騎跨護欄，不滿足防護要求(圖13)
車輛騎跨護欄．不滿足防護要求(圖14)
(b)0．90 s
．。一翻曼
(r1 45 s
圖lO 10 t、62．5 km／h、20
Figure．1 0 Impact process of 1 0t、
(b)0 90 S ／(()1 45-
圖11 10 t、65 km／h、200
Figure 1 1 Impact process of 10 t、
一●
t)1 H3 h
圖12 10 t、65 km／h、20。貨車碰撞過程
Figure 12 Impact process of 10 t、65 km／h、200truck
誼一
((J 64 s
圖13 10 t、67．5 km／h、20。貨車碰撞過程
Figure 13 Impact process of 10 t、67．5 kmh、20。truck
圖14 10 t、70 km／h、20。貨車碰攫過程
Figure 14 Impact process of 10 t、70 km／h、20。truck
護欄的極限防護能力為中型客車176 kJ，中型貨車
190 kJ，護欄安全裕度為M。=E。一Ed=176 kJ一
160 kJ=16 kJ。
3．2 SA級混凝土護欄
根據(jù)表3匯總的SA級混凝土護欄安全裕度仿
真(碰撞過程見圖15～圖19)分析結果，可知該
護欄的極限防護能力可達到大型客車570 kJ，大型
貨車440 kJ，護欄安全裕度為M。=E。一Ed=440 kJ
一400 kJ=40 kJ。
表3 SA級混凝土護欄極限防護能力仿真分析結果
Table 3 Safety margin simulation results of SA．．1evel COD．．
crete barrier
_暈
【盈 ，舛，沁
一
}p
p一礙玨國一締舉再
◆
▲
萬方數(shù)據(jù)
第5期賈寧，等：護欄結構安全裕度研究
續(xù)表3
仿真結果
護欄有效阻擋車輛，車輛順利導出(見圖15)
護欄有效阻擋車輛，車輛有側翻趨勢，最終順利導出(見圖16)
護欄有效阻擋車輛，車輛側傾達到II缶界狀態(tài)，沒有側翻，最終順利
導出(見圖17)
護欄有效阻擋車輛，車輛側傾達到臨界狀態(tài)，沒有側翻，最終順利
導出(見圖18)
翻車，不滿足防護要求(見圖19)一瓣 ---—---·--------——-．——--．．．．．—--．．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-_I-【．-_-．一
???～盈
(‘)1 2，
圖15 14 t、85 km／h、20?？蛙嚺鲎策^程
Figure 15 Impact process of 14 t、85 km／h、20。bus
【cj 1 2 s
圖16 14 t、90 km／h、200客車碰撞過程
Figure 16 Impact process of 14 t、90 km／h、20。bus
(a)0．4 s
f)l 2、
圖17 14 t、95 km／h、20?？蛙嚺鲎策^程
Figure 17 Impact process of 14 t、95 km／h、20。bus
嘹?
(b)
芻I—一
l dj 2 0 s
圖18 25 t、62．5 km／h、20。貨車碰撞過程
Figure 18 Impact process of 25 t、62．5 km／h、20。truck
{??～囊
??贏懂堡，●●◆ k (d)】6 S
圖19 25 t、65 km／h、20。貨車碰撞過程
Figure 19 Impact process of 25 t、65 km／h、20。truck
4 總結
①提出護欄安全裕度的概念，護欄安全裕度
是指護欄相對于設計防護能量所具有的防護能力余
量。將安全裕度概念引入護欄的結構設計和選型
中，安全裕度較高的護欄更適合應用在車型構成復
雜、超載超速可能性大、交通事故率較高的高風險
路段。
②根據(jù)實車碰撞試驗結果校核車輛碰撞三波
波形梁護欄和混凝土護欄仿真模型的精度和可靠
性，護欄變形損壞和車輛行駛姿態(tài)的仿真與試驗結
果基本一致，定量指標仿真誤差不大于10％，表
明車輛和護欄仿真模型可用于護欄防護能力分析與
(下轉第37頁)
參諺曼_
簧鼢鲺
皤盈
萬方數(shù)據(jù)
第5期陳羽，等：惠羅高速風化炭質泥巖作路基填料的試驗研究37
2．3 E，d與眉撕相關關系
試驗結果表明(見圖11)，地基系數(shù)K加與動
態(tài)模量E。d之間有著良好的線性相關性，相關關系
式可以表達為Y=口·茗+6，式中，Y為氐值，省
為E甜值，口、6為試驗待定系數(shù)。同樣由于炭質泥
巖填料中塊石對K加測試結果影響較大，該指標不
能作為控制指標，但和E以一樣可作為輔助指標。
：
E
●
芒
譬
：
迂
③碾壓試驗表明，松鋪厚度越大，碾壓后得
到的壓實度越小，沉降差(量)越大，如、E。d越
小。沉降差、墨”Et，d與碾壓遍數(shù)之間呈冪函數(shù)相
關，地基系數(shù)K，。與動態(tài)模量E甜之間有著良好的
線性相關性。
④炭質泥巖路堤壓實質量檢測可以采用沉降
差和施工工藝參數(shù)綜合控制，壓實度、E以和K，。由
于受填料粒徑影響較大，可作為輔助指標加以利
用。惠羅高速松鋪厚度可取30—40 cm，靜壓1遍
+振動碾壓遍數(shù)為4—5遍，而沉降差控制標準取
為3—5 mmo
[參考文獻]
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扒至是備堡罌薹警勉??? "1裂亍量蘭簍：篙奢麓，工程特性堿
②針對炭質灰?guī)r填料的特殊性能，只限于93 [8]曾L,。鈴J-，：；f『；淵：妄磊，；．三軸‘c：條件下預崩解炭質泥巖路堤
區(qū)及以下范圍內填筑，93區(qū)以上填料應換填適用填料的細觀試驗[J]．中南大學學報：自然科學版，2014，45
性填料。(3)：925—931．
(上接第1 1頁) [5】Road restraint systems—Part 2：Performance classes，impact test
評價。
∽cep帆ec一‘eda An4‘e8’me山ods fo。safe‘y“8rri?！皠h“diIlg
③采用經實車碰撞試驗校核的有限元仿真模[6]：：：：=：：苫三簍．D．E。kandari。。A．．safe。y P。rfo。。。。E．
型，通過仿真模擬方法分析A級三波波形梁護欄，丑l。。ti。?！癛。。d。id。H。rd。。Usi。g Fi。it。Ele。。。t。Simul。ti。。
和SA級混凝土護欄的安全裕度。三波波形梁護欄[C]．The 14th En#neering Mechanic。Conference．Austin：
的極限防護能力為中型客車176 kJ，護欄安全裕度ASCE·2000：1—15·
為16 kJ，混凝土護欄的極限防護能力為大型貨車[7]張鵬·周德源·基于ANSYS／Ls—DYN^的護欄沖擊模擬分析
440 kJ，護欄安全裕度為40 id，sA級混凝土護欄?喜萎誓翟2?；展P囂囂篙2囂囂數(shù)值仿真
安全裕度略大于A級三波波形梁護欄?！綣】．交通運輸工程學報，2008，8(3)：1—5．
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