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护栏结构安全裕度研究

文档作者：贾宁王成虎李勇文档来源：交通运输部公路科学研究院		点击数：	更新时间： 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
护栏结构安全裕度研究
贾宁，王成虎，李勇
(交通运输部公路科学研究院，北京100088)
[摘要】提出护栏安全裕度的概念，将安全裕度概念引入护栏的结构设计和选型中。采用经实车碰撞试验
校核的有限元仿真模型，通过仿真模拟方法分析A级(160 kJ)三波波形梁护栏和SA级(400 kJ)混凝土护栏
的安全裕度。三波波形梁护栏的极限防护能力为中型客车176 kJ，护栏安全裕度为16 lcJ，混凝土护栏的极限防
护能力为大型货车440 kJ，护栏安全裕度为40 kJ，SA级混凝土护栏安全裕度略大于A级三波波形梁护栏。安全
裕度较高的护栏更适合应用在车型构成复杂、超载超速可能性大、交通事故率较高的高风险路段。
【关键词】安全裕度；三波波形梁护栏；混凝土护栏；有限元仿真；实车碰撞试验
【中图分类号]U 491．5+9 f文献标识码】A 【文章编号】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
护栏是设置于公路行车道外侧或中央分隔带的
一种带状吸能结构，车辆碰撞时通过自体变形或车
辆爬升吸收碰撞能量，对碰撞车辆起到阻挡、缓冲
和导向的作用，从而降低乘员的伤害程度。
护栏结构设计按照既定的防护等级确定结构型
式、尺寸及配筋，并根据规范规定的相应防护等级
的碰撞条件进行实车碰撞试验验证⋯。碰撞条件
包括碰撞车辆的总质量m、碰撞速度t，和碰撞角度
0，各防护等级对应的设计防护能量Ed=1／2 m
(vsin0)2。每一个防护等级的护栏结构能够安全防
护相应碰撞条件的碰撞车辆，实车碰撞试验结果满
足评价标准要求⋯，但安全余量大小可能不尽相
同。护栏安全裕度定义为护栏相对于设计防护能量
所具有的防护能力余量，有的实车碰撞试验结果表
明护栏的防护能力已经达到临界状态，即安全裕度
较低(图1(a))，也有的试验中护栏碰撞后变形损
坏程度较轻，护栏还可以承受更大的碰撞荷载，即
安全裕度较高(图1(b))。
在实际的交通环境条件下，失控车辆不可能完
全按照既定的车辆总质量、碰撞速度和碰撞角度碰
撞护栏，这三个要素值都可能高于试验值，对于安
全裕度较高的护栏，能够安全防护的失控车辆范围
更广，对应路段的安全保障水平就更高，更适合应
用在车型构成复杂、超载超速可能性大、交通事故
率较高的高风险路段。
本文选取典型的A级三波波形梁护栏和SA级
[收稿日期】2016—04—29
【基金项目】国家科技支撑计划(2014BAG01801)
【作者简介】贾宁(1979一)，女，辽宁瓦房店人，博士，高级工程师，主要从事公路安全防护设旌研究与开发。
万方数据
第5期贾宁，等：护栏结构安全裕度研究7
戳
霹嘲
(a) (b)
图1护栏安全裕度(a较低b较高)
Figure 1 Barriers with less(a)and more(b)safery margin
混凝土护栏两种护栏结构，采用经实车碰撞试验校
核的有限元仿真模型，通过仿真模拟方法分析这两
种护栏的安全裕度，以指导这两种护栏结构在具体
路段道路环境条件下的设计选用，将安全裕度概念
引入护栏的结构设计和选型中。
1 研究思路
1．1 典型护栏结构选取
护栏安全裕度研究选取路基护栏常用的A级
波形梁护栏和桥梁护栏常用的SA级混凝土护栏为
研究对象。文献[1]规定的A级护栏和SA级护
栏的设计防护能量分别是160，400 kJ，试验碰撞
条件如表1所示。
表1 防护等级A级和SA级的试验碰撞条件
Table l impact test conditions of protection level A and SA
A级三波波形梁护栏如图2所示，采用3 mm
厚三波板(506×85×3)，间距4 m中140×4．5 mm
立柱，4．5 mm厚防阻块(196×178×200×4．5)，
三波板中心距地面高度70 cm，该护栏已按照文献
[1]要求进行防护等级A级(160 kJ)的实车碰
撞试验验证，并写入设计规范¨‘川修订稿中，将在
今后的高速公路设计中广泛应用。护栏安全裕度分
析的SA级混凝土护栏结构来自于设计规范∽’“，
护栏结构设计如图3所示。
1．2分析方法
护栏安全裕度研究涉及护栏的防护能力分析及
验证。护栏防护能力分析及验证的技术手段包括实
车碰撞试验和计算机仿真模拟两种方法。实车碰撞
试验具有可靠客观的优点，但费用高、周期长，多
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图2三波波形梁护栏(单位：ram)
Figure 2 Thrie—beam barrier(unit：mm)
图3 混凝土护栏(单位：am)
Figure 3 Concrete barrier(unit：am)
用于护栏安全性能的最终验证。目前国内外护栏研
究人员普遍采用计算机仿真模拟进行护栏结构参数
优化及防护能力分析¨“1，实践证明，采用经实车
碰撞试验校核的车辆和护栏仿真模型，对车辆碰撞
护栏过程的求解精度可满足防护能力分析需要。
由于护栏安全裕度研究中须分析护栏结构参数
改变及不同碰撞条件的防护能力，工况较多，因此
采用计算机仿真模拟方法进行护栏安全裕度分析。
1．3 分析过程
护栏安全裕度研究的核心是计算护栏的极限防
护能力，即护栏防护能力达到极限状态时对应的车
辆碰撞能量。护栏试验碰撞车型包括小型客车、大
(中)型客车和大(中)型货车3种碰撞车型。小
型客车主要用于评价护栏缓冲功能，大中型车辆主
要用于评价护栏阻挡功能，各防护等级护栏的设计
防护能量是根据大中型车辆试验碰撞条件的计算。
对于高速公路不同防护等级的护栏，小型客车
P∽¨K怪嵯正
万方数据
受公路工程42卷
的试验碰撞条件均是一致的，防护等级的区别仅在
于大中型车辆的试验碰撞条件，因此护栏极限防护
能力计算时不考虑小型客车。
计算护栏的极限防护能力，可以通过提高大
(中)型车辆的车辆总质量、碰撞速度或角度来增
大碰撞能量，由于提高碰撞速度在仿真计算时最方
便实现，为提高计算效率，将碰撞速度以5 km／h
为步长采用二分法逐渐增大，依次进行大中型车辆
碰撞护栏仿真计算，得到护栏防护能力达到极限状
态时对应的车辆碰撞能量E，。护栏的安全裕度为：
M。=E。一Ed
式中：M。为护栏安全裕度，kJ；E，为护栏极限防护
能力，kJ；Ed为护栏设计防护能量，kJ。
2仿真模型精度校验
车辆碰撞护栏过程仿真模拟计算的精度和可靠
性建立在合理的仿真模型及参数基础上，因此在护
栏可靠性和安全裕度仿真计算之前，必须根据实车
碰撞试验结果进行仿真模型的精度校核。
仿真模拟计算过程中，首先使用Hypermesh前
处理平台建立护栏一车辆模型，车辆模型的技术参
数符合文献[1]相关要求，设置与实车碰撞试验
相同的碰撞速度和角度，采用LS—DYNA程序进行
计算求解。通过对比仿真模拟计算结果与实车碰撞
试验结果，检验护栏一车辆模型和相关参数的准确
性，当计算结果存在较大误差时，对仿真模型和参
数不断修正，直至满足精度要求为止"。1。精度控
制目标为护栏变形损坏和车辆行驶姿态的仿真与试
验结果基本一致，定量指标仿真误差不大于10％。
2．1 波形梁护栏模型
在客车总质量10 t、碰撞速度60 km／h、碰撞
角度20。碰撞A级二波波形梁护栏工况下，实车碰
撞试验与仿真模拟计算的车辆行驶姿态对比见图
4，两者基本一致；护栏变形损坏情况对比见图5，
实车碰撞试验护栏最大横向动态变形值为1．05 m，
仿真模拟计算结果为I．106 m，误差为5．3％，仿
真模型精度满足要求。
在货车总质量10 t、碰撞速度60 km／h、碰撞
角度20。碰撞A级二波波形梁护栏工况下，实车碰
撞试验与仿真模拟计算的车辆行驶姿态对比见图
6，两者基本一致；如图7所示，护栏最大横向动
态变形值试验结果为1．26 m，仿真结果为1．301
m，误差为3．3％，仿真模型精度满足要求。
2．2混凝土护栏模型
黛
_——L簟__主k
图4客车试验与仿真的车辆行驶姿态
Figure
4 Test and simulation results of bus posture
【l，)坝r弗觎㈣I¨L
图5 客车试验与仿真的护栏变形
Figure 5 Test and simulation results of barrier displacement afler
bus impact
混凝土采用solid单元模拟，混凝土材料采用
LS—DYNA中专用混凝土材料模型MAT一159(术
MAT—CSCM—CONCRETE)模拟，主要输入参数
为混凝土无侧限抗压强度以及骨料直径等；钢筋采
用Beam单元，钢筋材料采用塑性随动模型MAT一
3(术MAT—PLASTIC—KINEMATIC)模拟；混凝
土和钢筋的相互作用采用，Ic CONSTRAINED—LA．
一曩_ 苫■■I
豳
蔷雌墓必
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万方数据
第5期贾宁，等：护栏结构安全裕度研究9
’P)1 42、
图6 货车试验与仿真的车辆行驶姿态
Figure 6 Test and simulation results of truck posture
(a)后方视图对比
f
)；；-～⋯． 。．。———t～
㈠一’ 一一一
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h)顶踯税用‘『【L
图7货车试验与仿真的护栏变形
Figure 7 Test and simulation results of barrier displacement after
truck impact
GRANGE—IN—SOLID耦合模拟!m川。
根据sB级单坡面混凝土桥梁护栏实车碰撞试
验结果，校核钢筋混凝土护栏模型的精度。图8为
车辆接触护栏范围的仿真和试验结果对比，均为4
m左右；图9为车辆运行姿态的仿真和试验结果对
比，两者基本一致。仿真模型精度满足要求。
图8客车试验与仿真的车辆接触护栏范围
Figure
8 Test and simulation results of bus contact barrier
range
鬟‘翼一鹾
￡曩爨围
【cj 0 9 5
图9 客车试验与仿真的车辆行驶姿态
Figure 9 Test and simulation results of bus posture
3 护栏安全裕度仿真分析
3．1 A级波形梁护栏
根据表2汇总的A级波形梁护栏安全裕度仿
真(碰撞过程见图10～图14)分析结果，可知该
表2 A级波形梁护栏极限防护能力仿真分析结果
Table 2 Safety margin simulation results of A-level thrie‘
beam barrier
万方数据
10 公路工程42卷
续表2
碰撞能量／kJ 仿真结果
176
190
190
205
22l
护栏有效阻挡车辆，车辆顺利导出(图10)
车辆骑跨护栏，不满足防护要求(图1I)
护栏有效阻挡车辆，车辆顺利导出(图12)
车辆骑跨护栏，不满足防护要求(图13)
车辆骑跨护栏．不满足防护要求(图14)
(b)0．90 s
．。一翻曼
(r1 45 s
图lO 10 t、62．5 km／h、20
Figure．1 0 Impact process of 1 0t、
(b)0 90 S ／(()1 45-
图11 10 t、65 km／h、200
Figure 1 1 Impact process of 10 t、
一●
t)1 H3 h
图12 10 t、65 km／h、20。货车碰撞过程
Figure 12 Impact process of 10 t、65 km／h、200truck
谊一
((J 64 s
图13 10 t、67．5 km／h、20。货车碰撞过程
Figure 13 Impact process of 10 t、67．5 kmh、20。truck
图14 10 t、70 km／h、20。货车碰攫过程
Figure 14 Impact process of 10 t、70 km／h、20。truck
护栏的极限防护能力为中型客车176 kJ，中型货车
190 kJ，护栏安全裕度为M。=E。一Ed=176 kJ一
160 kJ=16 kJ。
3．2 SA级混凝土护栏
根据表3汇总的SA级混凝土护栏安全裕度仿
真(碰撞过程见图15～图19)分析结果，可知该
护栏的极限防护能力可达到大型客车570 kJ，大型
货车440 kJ，护栏安全裕度为M。=E。一Ed=440 kJ
一400 kJ=40 kJ。
表3 SA级混凝土护栏极限防护能力仿真分析结果
Table 3 Safety margin simulation results of SA．．1evel COD．．
crete barrier
_晕
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一
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p一碍珏国一缔举再
◆
▲
万方数据
第5期贾宁，等：护栏结构安全裕度研究
续表3
仿真结果
护栏有效阻挡车辆，车辆顺利导出(见图15)
护栏有效阻挡车辆，车辆有侧翻趋势，最终顺利导出(见图16)
护栏有效阻挡车辆，车辆侧倾达到II缶界状态，没有侧翻，最终顺利
导出(见图17)
护栏有效阻挡车辆，车辆侧倾达到临界状态，没有侧翻，最终顺利
导出(见图18)
翻车，不满足防护要求(见图19)一瓣 ---—---·--------——-．——--．．．．．—--．．-．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．-_I-【．-_-．一
⋯⋯⋯～盈
(‘)1 2，
图15 14 t、85 km／h、20。客车碰撞过程
Figure 15 Impact process of 14 t、85 km／h、20。bus
【cj 1 2 s
图16 14 t、90 km／h、200客车碰撞过程
Figure 16 Impact process of 14 t、90 km／h、20。bus
(a)0．4 s
f)l 2、
图17 14 t、95 km／h、20。客车碰撞过程
Figure 17 Impact process of 14 t、95 km／h、20。bus
嘹⋯
(b)
刍I—一
l dj 2 0 s
图18 25 t、62．5 km／h、20。货车碰撞过程
Figure 18 Impact process of 25 t、62．5 km／h、20。truck
{⋯⋯～囊
⋯⋯赢懂堡，●●◆ k (d)】6 S
图19 25 t、65 km／h、20。货车碰撞过程
Figure 19 Impact process of 25 t、65 km／h、20。truck
4 总结
①提出护栏安全裕度的概念，护栏安全裕度
是指护栏相对于设计防护能量所具有的防护能力余
量。将安全裕度概念引入护栏的结构设计和选型
中，安全裕度较高的护栏更适合应用在车型构成复
杂、超载超速可能性大、交通事故率较高的高风险
路段。
②根据实车碰撞试验结果校核车辆碰撞三波
波形梁护栏和混凝土护栏仿真模型的精度和可靠
性，护栏变形损坏和车辆行驶姿态的仿真与试验结
果基本一致，定量指标仿真误差不大于10％，表
明车辆和护栏仿真模型可用于护栏防护能力分析与
(下转第37页)
参谚曼_
簧鼢鲺
皤盈
万方数据
第5期陈羽，等：惠罗高速风化炭质泥岩作路基填料的试验研究37
2．3 E，d与眉撕相关关系
试验结果表明(见图11)，地基系数K加与动
态模量E。d之间有着良好的线性相关性，相关关系
式可以表达为Y=口·茗+6，式中，Y为氐值，省
为E甜值，口、6为试验待定系数。同样由于炭质泥
岩填料中块石对K加测试结果影响较大，该指标不
能作为控制指标，但和E以一样可作为辅助指标。
：
E
●
芒
譬
：
迂
③碾压试验表明，松铺厚度越大，碾压后得
到的压实度越小，沉降差(量)越大，如、E。d越
小。沉降差、墨”Et，d与碾压遍数之间呈幂函数相
关，地基系数K，。与动态模量E甜之间有着良好的
线性相关性。
④炭质泥岩路堤压实质量检测可以采用沉降
差和施工工艺参数综合控制，压实度、E以和K，。由
于受填料粒径影响较大，可作为辅助指标加以利
用。惠罗高速松铺厚度可取30—40 cm，静压1遍
+振动碾压遍数为4—5遍，而沉降差控制标准取
为3—5 mmo
[参考文献]
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差，CBR值随浸水时间及干湿循环次数增大而减[D]·长沙：长沙理工大学，2013·
扒至是备堡罂薹警勉⋯⋯⋯ "1裂亍量兰篓：篙奢麓，工程特性碱
②针对炭质灰岩填料的特殊性能，只限于93 [8]曾L,。铃J-，：；f『；渊：妄磊，；．三轴‘c：条件下预崩解炭质泥岩路堤
区及以下范围内填筑，93区以上填料应换填适用填料的细观试验[J]．中南大学学报：自然科学版，2014，45
性填料。(3)：925—931．
(上接第1 1页) [5】Road restraint systems—Part 2：Performance classes，impact test
评价。
∽cep帆ec一‘eda An4‘e8’me山ods fo。safe‘y“8rri。“删“diIlg
③采用经实车碰撞试验校核的有限元仿真模[6]：：：：=：：苫三篓．D．E。kandari。。A．．safe。y P。rfo。。。。E．
型，通过仿真模拟方法分析A级三波波形梁护栏，丑l。。ti。。“R。。d。id。H。rd。。Usi。g Fi。it。Ele。。。t。Simul。ti。。
和SA级混凝土护栏的安全裕度。三波波形梁护栏[C]．The 14th En#neering Mechanic。Conference．Austin：
的极限防护能力为中型客车176 kJ，护栏安全裕度ASCE·2000：1—15·
为16 kJ，混凝土护栏的极限防护能力为大型货车[7]张鹏·周德源·基于ANSYS／Ls—DYN^的护栏冲击模拟分析
440 kJ，护栏安全裕度为40 id，sA级混凝土护栏⋯喜萎誓翟2矗徽笔嚣嚣篙2嚣嚣数值仿真
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