高性能可移动钢护栏设计及碰撞仿真研究

周磊生 于浩 李月祥 徐俊德 夏永生

摘 要： 依托经实车碰撞试验验证、防护等级满足A级的高性能金属护栏，开发了一种安装拆移简便、具备良好复用性和回收性、可作为永久或临时综合利用的高性能可移动钢护栏。在不改变原有护栏的受力结构基础上，优化护栏的安装、连接细部构造，在护栏的底部设置活动滚轮，便于转运。运用有限元软件对优化后的护栏进行碰撞仿真模拟，验证其防护性能仍满足A级。

关键词： 钢护栏; 可移动; 数值模拟; 防撞性能

中图分类号：       文献标志码：

Study on Design of Movable Steel Guardrail with High Performance and

Collision Simulation

ZHOU Leisheng1， YU Hao1， LI Yuexiang1， XU Junde2， XIA Yongsheng3

（1. Qilu Transportation Development Group， Jinan 250100; 2. Guangdong Communication

Planning & Design Institute Co. Ltd.， Guangzhou 510000; 3. Shanghai Qichan Transportation

Facilities Engineering Co. Ltd.， Shanghai 201499）

Abstract： A movable metal guardrail was developed based on an existed guardrail which has been verified up to standard of Grade A in protection level by real vehicle crash test. The new movable guardrail could be utilized comprehensively as permanent or temporary facilities with many merits including convenience of installation and removal， and good crashworthiness， reusability and recycling. The structure of guardrail connection parts was optimized retaining the original stressed structure. The wheel combination was installed at the bottom of the guardrail， which made the guardrail movable as a temporary facility. A collision simulation experiment of the optimized guardrail was conducted based on finite element model （FEM） to ensure that meet Grade A.

Key words： Steel guardrail; Movability; Numerical simulation; Crashworthiness

0 引言

近年來，我国高速公路建设速度较快，高速公路路网已接近完善，新建道路已渐渐趋向于饱和。但随着经济的发展，交通量的日益增加，高速公路路网出现了局部交通量饱和甚至拥堵，高速公路将迎来较多的改扩建工程[1]。高速公路改扩建工程通常是在不封闭交通的情况下进行的，高速的交通流和复杂的现场作业环境容易诱发交通事故和交通拥堵，因此，施工作业区需设置完善的交通安全保障措施[2]。目前，我国公路作业区隔离设施主要以水马、交通锥、水泥隔离墩为主，只有警示或者硬隔离的作用，基本不具备防撞性能，在发生交通事故时保护不了行驶车辆及施工区内的工作人员，其碰撞解体后的抛洒物更有可能造成较大的二次事故[3]。国外部分在用的公路施工区隔离护栏，虽具备一定的防撞性能，但安装时需对道路路面进行锚固，造成较大路面损毁，难以符合工程的需求。为此开发一种防撞性能好、安装拆移简便、对既有道路损害较少、具备良好复用性和回收性、可作为永（久）临（时）综合利用功能的隔离护栏显得尤为必要。

1 高性能可移动钢护栏设计

本研究依托经实车碰撞试验验证、防护等级满足A级的、已开发成功的高性能金属护栏进行二次开发。已有高性能金属护栏的主要技术原理为：采用以人文宽容性设计为本的技术原理：一警示，二缓冲，三吸能，四拦截。虽然该护栏作为永久设施具备较好性能与适用性，但作为临时护栏存在以下问题：（1）节段间采用强连接，螺栓数量多，拆装较为费时;（2）节段较长，拆卸、运输对机具要求较高;（3）锚栓设置密集，且打入深度较大，会对路面产生一定的破损。基于上述问题，本研究在不改变原有护栏受力结构的基础上，保证其具备A级以上的防护性能，优化其底部构造，设置活动滚轮，使护栏便于拆卸、转运，具有较好的重复利用率，有利于节能环保。

1.1 快速安装拆卸结构研究与开发

本项目护栏拟采用套管拼接方式。拼接套管的尺寸可根据横梁的尺寸确定，但应保证其能够套入横梁内，且与横梁内壁的间隙应控制在2～4 mm范围内。本护栏考虑减少护栏安装过程中横梁拼装工作量、方便施工，拟将拼接螺栓数量设置为6个（每侧各3个），护栏顶部设置了4个短螺栓（每侧各2个）。底座采用连接板连接，每段标准梁设置3根立柱，立柱与横梁和底座采用螺栓连接。在永久使用时，标准梁两端有地脚螺栓可以和地面进行固结;作为临时使用时，在标准梁中间拟设置两个强度高的地面连接锚杆30×160 mm，需要移动护栏时，可将锚杆头切除或拔出。

1.2 快速移动结构研究与开发

在不改变已有护栏结构的基础上，在每节护栏标准段两端距离端部1.5 m处各设置一组滚轮，由两个轮子组成一组，每组都具有转向功能，使得护栏具有可移动性。轮组通过连接板与护栏底座螺栓相连，在护栏镀锌完成后再安装轮组。每组轮子通过旋转丝杠可以上下调节，当护栏需要移动时旋转丝杠，将轮子顶出护栏底座，直接在路面上推走即可。移动到指定位置后，反方向旋转丝杠，将轮子提升，护栏落地，标准段连接即可重新使用。护栏总高900 mm，底座高385 mm，截面呈几字形;横梁为C型，通过400 mm长C型套管进行连接。护栏移动轮升降方式见图1。

1.3 整体结构研究与开发

将移动护栏的底座设计为弧形几字，形成一定的坡度，使两侧具有良好的卸力弧度，并且紧贴地面，在车辆的冲击下，能够有效吸收碰撞能量，校正车轮，护栏标准段长6 000 mm，底座宽600 mm，高900 mm[4]。安装护栏时，在端部采用鲨鱼嘴造型段，配置专用的连接板可与波形梁护栏或者新泽西护栏连接，并且每节标准段都留有孔位，可以安装防渗水铆钉与路面进行固定。每标准段安装了两组轮组，轮组和护栏靠螺栓来连接，可以很方便的拆卸和安装。护栏正常使用时，轮组隐藏在护栏底座内，不与地面接触。

综上所述，护栏增加轮组，结构没有变化，轮组在护栏内，对防撞能力的影响可以忽略，本设计具有如下优点：（1）优越的防撞性能;（2）使用寿命长：产品采用整体加工，整体热浸镀锌或者镀锌喷塑的处理方式，寿命可以达到15年以上。（3）安装养护方便：安装过程简单，无需提前预埋。不破坏桥梁路面。养护便捷，轻微撞损无需更换，严重撞损则更换相应破损节即可。（4）周转利用率高：活动节下面带有隐藏滚轮，通过特殊装置可将滚轮降下，从而可以方便挪动周转。

2 高性能可移动钢护栏碰撞仿真评价

随着计算机技术的快速发展，计算机仿真模拟在研究公路护栏碰撞方面得到广泛应用。通过计算机仿真模拟汽车与护栏实际碰撞过程，可以获取更详细的碰撞数据，为护栏的结构优化提供数据支撑，碰撞仿真具有成本低、重复性好等优点，已经成为实车碰撞前的必经程序[5]。本文基于LS-DYNA及Hypermesh软件进行碰撞仿真及分析。在Hypermesh软件中进行前处理，在LS-DYNA中进行计算以及后处理。通过拆解车辆，建立了符合国家规范的车辆有限元模型，在碰撞试验与仿真模拟对比的基础上，积累了大量的碰撞参数，以此来调整模型，使得计算机碰撞仿真更接近与真实情况，能够有效的指导护栏产品的优化[6]。

2.1 仿真模型

本次模拟仿真的钢结构护栏总长度近72 m，由12节护栏标准段连接组成，每隔18 m即3节护栏标准段，在此标准段中间左右两侧设置两根30×160 mm锚杆，与地面连接，护栏三维模型见图3。有限元模型见图4，护栏主体采用壳单元，螺栓采用梁单元，护栏有限元模型单元数量41万，地锚螺钉的一端全约束，参考我国车辆的特点及标准规定，建立了车辆模型，车辆撞击护栏位置在护栏顺行车方向1/3处[7]。

2.2 参数校核

基于有限元方法的仿真模型只有经过参数校核才能达到科学可靠的效果。通过多次与试验比对校核，不断调整模型的参数，使仿真结果满足精度要求，图5为已开发的高性能金属护栏仿真与试验结果对比图。由图5可以看出碰撞仿真结果与试验结果有很好的吻合，因此，采用该模型的参数能够精确的模拟高性能可移动护栏的碰撞结果[8]。

2.3 碰撞条件及评价标准

根据交通运输部2013.12.01发布实施的《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）进行碰撞仿真的评价，表1为A级护栏碰撞条件。

对护栏的碰撞评价标准主要分为三个方面：阻挡功能、缓冲功能、导向功能。其中导向功能的要求是车辆轮迹符合导向驶出框见图6，即不能超越直线F，参数A和B按照不同的车型选值。

2.4 A级护栏碰撞仿真

本研究分别进行了小型客车、中型客车、中型货车的A级护欄碰撞仿真实验，护栏摆放在硬质地面上，基础每18 m即3个护栏之间，用地锚固定一次。

（1） 小型客车碰撞仿真

小客车重量为1.5 t，碰撞速度100 km/h，小客车碰撞过程的行驶状态见图7，碰撞过程中姿态正常，无绊阻，能够顺利导出。护栏和小客车碰撞后变形见图8，模拟结果可以直观的看出护栏碰撞后较最初位置的变形情况，小客车主要是保险杠和碰撞侧面发生变形。小客车导向驶出框示意图见

图9，由标准中公式可以计算出允许小型客车横向偏移为4.71 m，仿真结果为2.9 m，符合标准要求。仿真数据经处理后，可以得出司乘人员头部碰撞时刻t*=0.134 s，乘员碰撞后加速度x方向为19.3 m/s2，y方向为62.4 m/s2，小于标准规定的最大值200 m/s2，见表2;乘员碰撞速度x方向为4.9 m/s，y方向为6.1 m/s，小于标准规定的最大值12 m/s。小客车撞能够满足规范要求[9]。

（2） 中型客车碰撞仿真

中型客车重量为10 t，碰撞速度为60 km/h，碰撞过程中车辆行驶姿态正常，玻璃破碎，行驶无绊阻，可以顺利导出。护栏和中型客车碰撞后的变形情况见图12，客车导向驶出框示意图见图13，由标准中公式可以计算出允许中型客车横向偏移为7.64 m，仿真结果为4.65 m，符合标准要求。

（3） 中型货车碰撞仿真

中型货车为10吨、2轴整体式货车，碰撞速度为60 km/h，碰撞过程无绊阻，导出顺利。护栏和中型货车碰撞后的变形见图14，车辆尾部处碰撞护栏位移最大;中型货车导向驶出框见图15，由标准中公式可以计算出允许中型货车横向偏移为7.82 m，仿真结果为5.20 m，符合标准要求。

一般护栏的评价除了阻挡、导向、缓冲功能项目以外，还有四项需要记录的护栏及车辆变形的相关指标，这四项纪录指标规范上不作硬性规定，但是在具体项目要求上需要考虑。也就是说护栏的碰撞主要是保护路面上的车辆，对于护栏的损坏、及对护栏背后物体的保护，视项目的具体情况而定，高性能可移动钢护栏仿真结果如表2所示，根据以上对仿真结果的分析评价，本项目护栏作为公路施工隔离的临时护栏，能够满足A级护栏的标准，而且作为高速公路施工区临时护栏使用，护栏最大横向动态位移外延值W仅为1 m左右，能够有效的利用路面施工空间[10]。

3 总结

本研究依托经实车碰撞试验验证、防护等级满足A级的高性能金属护栏进行二次开发，开发出一款防撞性能好、安装拆移简便、对既有道路损害较少、具备良好复用性和回收性的高性能可移动钢护栏，并通过计算机模拟碰撞试验，对新型移动护栏结构设计方案进行验证，保证安全防护性能满足要求，作为临时护栏，可以周转使用，节能环保，降低使用成本;并可作为隔离设施永久利用。该护栏的研发应用，补充和完善了我国高速公路改扩建施工区的防护体系，具有良好的发展前景和广大的经济社会效益。

参考文献

[1] 聂鹏飞，丁亚碧，赵兵，等.高速公路改扩建工程地基拓宽段力学响应分析[J].公路，2019，64（2）：39-44.

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[3] 胡源. 高速公路二次事故成因及其预防对策研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2017.

[4] 陈涛， 吴灵生， 田东翔， 等. 高速公路波形梁护栏安全性评价[J]. 长安大学学报：自然科学版， 2017（6）：92-98.

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[7] 孔文， 张铁柱， 赵红，等. 基于HyperWorks和LS-DYNA的客车碰撞仿真分析[J]. 青岛大学学报（工程技术版）， 2015， 30（4）：101-104.

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[10] 聂贤海， 李雷， 张建华. 基于仿真分析的SB级旋转式护栏与A级波形梁护栏过渡段研究[J]. 公路交通科技（应用技术版）， 2018， 14 （3）：47-50.

（收稿日期： 2019.09.17）

作者简介：周磊生（1984-），男，莱芜人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：从事公路工程项目管理工作。

于浩（1983-），男，聊城人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：交通运输管理。

李月祥（1987-），男，滨州人，中级工程师，研究方向：工程检测及项目管理工作。

徐俊德（1981-），男，广东三水人，工程硕士，路桥高工，研究方向：交通安全设施设计。

夏永生（1985-），男，塘沽人，本科，工程师，研究方向：交通空防技术研究。文章编号：1007-757X（2020）02-0109-05