具有快速开启功能的新型防撞活动护栏开发

栗学铭， 高建雨， 仝瑞金， 龚 帅， 邓 宝， 亢寒晶， 闫书明

(1.广东省南粤交通怀阳高速公路管理中心， 广东 广州 510100; 2.北京华路安交通科技有限公司， 北京 100070)

0 引言

活动护栏是应用于中央分隔带开口位置的应兼具安全防护功能和便于开启功能的交通安全设施。目前公路上广泛应用的中分带开口护栏形式主要为插拔式和伸缩式结构，这两种护栏具有拆装方便的特点，但均不具备防撞能力，导致公路中央分隔带位置的安全防护不连续，存在隐患[1-2]。国内科研人员为提升活动护栏的防护能力开展了许多研究工作，提出了一些活动护栏结构，如框架式无预应力中分带活动护栏等[3]，虽然这些中分带活动护栏结构的安全防护能力得以提升，但是在开启移动方便性方面还有待进一步完善。

为更好地解决目前中分带活动护栏使用过程中存在的安全防护性不足和不便开启的问题，本文研究提出活动护栏由快速开启段和可开启段组成的设计新理念，依据新理念设计出兼具快速开启和安全防护功能的新型防撞活动护栏结构方案，并利用计算机仿真技术对新型防撞活动护栏结构方案的安全性能进行评估[4]，研究成果将对我国公路活动护栏设计和中央分隔带开口处安全与运营管理水平具有较大的促进和提升作用。

1 活动护栏研究现状

活动护栏是设置在中分带开口处可在紧急情况下(如交通事故)临时开启的活动设施[5]。2017年颁布实施的《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)对中分带开口活动护栏进行相关规定，要求活动护栏要具有防护车辆的安全防撞能力和便于拆装移动的灵活性。

目前公路上广泛应用的活动护栏形式主要为便于拆装移动的插拔式与伸缩式，仅具有警示和视线诱导作用，不具有对车辆的安全防护性能(见图1)，使得公路中分带位置的安全防护不连续[1]，存在一定隐患。

图1 插拔式与伸缩式活动护栏不具备安全防护能力

针对目前中分带活动护栏安全性不足的现状，国内相关研究人员为全面提高活动护栏的安全防护性能研发出了多种形式的活动护栏结构，如图2所示的钢管预应力索活动护栏和框架式无预应力活动护栏等[3](见图2)，上述活动护栏结构的安全性能得到很大提升[6-8]，但在开启移动方便性上还有待进一步优化。

(a)钢管预应力索活动护栏

2 活动护栏设计新理念

通常活动护栏主要在两种情况下需要开启：

a.非紧急开启，大多是满足交通组织需要(如路面大修时)，在此情况下，活动护栏满足开启功能即可，对于开启所需时间无严格要求，但是该情况一般需要活动护栏全部或大部分开启以满足需要。

b.紧急开启，主要为方便紧急救援车辆、交通安全事故处理车辆等特殊车辆在紧急情况下能够顺利通行[5]，要求活动护栏应能快速开启，但是对于开启长度没有特殊要求，只要满足特种车辆通过即可。

针对中分带开口活动护栏的开启与关闭方便性能及可移动的灵活性，相关规范规定在两人操作的情况下，应保证活动护栏在10min内开启至少10m的长度[5]。目前我国具有防撞能力的活动护栏(见图2)基本不具备紧急开启功能，只可满足非紧急情况下的开启需求，存在不足。基于此结合活动护栏研发经验和相关规范要求，提出活动护栏设计新理念，即在护栏中间段设置快速开启结构，达到护栏闭合时具有可靠的安全防护性能、护栏开启时可满足全部开启(见图3路面大修和养护时)和局部快速开启(见图4特种车辆通行时)的综合功能，如图5所示为快速开启功能示意图。

图3 路面大修

图4 车辆紧急通行

图5 新理念活动护栏快速开启功能示意图

3 新型防撞活动护栏设计

依据活动护栏新理念设计出的新型活动护栏结构方案具有快速开启和安全防护功能。如图6所示，活动护栏由快速开启段、可开启段和端部过渡段3部分组成，总长度约45 m。

图6 新型防撞活动护栏设计方案

3.1 快速开启段结构

如图7所示为快速开启段结构，设计长度10m(经试验检验开启宽度6 m时，即可满足55 t的六轴鞍式货车顺利通过，见图8)，波形板采用中心距地面高度为700mm的3mm厚三波梁板；快速开启段两端各采用两根连接销与可开启段结构进行连接，同时为增加护栏稳定性，减小护栏横向变形，在快速开启段中间设置一根插拔式立柱(φ140mm×4.5mm型号)；为方便活动护栏的移动，安装了带有万向轮的支撑结构。当活动护栏需要紧急开启时，只需拔出两端连接销和中间立柱，通过万向轮推走中间部分，即可实现快速开启。

图7 快速开启段结构

图8 开启试验

3.2 可开启段结构

可开启段结构采用一柱双板结构型式(见图9)，由4m一节的结构单元组成；波形板为中心距地面高度700mm的3mm厚三波梁板；立柱采用直径140mm厚度4.5mm的钢管，插拔式设计，方便开启和移动；波形梁板通过螺栓和方便连接的六角形防阻块固定于立柱上。

图9 可开启段单元节

3.3 端部过渡段结构

活动护栏端部应与中央分隔带护栏进行合理的过渡设计才能对失控车辆形成连续有效的防护[9-10]，对于中分带护栏设置为波形梁结构的路段，新型活动护栏结构端部与波形梁护栏结构相似可进行连接，达到结构平顺和刚度过渡的效果；但对于中分带护栏设置为混凝土结构的路段，新型活动护栏端部结构与混凝土结构存在较大差别，过渡设计需通过研究确定。如图10所示为活动护栏端部过渡设计方案，过渡段长度为5 m，波形板采用厚度4mm，中心距地面高度700mm 的三波形板；立柱采用130mm×130mm×厚6mm的方形管，立柱间距1m设置(图10中过渡段结构最右侧方立柱与可开启段圆形立柱间距2m)；方形立柱和三波梁板之间设置方便连接的矩形防阻块并利用螺栓固定。

图10 端部过渡段结构

4 新型防撞活动护栏安全性能评估

4.1 仿真模型可靠性验证

为保障计算机仿真评估数据的准确性，在对新型防撞活动护栏安全性能进行评估前需对模型的准确性和可靠性进行验证[11-12]。图11为小客车、大客车和大货车分别碰撞波形护栏结构的仿真与试验结果对比，可见仿真分析中3种车型碰撞护栏后的行驶轨迹及变形趋势与试验结果相符，从车辆行驶轨迹和变形趋势的角度验证了仿真分析中所用模型具有较高的精度和可靠性[11]。

(a)小客车碰撞

表1为波形护栏缓冲功能技术指标的仿真与试验结果对比，可以看出护栏缓冲性能指标的仿真值

表1 缓冲性能指标的仿真与试验结果对比表Table 1 Simulation and test results of buffering indicators结果对比乘员碰撞速度(OIV)/(m·s-1)乘员碰撞后加速度(ORA)/(m·s-2)纵向横向纵向横向仿真结果3.45.0128135试验结果3.84.3112155

与试验值基本一致，通过仿真和试验中护栏的缓冲指标的比较验证了仿真中所用模型具有较高的精确度和可靠性。

图12为小客车、大客车和大货车碰撞后波形护栏变形的仿真与试验结果对比，可以看出波形护栏整体变形趋势及变形范围基本吻合，从护栏变形角度进一步校核了仿真分析中所用模型具有较高的精度和可靠性[11]。

(a)小客车碰撞后

根据大量波形护栏碰撞试验与仿真计算的数据对比，可知车辆碰撞护栏的仿真分析模型的准确性和可靠性较高[12]，可用于护栏安全性能评估。

4.2 活动护栏安全性能评估

根据文献[13]对Am级护栏碰撞条件的规定，如表2所示，新型防撞活动护栏方案需满足表2所示的碰撞条件，碰撞点应包括活动护栏中点和沿行车方向距离活动护栏终点2 m的位置，如图13所示。

表2 碰撞条件Table 2 Impact test conditions试验车型车辆质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ小型客车1.510020—中型客车10.06020≥160 中型货车10.06020

图13 活动护栏碰撞点位置

按照上述碰撞条件和碰撞点位置，分别建立小客车、中客车及中货车碰撞新型防撞活动护栏中点与端部的仿真模型，依据表2所示的碰撞条件对新型防撞活动护栏安全防护性能进行评估。

表3为活动护栏对车辆阻挡和导向的仿真分析结果：3种车辆碰撞活动护栏后均能顺利驶出，且碰撞后3种车辆均能顺利导出，说明活动护栏具有较好的阻挡功能；由车辆模型碰撞后的行驶轮迹可以看出护栏达到了标准对导向性的要求，护栏的导向功能较好。

表3 活动护栏对车辆阻挡和导向的仿真分析结果Table 3 Containment performance and redirective perform-ance of movable barriers碰撞车型碰撞点活动护栏中点距离活动护栏终点2 m小型客车中型客车中型货车

图14为小客车碰撞活动护栏方案中点和端部的缓冲指标曲线：车辆碰撞护栏中点的乘员碰撞后纵向加速度和横向加速度分量分别为178、86.1 m/s2，碰撞护栏端部的乘员碰撞后纵向加速度和横向加速度分量分别为127.6、68.9 m/s2，未超过200 m/s2；车辆碰撞护栏中点的乘员碰撞的纵向速度和横向速度分量分别为4.4、5.7 m/s，碰撞护栏端部的乘员碰撞纵向速度和横向速度分量分别为6.8、7.2 m/s，均未大于12 m/s，护栏缓冲功能良好。

通过计算机仿真分析，可知新型防撞活动护栏方案的3个评价指标均符合标准规定，防护等级可达到Am级，但要在实际工程中应用，此活动护栏结构安全防护性能仍需通过实车试验进行评价验证。

图14 乘员碰撞后加速度

5 结论

通过对新型防撞活动护栏的研究可得出如下结论：

a.现有活动护栏型式不兼具安全防撞与快速开启功能，未能较好地满足公路中央分隔带开口位置对活动护栏使用功能的需求。

b.提出了活动护栏闭合时应具有可靠的安全防护功能、开启时应具备全部开启与局部快速开启功能的设计新理念。

c.提出了由快速开启段、可开启段和端部过渡段3部分组成的具有快速开启功能的新型防撞活动护栏设计方案。

d.新型防撞活动护栏方案的安全性经计算机仿真评估，防护等级可达到Am级，但是在实际工程应用之前仍需要采用实车足尺碰撞试验对护栏安全性能做进一步评价。