（交通运输规划与管理专业论文）高速公路安全护栏端部设计优化研究.pdf

摘要 交通安全问题是全社会关注的一个热点问题，路侧交通事故占交通事故总数中相当 大的比例，路侧护栏作为高速公路上防护危险障碍物的有效手段，其端部处理得合适与 否与道路交通安全息息相关。 论文结合我国路侧半刚性安全护栏端部的设计现状，指出了半刚性护栏端部设计中 存在的问题；就汽车与半刚性护栏端部碰撞系统的作用机理，分别从两者碰撞的的一维 和二维状态、静力学等方面进行了分析；基于护栏端部解体消能设计思想，分析了解体 消能端部木质立柱和木质防阻块、吸能缓冲组件、端头形式构造的优化改进，并采用理 论力学中的动量定理、动能定理、碰撞原理等理论，计算解体消能护栏端部在与汽车碰 撞过程中的运动形态，从而得到解体消能护栏端部较好的吸能效果；采用m s c a d a m s 计算机仿真模拟软件和a n s y s 有限元结构分析软件进行碰撞仿真，模拟显示了端部解 体消能结构在碰撞仿真过程中的运动状态；与普通半刚性护栏端部设计仿真结果比较表 明，优化设计具有很好的吸能效果及优越的可靠性和安全性；本文研究成果在陕蒙高速 公路上进行了试验段施工，取得了成功，安全效果还有待观测。本文的创新点主要体现 在对解体消能护栏端部的力学分析、仿真研究。 关键词：护栏端部力学分析优化解体消能仿真分析 a b s 仃a c t t h et r a f f i cs a f e t yo ft h er o a di sah o tq u e s t i o nt h a tt h ew h o l es o c i e t yp a y sc l o s ea t t e n t i o n t o r o a d s i d et r a f f i ca c c i d e n th a ss t o o ds i z a b l ep r o p o r t i o ni nt h et o t a lt r a f f i ca c c i d e n to ft h e h i g h w a y r o a d s i d eb a r r i e r s ，a sa l le f f e c t i v em e t h o dt op r o t e c td a n g e r o u so b s t a c l e so nr o a d ， w h e t h e ri t st e r m i n a ld e s i g ni sr e a s o n a b l eo rn o ti sc l o s e l yl i n k e dw i t ht h er o a dt r a f f i cs a f e t y t h i st e x ta n a l y s e sd o m e s t i cp r e s e n td e s i g ns i t u a t i o no ft h et r a d i t i o n a ls t e e lg u a r d r a i le n d t e r m i n a l sa n dp o i n t so u ts o m ep r o b l e m si ng u a r d r a i le n dt e r m i n a l sd e s i g n a tt h es a m et i m e ， t h ep a p e rs t u d i e st h ef u n c t i o nm e c h a n i s mo fc a r - t r a d i t i o n a ls t e e lg u a r d r a i le n dt e r m i n a l s s y s t e ma n du s i n gs t a t i c sm e t h o da n dp l a n a r m e t h o dt oa n a l y z et h i ss y s t e m b a s eo nt h e b r e a k a w a ye n e r g y - a b s o r b i n gg u a r d r a i le n dt e r m i n a l s ，t h ep a p e ro p t i m i z e st h eb r e a k a w a y w o o d e np o s t sa n dt i m b e rb l o c k s ，a n dt h eh e a d sa r ea l s ot r a n s l a t e dt oa l lk i n d so fd i f f e r e n t d e s i g n sa n df i xs o m ee n e r g y a b s o r b i n gm o d u l ea n da l s ou s i n gk i n e t i ce n e r g y sm e t h o da n d m o m e n t u m sm e t h o dt oa n a l y z et h i ss y s t e m t h et e x tu s e st h en u m b e rv a l u es i m u l a t i o n a n a l y t i c a lo fm s c a d a m sa n da n s y st os h o wt h eo p t i m i z eg u a r d r a i le n dt e r m i n a l sh o wt o m o v ew h e nt h e ya r ei m p a c t e d t h es i m u l a t i o nr e s u l tc o m p a r e st h eo l dd e s i g n sw i t ht h e o p t i m i z ed e s i g n ss ot h a tm a k eo u tt h en e wd e s i g n s e n e r g y a b s o r b i n ga b i l i t ya n ds e c u r i t ya n d v a l i d a t et h eo p t i m i z eg u a r d r a i le n dt e r m i n a l s c o r r e c t n e s s a tl a s t , s e l e c t st y p i c a lr o a ds e c t i o n f r o ms h a a n x i m o n g o l i af r e e w a y , u s e st h ep a p e r sc o n c l u s i o n st oo p t i m i z er o a d s i d eb a r r i e r d e s i g na n dm a k eg o o dw i n n i n g t h er e s u l tw i l lb eo b s e r v e d t h ei n a u g u r a t ep o i n t so ft h et e x t a r et h em e c h a n i c sa n a l y s i so ft h eb r e a k a w a ye n e r g y a b s o r b i n gg u a r d r a i le n dt e r m i n a l sa n dt h e m e c h a n i c sa n a l y s i so ft h et e r m i n a l s k e yw o r d s ：g u a r d r a i le n dt e r m i n a l s m e c h a n i c sa n a l y s i s b r e a k a w a yd e s i g n t h e o r yo p t i m i z a t i o n s i m u l a t i o na n a l y t i c a l 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：p ) 年月 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 勰 习玩 哆年6 月夕日 7 年6 月少日 长安大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 近年来，道路交通运输飞快发展，道路交通事故已成为造成严重人员伤亡和财产损 失的“第一公害，交通安全问题也越来越引起人们的关注。自1 8 8 9 年在美国发生世 界第一起汽车交通事故以来，全世界因道路交通事故死亡数量达3 2 0 0 余万人，交通事 故死亡人数占非自然死亡的1 4 左右。而我国的道路交通安全状况更不容乐观，虽然我 国的机动车数量在世界上仅占1 6 ，但车祸死亡人数却占世界的1 4 1 3 。据我国公安 交通管理部门统计n 1 ：2 0 0 0 - - - - 2 0 0 4 年道路交通事故年死亡人数平均在l o 万人以上。2 0 0 5 年，全国共发生道路交通事故4 5 0 2 5 4 起，造成9 8 7 3 8 人死亡、4 6 9 9 1 1 人受伤，直接财 产损失1 8 8 亿元；全国公路上发生交通事故2 7 2 8 4 0 起，造成7 6 6 8 9 人死亡，分别占总 数的6 0 6 和7 7 7 ；城市道路上发生交通事故1 7 7 4 1 4 起，造成2 2 0 4 9 人死亡，分别 占总数的3 9 4 和2 2 3 。 我国的交通事故特点与发达国家明显不同，高等级道路，尤其是高速公路交通事故 发生率远高于普通干线公路。美国高速公路与普通干线公路相比交通事故率下降5 5 ， 英国下降6 2 ，日本下降8 9 ，而我国高速公路的事故率则大于普通公路，据统计嘲，我 国普通公路的事故率和死亡率分别为0 2 3 8 起公里和0 0 5 9 起公里，而高速公路的事故 率和死亡率则达到了1 8 9 4 起公里和0 2 4 8 起公里，高速公路事故率和死亡率分别是普 通公路的7 9 6 倍和4 2 倍。目前，欧洲公路交通事故每年达1 3 0 万次，致伤人员约1 7 0 万 人，死亡人数约4 万人，美国平均每年发生交通事故6 3 1 6 0 0 0 起，死亡人数3 8 0 0 0 多人， 其中，由于路侧交通安全设施原因伤亡的有1 2 0 0 0 人口1 ，与上面提到的我国近几年平均每 年发生的道路交通事故数据相比，我国发生的交通事故数远小于西方国家，而死亡人数 却是西方国家的数倍，这说明我国道路交通事故严重性远大于西方国家，我国高速公路 的交通安全状况与发达国家相比还有很大的差距，高速公路并未成为安全之路，交通安 全保障工作面临很大挑战，我们有必要通过改善高速公路交通安全设施来减轻交通事故 的严重程度。图1 1 、1 2 、1 3 分别是美国和中国道路年交通事故数和死亡人数图，我 们可以直观的将1 9 9 5 - 2 0 0 2 年的数据进行比较。 第一章绪论 受 伤 人 数 事 故 件 数 图1 3 我国年交通事故数、死亡人数嘲 交通事故是不可避免的，但是我们可以通过改善交通安全设施，让交通参与者在发 生交通事故时有一个可以改正错误的机会，这就是目前国外交通安全研究领域提倡的宽 容设计嗍。美国 r o a d s i d ed e s i g ng u i d e ) 中认为，不管车辆驶离道路的原因如何，如 果路侧无固定障碍物，边坡平缓，则事故的严重度会大大降低。而实际上由于自然条件、 2 0 o o o o o o o 如 仰 印 如 如 如 加 加 o o 0 o o 0 o 0 o o o o 0 o o o o o o o o o o 8 6 4 2 l 死亡人数 长安大学硕士学位论文 公路用地及工程费用等原因，很多情况下路侧条件很难达到这一要求，因此，在不能将 路侧障碍物移除的路段以及高填方陡坡路段或存在危险的路堑路段合理设置路侧护栏， 对于防护车辆驶出道路，降低翻车或碰撞障碍物事故发生的概率十分重要。护栏由护栏 过渡段、护栏标准段、护栏端部三部分组成( 见下图1 4 ) ，其中护栏端部的设置和处理 尤为重要。 护栏端部护栏标准段过渡段桥梁护栏过渡段护栏标准段护栏端部 口口口口日日日日日日日日日日：= = = = = = = = = 日日日日日日日日日日口口口口 行车道边界线行车方向一 对向行车道一 图1 4 护栏端部指的是护栏在起终点所做的一种特殊处理。路侧护栏主要依据路堤填土高 度，边坡坡度及路侧的危险程度决定是否设置。因此，一般路侧护栏不是连续设置的，每 设置一段护栏就有起点和终点，车辆与未加处理的护栏端部相撞时非常危险的。当与金 属类护栏端部相撞时，可能导致梁端穿透乘客车箱；当与钢筋混凝土护栏端部正面相碰 时，将产生无法忍受的碰撞力。迎面碰撞时，端部处理的防撞装置不能带刺、产生拱起 或使车辆翻滚，车辆在碰撞过程中产生的减加速度不能超过要求的限度。由此，就需要 对护栏端部进行合理处理，如设在上跨桥桥墩迎车面的护栏端部，以及设在中央分隔带 起终点的护栏端部，这些护栏端部，设计时应使其具有以下独特的性能：失控车辆正面碰 撞时具有很好的吸能效果；端部护栏板不能穿透车厢，危及乘客安全；端部侧板应具有 很好的导向性能，使失控车辆不会在端头处突然停住；护栏端部结构连接牢固，整体性 好。护栏端部作为高速公路上的基础防护设施，其设计、设置是否合理将在安全性、美 观性、经济性等多方面影响高速公路的运营嘲。因此，对高速公路护栏端部合理设计进 行优化研究，具有重要意义。 在国外，一些专门的研究机构和人员早在几十年前就开始了对护栏端部的设置条 件、尺寸参数、材料等问题的研究，他们多通过现场试验或计算机仿真，运用数理统计 的方法对护栏端部设置条件、设计参数以及材料性能等进行分析，为护栏端部的选择、 设置、设计等提供依据，目前已取得了一系列成果，在道路建设应用中对提高道路的安 全性起到了很好的作用，其中美国等发达国家自上世纪五六十年代综合运用“3 e ”策略， 3 第一章绪论 艮p e n f o r c e m e n t ( 实施) 、e n g i n e e r i n g ( 3 - 程) 、e d u c a t i o n ( 教育) ，其成果就是一个很好 的证明。而我国有关机构虽也自2 0 世纪7 0 年代开始对护栏端部设计进行过一些研究，取 得了一定的成果，但由于试验条件不足等原因，我国对护栏端部设计方法研究的全面性、 系统性还远远不及发达国家，目前国内对于护栏端部的安全性设计研究仍有许多空白。 1 2 国内外研究概况 1 2 1 国外研究概况口】叫1 8 1 护栏端部作为护栏的重要组成部分之一，在世界范围内越来越受到了人们的广泛重 视。护栏端部由护栏端头、立柱、防阻块、波形梁板以及各种螺栓等组成。公路交通较 发达的国家在高速公路出现初期就着手护栏端部的设计与研究。目前国际上在护栏端部 的设计研究中，以美国的研究成果较为先进和完善，他们借助碰撞试验，运用数理统计 等方法，建立了一整套完整的护栏端部设计理论。 西方国家对护栏系统的研究和大规模应用始于上世纪5 0 年代，美国从1 9 2 0 年起就 开始了对护栏端部的研究与使用，是开展交通护栏系统研究工作最早、最深入的国家， 在理论分析和模拟的基础上，通过大量实车足尺碰撞过程的实验和公路上的应用实践， 积累了大量经验，制定了有关护栏端部形式选择、结构设计、实验验证的方法、手段以 及护栏端头的生产制造、运输安装和维修等一系列的标准规范，为护栏端部的标准化、 系统化设计奠定了基础，美国目前建有多处大型实车足尺实验场，配置有先进的测试仪 器和设备，并对汽车与护栏端部的碰撞实验进行了系统的试验和研究，得出了适合自己 的护栏端部型式。8 0 年代，美国采用了各种新型的端部处理方式，包括保险装置端部处 理s e n t r e 、过渡端端部处理t r e n d 、车辆消能端部v a t 和它的第二代产品c a t 、控制释 放端部c r t 、装载设备端部e l t 、修正的装载设备解体缆索端部m e l t 、修正的向下折转 解体缆索端部b c t ，随着n c h r pr e p o r t2 3 0 的采用和它的更新报告3 5 0 的产生，又开发 研究了开槽护栏端部s r t 、变向门控护栏端部r e g e n t ，这些护栏端部虽然都严格的符合 测试水平，但这些护栏端部没有吸收能量的作用，只能简单的保护车辆不被护栏刺入， 并不能削弱大量的能量，因此，又开发研究了第一个吸能护栏端部一护栏板挤出端部 g e t ，它是原护栏端部自身的一个变形，而并不是另外安装防撞垫或者其他设备的端部， 这种端部吸收能量的概念是指护栏端头能使护栏板挤出并变形从而吸收能量，另外一些 吸能端部通过弯曲或切断护栏板来吸收能量，这类护栏端部有波形梁板齿轮端部b e s t 、 4 长安大学硕士学位论文 连续弯曲端部s k t 和外展吸能端部f l e a t 、怀俄明州箱梁护栏端部w y b e t 、箱梁爆裂 吸能护栏端部b e a t ，大约有1 9 种护栏端部通过n c h r pr e p o r t3 5 0 试验测试并授权认同 可以在国家高速公路上使用。1 9 8 1 年美国国家研究会交通研究所制定了高速公路安全 设施评价标准，对实车足尺试验和护栏系统的现场实用评价给出了明确的评价指标， 对公路护栏和护栏端部试验、设计的标准化起了重要作用，并于1 9 7 0 年和1 9 8 6 年先后 开展了高速公路护栏结构及护栏端部等各种安全设施的一系列研究以及设计规范制定 工作。美国国家公路运输商协会( a a s h t o ) 在1 9 7 4 年发布了被他们公路界誉为圣经的 ( h i g h w a yd e s i g na n do p e r a t i o n a lp r a c t i c e sr e l a t e dt oh i g h w a ys a f e t y ) 第二版， 其中提出了路侧宽容设计最初的基本理论，将护栏端部设计作为宽容设计的具体实现写 入了该设计手册。在以后的时间里，美国各州的交通安全研究机构，通过大量实车碰撞 试验和数值仿真分析，对各类型护栏端部的各项设计参数进行标定，并对各种护栏端部 的安全性能进行评价。此外，a a s h t o 经过多年的理论和试验研究，于1 9 7 7 年出版了 ( g u i d ef o rs e l e c t i n g ，l o c a t i n ga n dd e s i g n i n gf o rt r a f f i cb a r r i e r s ，书中详 细分析了护栏及端部形式选择、位置设置、结构设计等的方法和原则，又在1 9 9 3 年出 版的( n a t i o n a lc o o p e r a t i v eh i g h w a yr e s e a r c hr e p o r t3 5 0 ：r e c o m m e n d e dp r o c e d u r e s f o rt h es a f e t yp e r f o r m a n c ee v a l u a t i o no fh i g h w a yf e a t u r e s 和1 9 9 5 年出版的a g u i d et os t a n d a r d i z e dh i g h w a yb a r r i e rh a r d w a r e 中对上述问题重新进行了论述， 补充了最新的研究成果。在1 9 9 6 年出版的第一版( r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 中，a a s h t o 系统总结了多年试验研究结果，对公路路侧设施、城市道路交通工程设施及施工区安全 设施研究的实验方法、过程和结果进行了论述，其中就论述了各种护栏端部抗碰撞及消 能性能，并于2 0 0 2 年出版了第二版( r o a d s i d ed e s i g ng u i d e 对上述内容进行完善， 该书即为目前美国公路路侧设计的规范性文件。 日本从2 0 世纪5 0 年代开始对护栏系统展开研究，并在名神高速公路上开始大规模 使用护栏。在随后十几年中，以日本道路公团、日本道路协会、建设省土木研究所为中 心的日本各种研究机构对各种护栏端部进行了广泛深入的研究，于1 9 6 5 年制定了护栏 及其端部设置纲要，对护栏及其端部的适用范围、结构设计、功能要求、施工安装等方 面做出了明确规定。与美式护栏端部相比较，日式护栏端部的整体刚度大，护栏端部参 与作用范围和横向变形量小，但钢材用量较大。 继美国、日本之后，英国、意大利等国也都开展了相应的工作，到五、六十年代护 栏系统得以大规模使用。很多国家都制定了相应的技术规范，如美国的“a a s h t o 防冲护 5 第一章绪论 栏生产标准“、前苏联的“道路护栏结构标准”、日本的“防护栅设置纲要”。 在近几十年来，国外一些研究机构还开发了计算机软件对车辆与护栏端部的碰撞进 行研究，并由简单到复杂相继提出了一些有效的力学模型，其中h v o s m ( h i g h w a yv e h i c l e o b j e c t ss i m u l a t i o np r o g r a m ) 将车辆模型化为由车身、悬架和轮胎组成的计有1 1 个自 由度的多体系线，能够模拟车辆与各类护栏端部碰撞的过程，给出碰撞过程中车辆承受 的加速度和车辆在三维空间中的运动状态。b a r r i e rv i i 软件被广泛用于模拟车辆与半刚 性金属护栏端部的碰撞过程，程序中金属护栏端头采用有限元模型，主要以梁、柱单元 模拟，车辆简化为只在地面上做平面运动的具有三个自由度的单刚体，为模拟车辆与护 栏端部碰撞时的接触力，车辆模型中还包括了一些双线性的弹簧和阻尼元件。g u a r d 程 序将车辆简化为具有6 个自由度的空间运动体，采用三维有限元模型模拟各类护栏端头； m i l l e r 和c a r n e y i o 介绍了使用l s d y n a 程序模拟在轻型车和重型车高速碰撞下，美 国康涅狄格州碰撞衰减端头系统n c i a s 的吸能特性，将有限元仿真和足尺寸碰撞试验的 结果进行了比较，如加速度一时间曲线、速度一时间曲线、位移一时间曲线，结果非常 一致。r o b e r tt h o m s o n 对防撞护栏系统的安全性以及评价它们的标准进行了详细的说 明。对路侧设施进行标准化试验始于2 0 世纪6 0 年代，随着路侧硬件设施的研究和试验 技术的进步，很多文献都报告了非常详细的评价系统，如n c h r p ( n a t i o n a lc o o p e r a t i v e h i g h w a yr e s e a r c hp r o g r a m ) 2 3 0 报告( 1 9 8 1 ) 胁1 和3 5 0 报告( 1 9 9 3 ) 1 ，欧洲的试验 条件，在p r e n l 3 1 7 乜3 1 标准中进行了说明。我国在1 9 9 2 年前后也进行了一些碰撞试验， 建立了一套自己的试验方法和设备。虽然这些模拟方法都具有较大的局限性，但都能反 映护栏端部性能随其结构参数和碰撞条件变化的大致趋势。 1 2 2 国内研究概况乜仆乜盯 我国对护栏端部的研究起步较晚，理论研究和实验手段还不完善，目前已有的研究 成果与发达国家相比也有很大的差距，所以护栏端部设计在保障公路安全性方面仍存在 较大的不足。 交通部公路科学研究所从1 9 8 4 年开始就对波形梁护栏系统进行了研究，根据我国 的护栏设计条件，提出了我国当时的护栏结构形式。该结构采用厚度3 m m 的深波纹横梁， z 字形开口型钢立柱的形式，从1 9 8 9 年起在全国推广应用，此时的护栏端部所采用的立 柱，端头护栏板与标准段采用的一致。但随后几年在高速公路及一级公路的实际应用表 明，z 形柱强度太弱，损坏严重，不利于行车安全。故交通部公路管理司于1 9 9 4 年5 月下 令停止使用波形梁护栏“z ”形柱，相应的护栏端部部分的z 形柱也停止使用。 6 长安大学硕士学位论文 1 9 9 2 - - 1 9 9 3 年间，为编制相关的部颁标准和研究钢制波形梁护栏及其端部的防撞性 能，交通部公路研究所在北京、海南做了两批次共2 7 辆实车撞击钢制波形梁护栏及其端 部的试验。通过这次开创性的工作，建立了一套试验方法和试验设施，并对护栏系统的 安全评价标准、试验规程等提出了建设性的意见，取得了宝贵经验。 1 9 9 4 年，我国制定了行业标准( j t j 0 7 4 9 4 ) 高速公路交通安全设施设计及施工技 术规范，规定了波形梁护栏端部、缆索护栏端部、混凝土护栏端部的设计要求、设计 原则、构造、材料、施工及质量要求与验收，并于1 9 9 5 年制订了高速公路波形梁钢护 栏( 产品标准) 。 1 9 9 7 年，交通部公路科学研究所开发了可用于高速公路设施碰撞研究的试验手段， 为防撞护栏端部的试验研究创造了更好的条件。 1 9 9 9 年，公路交通安全设施标准汇编1 9 9 9 中提到，护栏端头可分为地锚式和圆 头式两种。地锚式端头应按j t j0 7 4 的规定执行，圆头式端头的尺寸规格应符合下表1 1 的规定。 。 表1 1 品名 代号规格( 衄) 备注 d ir - 1 6 0 端头d r 2 5 0 各种端头的半径可根据公 路几何线性做适当调整 d - i r 3 5 0 圆头式端头的外形见图1 5 和图1 6 ，其公称尺寸及允许偏差应符合下表1 2 。 一j - f d 。j 摹 上t 7 第一章绪论 图1 5d i i tr 。：i 覃 上t 图1 6d - ii 或d - iii 表1 2 品公称尺寸及允许偏差( 砌) 名代号abcdef g rh lh 2t 端 d - i6 02 0 0 24 5 04 58 7 5 4 5 ： 1 3 0 1 6 0 4 0 6 ：3 1 0 + 5 3 头 d - i i 5 02 0 0 21 5 04 58 7 5 4 5 ：； 1 3 0 2 5 0 d - i i i3 5 0 4 0 6 _ + ； 3 1 0 s ； 3 端头金属的公称厚度为3 m m ，其厚度的允许偏差应符合g b7 0 8 中a 级精度的规定。 端头外形应符合以下规定：a ) 端头不得有明显的扭转；b ) 端头切口应垂直，其垂直 度公差不得超过3 0 ，端部毛刺必须清除；c ) 端头曲线部分应圆滑平顺。 2 0 0 0 年，交通部编写发布了公路三波形梁钢护栏行业标准并推广应用，这时护 栏端部的护栏板也采用三波形，主要用于重型车、大型车比例高的路段和山区高速公路 等地形不利之处。 在以上我国高速公路护栏设计的发展过程中其端头均设计成圆头式( 如图1 5 、1 6 所示) 。这种端头设计在我国高速公路上虽有应用并取得了一定效果，但与国外护栏端 头的性能相比，尚存在一定的差距。我国现在高速公路所使用的半刚性波形护栏均为引 进国外先进成熟产品和技术生产而成，在半刚性波形护栏的研究上相对较少，特别是高 速公路半刚性波形护栏端部研究上更少，所以在这些方面有很多问题需要研究和改进。 长安大学硕士学位论文 1 2 3 国内外护栏端部设计研究评述 美国对于安全护栏端部设计的研究，考虑的因素较多，依靠实车试验确定计算参数 的方法与实际情况也比较接近，具有一定的实用价值，但是这些护栏端部在我国一直没 有安装使用，其原因主要有以下三点：一是产品结构复杂、价格昂贵，必然增加高速公路 的建设费用；二其生产费用高、周期长，并且市场需求不大，厂家不愿投资生产；三是我 国对此类事故不重视。况且，我国的道路环境和道路交通量构成都比较复杂，直接照搬 国外设计经验有诸多不适应性，国外的经验只能在一定条件下作为参考。 国内目前采用的安全护栏端部设计标准基本是在参照国外已有研究成果结合我国 相关专业人员的实际经验制定而成的，缺乏系统的理论证明和试验研究，标准的合理性 有待进一步验证。目前相关机构和人员进行的研究多集中在利用仿真软件模拟车辆与护 栏端部相撞的动态响应情况，进而确定护栏端部的强度、刚度、变形特性等，很少在护 栏端部设计形式、结构材料等方面进行分析，护栏端部设计理论还不够完善。 2 0 0 4 年1 1 月，交通部公路科学研究所及路士安科技有限公司在北京联合举办了 道路交通安全技术专题培训。来自全国交通、公安、市政等部门从事道路交通安全 管理、研究、设计、施工、生产技术人员和相关院校师生等参加了培训。其间来自美国 联邦公路管理局的资深安全专家s t e p h e n s 先生对宽容设计在路侧设施当中的应用作了 深入细致的讲解，并详细介绍了各类护栏端部设计的特点、适用范围与设置原则。 总体来说，我国对安全护栏端部的研究起步较晚，正处于不断探索与积累的阶段， 研究成果还不完善，与发达国家相比还有很大差距。加上我国各地由于地形地质条件不 同导致的道路环境差别较大，解决好各种道路安全护栏端部合理设计的问题，从而为高 速公路最大程度地创造一个安全行车环境，将是交通工程设施设计工作者必须面临的挑 战和难点。就护栏端部的木质解体消能式立柱而言，国外通过大量的实车碰撞确定出一 系列的标准，用计算机仿真对该设施的安全性能进行仿真分析，不断地优化改进设计标 准，而我国目前只是刚刚引进了宽容设计概念，端部木质解体消能立柱尚未在我国应用， 相关的计算理论更是处于空白状态，本文正是建立在对国内外资料分析的基础上，借鉴 国外护栏端部的设计，对国内现有的护栏端部的设计进行优化和计算机仿真验证，并加 工，生产出价格低、防护性能好的适合我国国情的新型护栏端部来满足高速公路的需求。 9 第章绪论 1 3 研究目的与意义 车辆驶出路外发生事故主要是两类，一是路堤高、边坡陡、边沟不合理造成车辆侧 翻，二是车辆碰撞路侧障碍物，如护栏端头、大孤石、标志柱、灯杆、树等。其中，车 辆碰撞障碍物造成的事故尤为严重，但是，不管车辆驶离道路的原因如何，如果路侧无 固定障碍物、边坡平缓，则事故的严重度会大大降低。但是，根据美国宽容设计理念， 如果无法对障碍物进行移除就需要采取安全防护措施，为了对障碍物更好的进行防护， 合理的设置护栏以及护栏端部就显得更加重要。设计时，在尽量达到安全防护、美观、 经济作用的同时，要尽量符合路侧安全要求。本文从护栏端部的现状设计入手，阐述了 安全护栏端部目前存在的问题以及需要优化设计的重要性，对比国内外资料，结合国内 外护栏端部的设计形式和结构，设计几种适合我国高速公路现状的护栏端部，并进行计 算机仿真模拟分析，对比分析优化后安全护栏端部的良好性能，希望对交通安全设施的 设计人员有所裨益。 总之，本文的研究，着眼于当前我国的交通安全现状，重在理论方向的探讨。 4 4 本文研究的主要内容和技术路线 本文首先将通过收集、整理资料，综合国内外研究成果，在总结半刚性安全护栏端 部的一般设计、设置的基础上，通过分析国内外安全护栏端部的设计，对比我国现有护 栏端部不足之处，在此基础上提出几种新型的解体消能护栏端部也称吸能护栏端部；建 立汽车与半刚性护栏端部碰撞的力学模型，计算半刚性护栏端部在碰撞过程中的受力、 位移等；采用理论力学中的动量定理、动能定理、能量守恒等理论，计算解体消能护栏 端部在与汽车碰撞过程中的运动形态；进而采用m s c a d a m s 软件和辅助的有限元分析软 件a n s y s 进行计算机碰撞仿真分析，通过构建模型和编辑数学计算公式的方法对解体消 能护栏端部在受到汽车撞击时的几个受力变形情况进行分析，比较得出优化后护栏端部 的优点所在；最后通过陕蒙高速公路实例对护栏端部的优化设计的可行性进一步分析。 第二章：汽车与半刚性护栏端部碰撞的研究 首先分析高速公路事故特点和交通安全对防撞护栏端部的要求，接着根据我国安全 护栏端部设计中存在的一些问题，基于国际上护栏端部的研究经验对我国的半刚性护栏 1 0 长安大学硕士学位论文 端部进行优化改进，提出几种新型的解体消能护栏端部，进一步分析汽车与半刚性护栏 碰撞的一维和二维、静力学等方面的分析。 第三章：汽车与吸能护栏端部碰撞的研究 采用理论力学中的动量定理、动能定理、碰撞原理等理论，计算吸能护栏端部在与 汽车碰撞过程中的运动形态，从而得到解体消能护栏端部较好的吸能效果； 第四章：汽车与解体消能护栏端部碰撞的计算机仿真分析 采用m s c a d a m s 计算机仿真软件和辅助的有限元软件a n s y s 对汽车与护栏端部的碰 撞进行仿真分析，首先对汽车与护栏端部碰撞系统的方法进行研究，然后比较选择并采 用仿真方法建立较为精密得汽车模型、护栏端部模型以及两者碰撞模型，分别将设计的 原有端部形式以及优化设计端部形式建模并运用软件运行数学公式以及相关程序进行 模拟，并对模拟后的端部仿真结果进行对比分析。 第五章：应用实例 分析陕蒙高速公路护栏端部原设计特点，针对典型路段根据本文研究结论对其进行 优化设计并进行了试验段各类护栏端部的安装和施工。 第六章：结论 对论文研究内容进行总结，说明研究成果及有待进一步解决的问题。 本文整体研究技术路线如图1 7 ： 护栏端部优化设计 半刚性护栏端部| | 解体消能护栏端 碰 撞 系 统 作 用 机 理 系 统 的 维 维 分 析 碰系 驯羹 刻蓁 析立 系 统 碰 撞 的 理 论 分 析 刘蓁 剽| | 基 于 o 暮 仿 真 理 论 基 于 j 呈 墨 仿 真 建 模 一j 目 圉| 荆 l 一 一一j 图1 7 技术路线图 1 1 第= 章汽车与半刚性护栏端部碰撞的研究 第二章汽车与半刚性护栏端部碰撞的研究 2 1 汽车与护栏端部碰撞事故分析 2 1 1 高速公路事故特点及成因分析 高速公路具有宽阔、平直、分道行驶、全封闭、全立交、有完善的交通安全及交通 控制设施、行车速度快，交通流量人等特点，为了找到高速公路交通事故发生的症结所 在，我们先从交通事故发生的特点和成因进行分析。 高速公路交通事故根据事故发生后的形态可分为如下类型：碰撞型、刮擦型、翻坠 型、火灾型、碾压型、其它型。通过对2 0 0 0 年到2 0 0 2 年我国高速公路事故形态进行平 均汇总分析可以看出，尾随相撞和撞护栏端部等固定物所占比例为最大，分别达到了总 量的3 8 和3 0 n ，可见，高速公路的高速行车和安全设施防护不足是很重要的影响因 素，具体形态分布见圆饼图2 1 ( 1 正面碰撞45 1 、2 侧面相撞69 4 、3 尾随相撞3 78 2 、 4 对向刮擦o8 3 、5 同向刮擦4 、6 碾压0 4 2 、7 翻车1 36 9 、8 坠车09 9 、9 失火o 5 0 、1 0 撞护栏端部等固定物3 03 0 ) 图21 撞固定物、翻车、尾随相撞事故是高速公路的主要事故形态，这三种事故形态 到高速公路交通事故的太部分。撞固定物主要是指撞击交通工程设施，如护栏端部 通标志立柱、隔离栅等固定物，这种事故形态在各种事故形态中所占的比例较大。 占 交 长安大学砸学位论文 根据历年来公安部通报的“全国道路交通事故统计分析”来看，东、中、西部高速 公路交通事故形态中排前两位的的均为尾随相撞、撞固定物，而占第三位的事故形态， 东部地区高速公路为侧面相撞，中、西部地区为翻车。京津唐高速公路全线交通事故发 生最多的是尾随事故( 占事故总数的5 35 5 ) ，其次是路侧事故( 包括边沟事故、护栏 端部事故，占事故总数的2 3 3 3 ) ，第三位的是侧面相撞( 占事故总数的1 37 1 ) ”1 。 成渝高速公路重庆段交通事故最多的是尾随事故( 占事故总数的3 0 6 0 ) ，其次是路侧 事故( 包括边沟事故、护栏端部事故，占事故总数的2 67 8 ) ，第三位的是翻车( 占事 故总数的2 62 8 ) 。另外，根据浙江省公安厅高速公路变警大队的统计，2 0 0 4 年，浙江 省高速公路发生汽车追尾事故1 2 4 4 起，占高速公路事故总数的4 2 ，撞护栏端部等固 定物1 0 2 4 起，占总数的3 4 。根据对陕西省西安至铜川、西安至渭南、西安至宝鸡 三条高速公路1 9 9 4 年1 9 9 9 年6 年间1 1 6 8 起交通事故原始档案资料的分析，有2 8 0 起交通事故导致人员死亡，导致致死性交通事故前四位类型为尾随相撞、撞固定物、撞 行人，分别占2 57 ，3 11 ，2 07 。下图2 2 是京津塘0 2 0 4 年事故形态图。 图22 京津塘事故0 2 _ 0 4 年按形态分布1 原因分析，从分析来看在高速公路上发生交通事故以撞固定物、尾随相撞为主，其 次是侧面相撞、翻车等其他类型，本部分将从安全设施相关的角度来分析导致这些类型 交通事故的原因。 撞固定物的路侧事故，我们这里所说的路侧，不只是指行车道方向的右侧，还包括 行车方向左侧，即中央分隔带一侧。发生路侧事故的原因很多：驾驶员疲劳或大意、车 速过高、酒后或药后开车、碰撞避让、冰雪雨、车况不好、可见性差等等，这些情况都 极易导致车辆驶离行车道冲八路侧或冲破中央护栏闯入对向行车道。但是，不管车辆驶 第二章汽车与半刚性护栏端部碰撞的研究 离道路的原因如何，如何在车辆驶离行车道时，降低可能发生事故的严重程度成为解决 路侧事故发生的主要方法。从安全设施系统的角度来看，发生路侧交通事故主要是以下 几方面的原因：路侧护栏方面，主要是部分路段护栏长度过短，护栏间断不连续，护栏 端部处理不合理，无过渡护栏等；中央分隔带护栏无法防止车辆穿越；路侧净区内交通 标志基础、里程桩等障碍物无防护设施；行车道右侧路肩宽度不够，没有左侧路肩；路 侧排水设施设计不合理，边坡设计无容错空间等等。其中，护栏端部处理不合理是导致 事故发生的重要原因，设置护栏端部的主要目的是为了控制、引导车辆从而减轻碰撞严 重程度。护栏端部的防撞机理是通过护栏端部和车辆的弹塑性变形、摩擦、车体变位来 吸收车辆碰撞能量，从而达到保护乘客安全的目的。与其它安全设施的显著区别是，护 栏端部以其自身和车辆的破坏( 变形) 来防止更严重的伤害事故发生。2 0 0 5 年4 月， 美国道路安全专家w i l l i a mj f i t z g e r a l d 分别在北京工业大学和长安大学做了关于路侧 交通安全设施的讲座，他特别提到护栏端部合理处理的重要性，并提出，在发生汽车与 护栏端部碰撞的事故中，护栏端部不应该刺入到碰撞车辆的车厢内，不要拱起来伤害车 辆及驾驶员，也不应该卡住车辆，护栏端部应有良好的导向作用并承受足够的碰撞力， 在护栏端部能够维持护栏系统必要的张力并起到很好的防护作用的同时及时进行端头、 立柱等组成部件的解体消能从而避免发生严重的碰撞事故，使车辆、驾驶员和乘客受到 的损伤减到最低程度，同时提出几种较为安全的护栏端部的设置并进行实车碰撞试验的 录像放映和试验测试水平的分析，强调了护栏端部的设计对影响交通碰撞事故发生的重 要性，从而提醒高速公路路侧安全设施设计者一定要注重护栏端部的合理设置和处理。 尾随相撞，一般分析认为疲劳驾驶和未保持安全距离是高速公路上发生尾随相撞事 故的主要原因。2 0 0 5 年1 0 月1 8 日至1 9 日，在北京召开的国际公路安全研讨会上，道 路交通安全专家孙小端教授嘲乜2 1 认为：危险的驾驶行为、不良的车况以及路肩带宽度的 不足是导致高速公路交通事故频发的重要原因，而大型车辆与小型车辆之间的速度差是 酿成致死追尾事故的第一诱因。据调查，有4 的驾驶员表示自己有过这种行为，更有 5 的驾驶员在遇到慢车挡道时从右侧超车，而这些都助长了由速度差引发的频繁超车 行为的危险程度，导致交通事故的发生。 侧面相撞，高速公路上侧面相撞事故的发生，主要原因有以下几点：车辆出入匝道 时，同向主线左侧车辆速度过快或出入匝道车辆不按规定要求使用减速或加速缓和段； 中央分隔带护栏无法防止货车穿越；护栏端部设计不合理导致的二次碰撞事故。 1 4 长安大学硕士学位论文 翻车，发生翻车事故一般是在特殊气象、地形、行车条件下，驾驶员处理不当造成 的，但是从路的角度来看，主要是护栏端部的防护强度不足、部分路肩不合理、缺乏特 殊提示信息以及路况较差等原因。从完善安全设施系统的角度出发，我们应加强护栏设 置规范、护栏端部的性能、碰撞消能防护设施，解体消能标志、限速标志设置以及相关 标线设施的研究工作。 2 1 2 合理设置护栏端部对保障行车安全的重要作用 ( 1 ) 有利于改善路侧安全 由上一节对事故形态的分析中我们可以看出，由碰撞安全护栏端部引发的交通事故 几乎在每一类事故形态中都存在，且占有相当大的比例。汽车与防撞护栏端部的碰撞或 者是前碰撞或者是侧碰撞，前碰撞包括正碰撞和偏置碰撞，根据事故的调查与分析统计 结果嘲，前碰撞引起的死亡人数占很大比例，其次是侧碰撞。在侧碰撞伤害分析中应重 视驾驶室的挤压变形情况，护栏碰撞事故占所有碰撞事故的9 ，其中有4 的致命事 故乜，大多数护栏碰撞致命事故是由护栏端部不合理处理造成的，对于减少护栏碰撞事 故最有效的措施是改善护栏端部的设计。美国交通安全专家g a t t i s 口2 认为在事故多发的 护栏端部安装吸能缓冲器和缓冲垫，能很好的改善安全性。为了量化的比较碰撞护栏端 部在交通事故中所占的比例，进一步通过对华盛顿州际道路上1 9 9 4 年到1 9 9 6 年发生的 各类越出道路交通事故数2 3 进行分析，从图中可以看出，安全护栏端部碰撞的事故为 5 7 次，占交通碰撞事故