（道路与铁道工程专业论文）缆索护栏在山区高速公路中的应用研究.pdf

摘要 交通安全问题已经成为一个世界性的大难题。在我国，交通事业蓬勃发展， 交通事故数量也逐年上升。护栏是重要的交通安全设施，对降低道路交通事故的 严重程度和减少经济损失起着关键性作用。 目前我国常用的安全护栏有刚性护栏、半刚性护栏，其中半刚性护栏是目前 使用最广泛的护栏形式。国内对于柔性护栏研究很少，相关规范的建立主要是借 鉴国外研究成果，及一些高速公路上柔性护栏的使用经验。 本研究首先总结了国内外柔性护栏的发展历史，研究现状，及对于护栏开发 常用的研究方法，并在此基础上确立本文的研究内容，研究方法。最终确定了以 数值模拟作为本文的研究方法，使用有限元软件l s d y n a 对汽车缆索护栏碰撞 系统进行数值模拟，通过改变护栏结构参数分析影响缆索护栏安全性能的因素。 护栏的最大动态变形量是决定路侧净宽及车体是否倾覆的一个重要指标。从 计算结果中发现，该指标对立柱间距十分敏感，其次是初拉力的影响，对于安装 长度，在一定安装长度以上其变化影响相对较小；车辆的最大加速度随对于上述 各种情况的变化都较为敏感；在碰撞过程中，接触力是衡量车辆破坏和乘员安全 度的一个重要指标。分析发现在缆索护栏与汽车的碰撞过程中其大小远小于相同 能量的车辆对刚性护栏的碰撞力；在能量转换和吸收方面，汽车与缆索护栏系统 的碰撞过程中，汽车动能的减少大部分被护栏吸收，其他形式能量转化很少。护 栏吸收的能量主要由立柱及缆索来承担，根据上述参数的不同，能量分配略有变 化。在碰撞力时程曲线上可以看出，曲线图形一致，只是数值随初始条件的不同 而产生变化，且碰撞力要远远小于车辆对刚性护栏的碰撞力，这是由缆索护栏刚 度远小于刚性护栏所产生的必然结果。 综合上述分析，在缆索护栏的设计中出于安全性考虑，首要考虑因素是立柱 间距，其次是缆索初拉力，最后是安装长度。在山区高速公路的一些事故多发路 段，在路侧净空足够的情况下，安装缆索护栏能起到更好的安保效果。 关键词：缆索护栏；山区高速公路；有限元；碰撞；安全评价标准 a b s t r a c t r o a da c c i d e n th a sb e c o m eah e a d a c h ep r o b l e mi nw o r l d w i d e w i t ht h ev i g o r o u s d e v e l o p m e n to fc h i n a st r a n s p o r t ，t h ea c c i d e n t sa l s og r o wr a p i d l y a sa ni m p o r t a n t t r a f f i cs a f e t yf a c i l i t i e so fe x p r e s s w a y ，g u a r d r a i lp l a y sak e yr o l ei nr e d u c i n gt h ed a m a g e a n dp r o p e r t yl o s s e so fr o a da c c i d e n t a tp r e s e n t ，t h eg u a r d r a i lf o r mc o m m o n l yu s e di sr i g i dg u a r d r a i la n ds e m i - r i n d g u a r d r a i l f o rc a b l eg u a r d r a i l ，s e l d o mr e s e a r c hh a sb e e nc a r r i e do n ，m a yi tc a nb es a y n o s t u d yh a v eb e e nc o n d u c t e d s ot h er e l a t i v es p e c i f i c a t i o ni sm o s t l yb a s e do nf o r e i g n s t u d i e sa n dt h ee x p e r i e n c eg a i n e df r o mt h eu s i n go fs o m ee x p r e s s w a y i nt h i sp a p e r ，f i r s t l yg i v eas u m m a r i z a t i o no ft h ep h y l o g e n y ，c u r r e n tr e s e a r c h s i t u a t i o na n dc o m m o n l yu s e dr e s e a r c hm e t h o do fr o a ds i d eb a r r i e r ，t h e nm a k ead e c i s i o n f o rt h ec o n t e n to ft h i sp a p e r ic h o o s ead i g i t a ls i m u l a t i o nm e t h o da st h er e s e a r c h d i r e c t i o nf o rt h i sp a p e r , b yf e as o f t w a r el s d y n a ，ig i v et h em a i n l yf a c t o rt h a ts h o u l d b ec o n s i d e r e di ns t r u c t u r ed e s i g nt h r o u g hc h a n g i n gt h es t r u c t u r ep a r a m e t e r a n a l y z i n gt h er e s u l t s ，i tf o u n d st h a tt h em a x i m u md y n a m i cd i s p l a c e m e n to ft h e g u a r d r a i li sa ni m p o r t a n tc r i t e r i o nt oe v a l u a t et h er o a d s i d eb a r r i e r ，d u r i n gt h ei m p a c t i n g p r o c e s s i tc h a n g e sw i mt h es p a c eb e t w e e nt h ep o s t s ，t h ei n i t i a lt e n s i o ns t r e s so ft h e c a b l ea n dt h eg u a r d r a i l si n s t a l l a t i o nl e n g t h i ti ss e n s i t i v et ot h ef i r s tf a c t o r ，t h e nt ot h e c a b l e si n i t i a ls t r e s s ，a n dt h es e n s i t i v i t yt ot h ei n s t a l l a t i o nl e n g t hl e s st h a nf o r m e r s w h e n r e f e r e n c et ot l l em a x i m u ma c c e l e r a t i o n ，i t ss e n s i t i v et oa l lt h ef a c t o r sa b o v e a l s ot h e i m p a c t i n gf o r c ei sa n o t h e ri m p o r t a n ti n d i c a t o r t oe v a l u a t et h eg u a r d r a i l ，f o ri t sd i r e c t l y a f f l u e n tt h ev e h i c l e s d a m a g ea n dp e o p l e ss a f e t y t h er e s u l t sr e f l e c tt h ei m p a c t i n gf o r c e f a rl e s st h a nt h ec a ri m p a c tt oar i g i dg u a r d r a i lw i t hs a m ek i n e t i ce n e r g y d u r i n gt h e i m p a c tp r o c e s s ，m o s to ft h ec a r sk i n e t i ce n e r g yc o n v e r ti n t ot h eg u a r d r a i l si n t e r n a l e n e r g ya n ds e l d o mo t h e re n e r g yf o r m sw e r ec o n v e r t e d 1 1 1 ei n t e r n a le n e r g yo ft h e g u a r d r a i li sm a i n l yd i s t r i b u t eb yt h ep o s ta n dc a b l e ，a n dt h ed i s t r i b u t i o nn o ts e n s i t i v et o t h ef a c t o ra b o v e i nt h ef i g u r eo f r e s u l t a n tf o r c e ，w ef o u n dt h a tt h ev a l u ec h a n g e dw i t ht h e i n i t i a lc o n d i t i o na n df a rl e s st h a nt h a to fav e h i c l ei m p a c tr i g i dg u a r d r a i l t os u mu p ，w h e nd e s i g n i n gac a b l eg u a r d r a i l ，i ts h o u l dc o n s i d e rt h es p a c eb e t w e e n t h ep o s tf i r s tt h e nt h ec a b l e si n i t i a ls t r e s sa n dt h e nt h ei n s t a l l a t i o nl e n g t h s o m e a c c i d e n t p r o n es e c t i o n so ft h em o u n t a i n se x p r e s s w a yw h i c hh a v es u f f i c i e n tc l e a r a n c et o i n s t a l lc a b l eg u a r d r a i lw i l lp l a yb e t t e rs e c u r i t yr e s u l t s k e yw o r d s ：c a b l eg u a r d r a i l ；m o u n t a i ne x p r e s s w a y ；f i n i t ed e m e n tm e t h o d ； i m p a c t ；s e c u r i t ye v a l u a t i o nc r i t e r i a 重庆交通大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：。舭钞德日期：幻归年乒月甲日 重庆交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权重庆交通大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本人学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并进行信 息服务( 包括但不限于汇编、复制、发行、信息网络传播等) ，同时本人保留在其 冀黧? 嚣终以萑砀 学位论文作者签名：哺砂侮指导教师签名：筇犁 日期；w 口年弘月7 e 1 日期：多刃口年v 月7 了e t 本人同意将本学位论文提交至中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社c n k i 系列 数据库中全文发布，并按中国优秀博硕士学位论文全文数据库出版章程规定 享受相关权益。 学位论文作者签名： 齑似密 嗍尹年弘月7 日 指导教师签名夕学零 日期：矽，d 年够月 f 7b 第一章绪论 第一章绪论弟一早三百了匕 1 1 研究背景及意义 交通安全问题是一个世界性的大难题【。在我国，交通安全形势更为严峻。我 国的道路交通状况同欧、美、日等国相比差距明显。欧、美、日等国在道路密度 大、机动车保有量高的条件下，多年来道路交通事故死亡人数基本保持不变或缓 慢下降，而我国近十几年道路交通死亡人数却连年上升【3 1 ，近几年尤为严重。 在1 9 8 7 1 9 9 2 年这五年中西欧交通流量上升了1 6 ，然而在1 9 8 8 1 9 9 2 年间德 国的事故率却下降了7 0 ，法国和西班牙均下降了2 0 左右。各种新型护栏的开 发及广泛应用功不可没 4 1 。虽然我国近年来在众多学者的不懈努力下也取得了一些 可喜成果，如 5 8 】，但相对西方国家我国仍然处于落后阶段。道路护栏对安全通 行和减少事故起到重要作用。因此，选择合理的护栏形式，合理优化护栏结构对 安全运营、节约经济和美化环境方面具有重要意义。 随着“7 9 1 8 ”国家高速公路网和西部大开发战略的实施，山区高速公路迎来 了新的建设高峰。大量的山区高速公路的出现使得道路安保工程显得尤为重要。 山区道路由于坡度大，转弯急，极易出现交通事故。为克服地形起伏变化，降低 工程造价，山区公路往往具有连续长大下坡路段，连续长大下坡路段造成车辆尤 其是大型货车制动效能降低，往往由于频繁制动，由制动失效引起的追尾撞车、 坠车，或弯道处车速过高而冲出路外或对向车道的恶性交通事故时常发生，仅按 照现行有关规范进行设计施工往往难以确保运营的安全。特别是部分已经建成的 高速公路中出现了较多的事故危险区“黑点 。在连续下坡路段，驾驶员空挡滑行 或长时间使用刹车，使得制动器温度急剧上升，制动“热衰退 现象突出，严重 时车辆制动能力完全丧失，在速度较高的情况下会因无法控制车辆以致重特大事 故经常发生。因此，连续长大下坡路段也常常成为“事故多发路段 。如3 1 2 国道 陕西省境内k 1 3 9 2 k 1 4 4 0 段全长4 8 k m ，沿线地势险要，坡大沟深，为典型的山 区公路。该路段从1 9 9 9 年7 月建成通车到2 0 0 1 年1 2 月，短短两年半的时间，共 发生交通事故5 6 0 起，死亡8 1 人，伤3 6 3 人，直接经济损失8 8 1 3 8 4 万元，其中 在突出的8 公里连续长大下坡路段集中了其中的大部分事故。 缆索护栏是一种以数根施加了初拉力的缆索固定于支柱上的护栏结构，它主 要依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞并吸收能量，在弹性范围内，具有较大韧 性缓冲能力，即所谓“以柔克刚 。由于其具有一定的刚性和柔性，吸能能力极为 出色，所以能相当程度上满足防撞护栏的设计要求，且车辆碰撞时缆索在弹性范 围内工作，可以重复使用，容易修复。立柱间距比较灵活，受不均匀沉陷的影响 较小。风景区公路采用缆索护栏较为美观。积雪地区，缆索护栏对扫雪的障碍稍 2 第一章绪论 少；同时，它还具有适用性强、外形美观等诸多优点。故大力开展对缆索护栏防 撞机理和碰撞性能的研究及改进柔性护栏的设计有着极其重要的现实意义。 1 2 缆索护栏在国内外的研究和使用概况 英国、美国、日本等国使用柔性护栏的历史较长，并且一直进行着护栏的碰撞 试验和研究工作。柔性护栏的发展经历了一系列的变化，现在性能最好的是英国布 瑞芬公司的安全钢索护栏，由于它独特的作用原理和钢索布设方式，即较低两根钢 索采用互相交叉的布设方式，使得性能得到很大的提高，现在包括英国、美国、澳大 利亚、法国、捷克、印尼、中东、新西兰、泰国、马来群岛、斯堪的纳维亚、南 非等3 0 多个国家和地区在使用，总长度超过3 0 0 0k m 。比如，美国2 0 0 0 年9 月开 始安装使用，2 0 0 1 年4 月通过美国联邦公路局的n c h r p 3 5 0 t l 3 验证，2 0 0 5 年3 月通过美2 3 面计划而拯救生命的积极行为。 我国在柔性护栏方面的研究时间很短，甚至可以说基本没有研究。1 9 8 8 年开始 设计时，主要是借鉴日本、美国的一些产品宣传资料。1 9 9 2 年竣工的合宁( 合肥至南 京) 高速公路合肥至周庄段( 1 0 2k r n ) 就首次在路侧和中央分隔带采用了缆索护栏， 在通车的第一个5 年里，在数百次撞索事故中，端柱无一损坏，极少发生断索现 象，收到了很好的效果【1 4 1 。2 0 0 5 年8 月，高发司成渝分公司在重庆段1 5 1 6k m 走 马附近，试装了柔性护栏。安装至今，再也没有发生过死亡事故。1 9 9 4 年发布的高 速公路交通安全设施设计及施工技术规范( j t j0 7 4 9 4 ) 所规定的缆索护栏的设计、 生产和安装均借鉴这次安装使用的经验。2 0 0 4 年初交通部在全国组织实施的“安 保工程”中很多路段都使用了缆索护栏；一些高速公路的高危魔鬼路段和部分高 等级公路也相继使用了缆索护栏。此外，成渝高速回城方向的4 8k m 大安至丁家路 段的长下坡、6 0k m 邮亭到永川段，以及9 3k m 桑家坡到荣昌段，这些事故多发的“鬼 门关 ，也将加装5 0 0m 的柔性护栏。按计划，2 0 0 7 年整个成渝高速路的护栏都将 更新成“刚柔结合”的护栏。 近年来国内外对防护护栏试验检测和使用效果表明高性能的柔性缆索护栏有 它独特的防撞优点。柔性护栏具有价格便宜、容易修理、施工和撞击后维修较经 济、快速等特点，在我国的北方地区，春季风沙、冬季大雪，合理的使用柔性护 栏可以减少清扫工作量，提高通行能力。所以进一步研究柔性护栏、合理的使用 柔性护栏具有一定的社会效益和经济效益。 在研究方法方面，目前国内外对车辆冲撞护栏的研究方法主要有：实车足尺 碰撞试验、缩尺模型试验、计算机仿真分析法。国外公路交通较发达的国家在高 速公路出现的初期就着手于护栏结构的研究。美国从1 9 2 0 年起就开始了护栏的研 究与使用，在理论分析和模拟实验的基础上，通过实车足尺护拦碰撞验证实验和 公路上的应用实践，积累了大量的资料和丰富的经验【5 】，制定了有关护栏形式选择、 第一章绪论 3 结构设计、实验验证的方法手段以及护栏的生产制造、运输安装和维修等一系列 的标准规范，为护栏的标准化、系统化奠定了基础。日本于5 0 年代开始这方面的 的研究工作，1 9 9 8 年1 1 月日本道路协会制定了护栏的设置标准和解说。至此 形成了美、日两种典型的护栏形式。其它许多国家大致在5 0 、6 0 年代，也相继开 展了各自国家的护栏结构的设计标准的研究。 我国在“七五”期间开始针对高速公路护栏的设计，生产与施工等方面的开 展研究工作。交通部公路科学研究所从1 9 8 4 年开始对波形梁护栏进行了系统的研 究，根据我国的护栏设计条件，提出了当时适合我国国情的护栏结构形式。1 9 9 2 年前后，中国公路工程咨询监理总公司完成了我国第一次实车足尺碰撞试验的研 究任务，建立了一整套实验方法和设施。到1 9 9 4 年初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，近年来随着经济建设和高速 公路投入运营，重型车和大型车的比例突增，由于其吨位大、车速高使得目前高 速公路上使用的波形梁护栏已经不能满足其安全要求，从而引发的事故严重度很 高。2 0 0 4 年交通部根据我国的国情编写了新的规范高速公路护栏安全性能评价 标准( j t g tf 8 3 0 1 - - 2 0 0 4 ) 、公路交通安全设施设计细则( j t g td 8 1 2 0 0 6 ) 并于2 0 0 4 年1 2 月3 1 日正事开始实施。 1 3 研究内容和方法 1 3 1 研究内容 根据车辆与缆索护栏碰撞过程结合相关力学知识建立一个简化的计算模型 结合有限元相关理论，根据简化模型，做出必要的假设建立有限元模型 通过改变缆索初拉力，立柱的间距，护栏的安装长度，结合数值模拟的结 果对比分析护栏护栏的可靠性各个指标。 结合山区公路的特点，提出缆索护栏的适用条件。 1 3 2 研究方法 目前国内外对车辆冲撞护栏的研究方法主要有：实车足尺碰撞实验、缩尺模 型试验、计算机仿真分析法。 实车足尺实科1 5 1 几乎所有开展护栏研究的国家都是通过大量的实验研究辅以理论分析、计算 最终通过实车足尺实验来完成护栏结构的设计、开发的【1 0 】。实车足尺撞击试验是 用实际车辆冲撞护栏来模拟现实交通事故的一种研究方法，足尺碰撞试验是综合 评价汽车碰撞安全性能的最基本、最有效的方法。只要试验条件符合实际碰撞条 件，试验设备达到一定的精度，其结果是最直观的。但是，由于足尺寸试验的费 用非常昂贵，进行试验准备的时间也很长，从而限制了这种方法的广泛应用。 4 第一章绪论 缩尺模型实验 缩尺模型实验是一种将实际汽车护栏或者其中的一部分构件按一定的比例缩 小进行模拟试验的方法( 如文献 1 6 - 1 9 ) 。它具有实验成本低、实验过程易于控 制、变换参数容易、可采用多组实验反复进行等众多优点，是对护栏进行冲击特 征、撞击刚度、能量吸收能力等物理力学特征研究的一种经济有效的实验方法。 此种方法有一个重要的相似准则：本构相似，即原型和模型材料应具有同样的本 构性质和同调的应力应变曲线，在实际工程中通常很难满足这个相似准则，导致 试验的可靠性不高，该试验目前已基本被计算机仿真分析所取代。 计算机仿真分析 计算机仿真分析是根据力学原理，通过理论分析建立数学模型，利用计算机 进行数值模拟计算。只要模型建立得准确，得出的结果就会与实际的结果接近。 计算机仿真其结果的再现性很好，只要输入条件相同，计算精度相同，得到的结 果就会一致。随着计算机模拟汽车与路旁设施碰撞能力的提高，研究道路安全特 性将变得更加经济。对于那些无法通过足尺寸碰撞试验来进行研究的情况，却可 以利用计算机仿真来很好地模拟，从而有助于改进和提高汽车安全和道路安全。 限于实车足尺实验昂贵的费用，考虑到数值模拟的优点，最终确定了以数值 模拟作为本文的研究方法，使用有限元软件l s d y n a 对汽车缆索护栏碰撞系统 进行数值模拟，通过改变护栏结构参数分析影响缆索护栏安全性能的因素。 第二章护栏的基本理论 5 第二章护栏的基本理论 2 1 合理设置护栏的意义 交通的飞速发展，给我们以极大的便利。但随之而生的交通安全问题也是不 容忽视的。应对交通事故主要从两个方面着手：一方面主动预防交通事故的发生， 例如相应的交通法规的制定，交通标志标线的设立；另一方面，当交通事故发生 时尽可能地将其危害降到最低，如避险车道，防撞护栏的设置等。其中防撞护栏 是实践中最为常见的一种交通安全设施。合理设置路侧护栏具有以下几方面的意 义【3 3 】： 有助于减少单车事故的发生。 近年来由于疲劳驾驶、酗酒、药物等原因引发的单车事故越来越多，采用合 理长度、位置和结构形式的路侧护栏能及时预防车辆冲出道路，避免和减少人身 伤害和车辆、财产损失。 相当于间接减少路侧障碍物的数量。 护栏虽具有防护路侧障碍物的功能， 的设计，才能令它的这一负面效用降低， 传统设计方法中路侧障碍物的数量。 但本身也是一种障碍物，只有进行合理 起到扬长避短之效，相当于间接减少了 有助于减少驾驶员心理负担。 路侧护栏具有诱导视线的作用，合理设置的路侧护栏可以缓解驾驶员视觉疲 劳，消除驾驶员在某些危险路段行驶时的紧张情绪，使他们在比较放松的心态下 对车辆的控制更加从容，降低交通事故发生的概率。 有助于节省工程投资 取缔不必要设置的路侧护栏除了能在项目建设期节省工程投资外，还减少了 日后护栏养护、维修的工作量，而且可将节约的这部分资金用于改善其他地点设 置护栏的质量或养护、维修，具有较强的经济性。 2 2 护栏的分类及评价标准 护栏是一种纵向吸能结构，通过自身变形或者车辆爬高来吸收碰撞能量，从 而改变车辆的行驶方向、阻止车辆驶出路外或者进入对向车道、最大限度地减少 对乘员的伤害。护栏按路段分为一般路段防撞护栏和桥梁护栏；按设置位置可分 为路侧护栏和中央分隔带护栏；按照其受力力学特性可分为刚性护栏、半刚性护 栏和柔性护栏： 刚性护栏的主要形式有钢筋混凝土护栏，它是一种以一定断面形状的混凝 土块相互连接而成的墙式结构。由于汽车与混凝土护栏相撞时，在瞬间冲击荷载 6 第二章护栏的基本理论 的作用下，护栏基本上不移动、不变形，碰撞过程中的能量吸收一是靠汽车本身 的塑性变形，二是靠汽车与护栏之间的摩擦接触，三是靠汽车沿着护栏的爬高和 汽车行驶方向的改变，而汽车行驶方向的改变则有利于使汽车恢复到正常行驶方 向，所以混凝土护栏的截面形状和尺寸( 高度、宽度等) 直接影响碰撞的效果。 目前，国内外混凝土护栏一般都采用上、下双截面的结构形式，其下截面较缓， 用于抬升汽车，将动能转化为势能，减缓冲击速度，而其上斜面较陡，用于拦截 汽车跨越护栏。碰撞事故中，混凝土护栏对车辆的冲击很大，不利于乘员的安全， 目前仅在一些十分危险的路段使用。 半刚性护栏是一种连续的梁柱式护栏结构，依靠护栏的弯曲变形和张拉力 来抵抗汽车的碰撞，具有一定的刚性和柔性。梁柱式护栏按不同的结构可分为两 波护栏、三波护栏、管梁护栏、箱梁护栏等数种。从国内外实际应用情况看，波 形梁护栏以其吸能性好、外形美观、视线诱导性强、环境协调性好等众多优点应 用最广，它是一种以波纹状钢护栏梁板相互拼接并由立柱支撑而组成的连续结构， 它利用土基、立柱、波形梁的变形来逐步吸收碰撞能量、并迫使失控汽车改变方 向。其中立柱有h 型柱和圆型柱两种形式，波形梁护栏普遍用于路侧，当作为中 央分隔带护栏使用时可采用两种型式，即分设型和组合型。对于汽车越出路( 桥) 外，有可能造成严重后果的路段还可选择加强型波形梁护栏。 柔性护栏是一种具有较大缓冲能力的韧性护栏，是与刚性护栏相对应的另 一极端形式。缆索护栏是柔性护栏的主要代表，是用数根施加初张力的缆索其端 部固定于立柱上而组成的护栏，主要依靠缆索的拉应力来抵抗汽车的碰撞，吸收 碰撞能量。缆索在弹性范围内工作，几乎不需要更换。这种护栏形式美观，汽车 行驶时没有压迫感，但是中间端柱破坏后维修工作量很大，多数应用在对环境质 量要求较高的地方。 2 3 护栏的评价标准 要确定护栏达到什么样的性能要求才可称其为“好”，就必然涉及到生物力学、 人机工程学、交通事故统计及道路设施工程学等诸多学科，如乘员风险指标中各 向加速度允许槛值的确定就与人体对荷载的承受极限密切相关，车辆对护栏的最 大冲入距离、车体的最大倾斜角度及车辆转向后的弹出角等参数亦不能超过某一 具体范围等。由此可见，对护栏性能的评价是一个综合性的评估过程，需要从多 个角度和多个学科方面进行考裂2 6 1 。 护栏的安全性评价标准： 安全性评价标准是进行护栏性能评判的重要依据，目前国际上普遍认同的护 栏安全性能评判标准主要采用以下四个标准： 第二章护栏的基本理论 7 1 ) 结构完整性：这个标准要求护栏必须具有合适的几何尺寸，足够的结构强度 和良好的力学性能，避免护栏结构破坏时护栏部件对车辆和乘员造成伤害。 2 ) 车辆、乘员风险度：这个标准要求碰撞过程中车辆在特定时间间隔内的平均 加、减速度及乘员的速度改变量必须在安全允许范围内。 3 ) 护栏的吸能特性：这个标准要求利用护栏的塑性变形以及立柱的变形最大限 度的吸收车辆的动能。 4 ) 车辆的运行轨迹：这个标准要求在发生交通事故时肇事车辆的行为要控制在 一定的范围，特别是要控制车辆的回弹距离，以免造成二次事故。 文献 4 4 】给出了护栏防撞性能评价标准： 1 ) 每一种等级的各种形式护栏均应根据应用路段，按照评价等级相应的车辆总 质量，选择小型客车、大型车辆两种车型进行实车碰撞试验。小型客车主要进行 车内乘员头部性能指标、胸部性能指标、腿部性能指标、车体三方向加速度、车 辆运行轨迹等项目的测试；大型车辆主要进行护栏的防撞能力、最大动态变形量 和车辆运行轨迹等项目的测试。 2 ) 车辆与护栏发生碰撞时应能保证车内乘员的生命安全不受到严重伤害。 3 ) 护栏应能够有效地阻挡车辆并对车辆进行导向，禁止车辆任何形式的穿越、 骑跨、下穿护栏。 4 ) 护栏应有良好的导向性能，车辆碰撞后的驶出角度应小于碰撞角度的6 0 。 5 ) 碰撞后试验车应保持正常行驶姿态，不发生横转、掉头等现象。 6 ) 在碰撞过程中，脱离组件、碰撞碎片( 护栏的碎片) 或其他护栏上的碰撞物 不能侵入驾驶室内及阻挡驾驶员的视线。 7 ) 护栏的最大动态变形量。 刚性护栏最大动态变形量小于或等于l o c m ； 无论是哪一种形式的护栏，如果用于桥梁护栏，其护栏的最大动态变形量应 小于或等于5 0 c m ；半刚性三波梁护栏最大动态变形量小于或等于7 5 c m ；半刚性 双波梁护栏最大动态变形量小于或等于l o o c m ；柔性护栏可根据其安装位置参照 半刚性护栏最大动态变形量的指标。 8 ) 以上评价要素的每一款应满足标准要求，其中任何一条不符合本标准的规 定，均应视为改种护栏不符合要求，不宜在需要设置改等级护栏的路段上使用。 护栏的导向性 车辆碰撞后的驶出角度应小于碰撞角度的6 0 。 8 第二章护栏的基本理论 2 4 护栏的设计条件 确定护栏的结构形式，首先就要探求适合于我国国情的护栏设计条件。护栏 的设计条件决定了车辆与护栏碰撞时产生的冲撞力大小及车辆与护栏相互作用的 特征。车辆质量( 标准车型) 、碰撞速度和碰撞角度是护栏设计条件的三大要素】。 2 4 1 车辆质量 据统计分析得出，我国高速公路上行驶的小型车辆约占6 4 ( 包括小客、小 货) ，中型车辆约占2 0 左右( 包括中客、中货) ，大型车辆占1 7 ( 包括大客、 大货) ，拖挂车及其他超大型车辆不到2 ，因此，可以确定我国高速公路上占主 流的运行车辆是中型以下的客货车，其载客人数为1 9 人以下，载重吨位为7 t 以下。 另外考虑到大型客车的载客人数较多，从“以人为本”的目的出发，将大型车辆 重点考虑。综合以上各方面的资料将试验车的吨位等级定为1 5 t 小轿车、1 0 t 大型 货车或者客车、1 4 t 大型货车或者客车、1 8 t 大客车。 表2 - 1 车型分类表 t a b l e 2 1c a rc l a s s i f i c a t i o n 车型 小客中客大客超大客小货中货大货超大货 载人 5 0 分类 1 0 1 92 0 - 4 9 载货 1 4 t ( 包括 1 6 0 31 08 02 0 2 8 0 41 48 02 0 4 0 0 5 1 88 02 0 5 2 0 特殊设计护栏：需要特殊设计的公路，如集装箱占有率高、跨越非常重要 6 的建筑区等，各项指标可根据公路设计的实际情况具体确定 第三章缆索护栏的力学模型分析 第三章缆索护栏的力学模型分析 缆索护栏足一种以数根施加了初拉力的缆索固定于支柱上的柔性护栏结构， 它主要依靠缆索的拉应力来抵抗车辆的碰撞并吸收能量，在弹性范围内，具有较 大韧性缓冲能力，即所谓的“咀柔克刚”。 汽车与缆索护栏的碰撞是一个极为复杂的问题。从汽车撞击缆索护栏的过程 来看，这是一个典型的大位移、大转动、大应变且具有未知约束的强非线性问题。 在这一复杂的撞击过程中，缆索的拉应力随着汽车的相对运动不断变化，缆索和 中间立柱的摩擦力则随着缆索拉应力的变化而变化，这一变化又影响着汽车的运 动轨迹。 缆索护栏主要南防阻块( 上、下两部分) 、缆索、固定缆索部件、立柱等组成， 防阻块南螺栓固定在立柱上。缆索由固定缆索部件安装在防阻块e 。缆索护栏结 构如图3 - 1 所示。 图3 一t 缆索护栏的结构 f i g3 - 1 t h e8 h a l c t l l r e o f t h ec a b l e b a r r i e r 缆索 护栏采用5 根平行缆索，由优质碳素结构钢制造。缆索要求表面镀锌、右拧， 具有较高的强度和抗腐蚀性能。 护栏立柱 护栏屯柱包括端部立柱和中间立柱，是主要的受力构件。端部立柱承受缆索 拉力和失控车辆碰撞力，采用三角形支架的稳定结构，铸钢制造。中间立柱在拦 截过程中承受较大的冲击力，需要有较大的抗弯刚度和抗扭刚度，采用圆筒型焊 管支撑架，普通碳素结构钢板制造。 防阻块 防阻块也称为钢索托架，与立柱采用的材料相同。除具有结构保持功能( 支 撑缆索、保持距离和形态等) 外，还具有缓冲吸能、减少绊阻等作用。 缆索和支撑架的高度丰要考虑碰撞车辆的作用位置，既要防止大型车辆不越 出路外，又要防止小型车辆钻入缆索下面。缆索之间的距离分布主要考虑使碰撞 第三章缆索护栏的力学模型分析 力尽量均匀，使尽可能多的缆索共同承受碰撞力。缆索固定部件采用可滑动的连 接，对缆索的自由度限制较少。在拦截过程中缆索可以依靠弹性拉长来吸收碰撞 能量，同时产生较为理想的变形曲线使得车辆能够顺利导出。 3 1 车辆与缆索护栏的碰撞过程及相互作用原理 汽车与护栏相撞过程一般可分解为四个阶段：车头角位碰撞、侧面擦过护栏、 车尾角位碰撞、车辆返回车道，如图3 2 所示， ( 1 ) 车头恁位碰撞 ( 2 ) 侧面擦过护栏 一 ，包= 淘之o ，1 ( 3 ) 车尾角位碰撞( 4 ) 车辆返埘车邀 图3 2 车辆一护栏碰撞过程示意图 f i g 3 - 2v e h i c l e s - g u a r dr a i l sc o l l i s i o np r o c e s s 从汽车撞击护栏过程的力学分析可知：车辆与护栏碰撞的瞬间车辆对护栏 的作用力可分解为横向力和纵向力。横向力垂直于护栏纵平面，由护栏反作用力 平衡。纵向力沿着护栏纵平面作用，并取决于车辆与护栏间的摩擦系数和横向冲 击力的大小，而横向冲击力往往是纵向力的6 8 倍，所以我们主要考虑横向冲击力 的作用。碰撞车辆在此两方向阻力的作用下，车辆运动速度减慢，并以某一角速 度转向( 如图3 1 ) 。角速度的大小与相对于车辆质心的上升力的力矩差成正比， 与车辆的惯性矩成反比。如横向力引起的力矩大于纵向力产生的力矩，车辆将侧 靠护栏，产生车辆运动轨迹的校正；反之产生车辆横向打转或翻滚等不良后果。 良好的护栏结构应具有较好的消减碰撞能量的功能，并能校正车辆的运动轨迹， 以保护失控车辆和乘员的安全，减轻事故的严重程度。 柔性护栏是通过碰撞过程中护栏自身的塑性变形来吸收肇事车辆的动能达到 拦阻车辆的目的。柔性护栏对入侵角的适应范围广，对肇事车辆进行拦阻时车辆 的减速度小，有利于保障车上乘员的安全，但是需要路侧有较大宽度做为缓冲地 带，使公路占地面积增大。 1 2 第三章缆索护栏的力学模型分析 3 2 缆索护栏简化计算模型分析 汽车与缆索护栏发生碰撞时，进行如下假设：1 ) 碰撞过程中，只考虑在水平 面上的轨迹，将三维问题简化为二维问题；2 ) 认为端柱、中间柱的埋置端为固端， 简化为悬臂梁，梁长为地面以上的高度；3 ) 中间立柱将其简化为理想的钢塑性梁， 即没有硬化或者软化问题，一旦屈服，即形成塑性铰( 铰点为地基的上边缘与立 柱的交点) 在正反两方向均不能再承受附d n j , b 力；立柱的扭转变形忽略不计；4 ) 碰撞过程中缆索的变形在弹性范围内，在纵向满足关系：o = ee ，f = ao = a e ， 其中占为应变，按占= a i i i 计算，仃为缆索拉应力，e 为缆索的弹性模量，a 为缆 索横截面积，f 为缆索拉力，为缆索单跨长度；5 ) 忽略车体本身的变形，将失控 车辆简化为一质点即将车的刚性平面运动简化为质点的平面运动，另外失控车辆 靠缆索的拉力改变方向；6 ) 失控车辆与缆索之间以及车辆与地面之间的摩擦忽略 不计；7 ) 防阻块吸收的能量忽略不计；插销对缆索的约束忽略不计；8 ) 假定5 根缆索同时受力。 基于以上假设：当车辆与护栏碰撞的渐变过程中，遵循能量守恒定律、动量 定理和牛顿第二定律。假设碰撞车辆横向最大位移点位于第f 根立柱与第i + 1 根立 柱之间，到第f 立柱的距离为m ( 如图3 所示) ，初始速度为1 ，。本文只考虑垂直于 护栏方向的速度分量对质点( 汽车) 运动情况的影响，即横向速度。设横向速度 初始值为v = v o s i n 0 ，其中p 为车辆与护栏的碰撞角度。当质点横向速度1 ，= 0 时， 所用的时间为t ，质点所运行的距离为s 。在t 时刻( t 0 ，t 】) 质点的横向速度为1 ， 缆索护栏的各个部分受力平衡，护栏总长度为l = k ，其中k 为缆索护栏的跨数， ，为缆索护栏的单跨长度。 动力平衡 在任意时刻第f 根立柱沿护栏方向两侧受力平衡，如图3 3 所示： 柱 至生一一_ = 图3 - 3 动力平衡图 f i g 3 3d y n a m i ce q u i l i b r i u m 第三章缆索护栏的力学模型分析 1 3 乃1 + = f f ( i ) = z 。s i n s 一( z 1 + z 。) s i n o , q 其中：z f 时刻f 跨缆索拉力，f = t o + e x a x 占j 正h f b c 亥e j i 一1 跨缆索拉力，霉卜1 = t o + e x a x 6 t h 一f 时刻缆索与f 立柱的摩擦力 f ( i 1 一第f 根立柱所受横向力合力 瓦一缆索护栏的初拉力 e 一缆索的弹性模量 彳一缆索横截面积 占，占j 一分别为t 时刻第f 一1 和i 跨缆索的应变 代入( 2 1 ) 式得： 式( 3 1 ) 式( 3 2 ) s 尸+ 南2 s ； 式( 3 3 ) e 彳 、 能量守恒 在碰撞过程中质点一缆索护栏体系遵循能量守恒，即车辆动能的变化完全转 化为立柱的变形能、缆索的变形能和缆索与防阻块之间摩擦力所做的功： 施= u 。+ + u 3 ， 式( 3 4 ) 其中：z h f 时刻i 一1 跨缆索拉力，正h = t o + e a 占， u ，第i 根立柱的吸收的变形能 形疗一缆索与f 立柱接触处摩擦力所做的功 u ，一缆索在z 段的变形能 对于( 2 4 ) 式的右边分两种情况： 第一种情况是中间立柱没有屈服，第f 中间立柱的变形能： u l i = 攀 式( 3 5 ) 式中：m ( h 。) 一第，l 根缆索对立柱产生的正压力对地面的弯矩 办。一第疗根缆索距地面的高度 刀一受力缆索的根数 5 根缆索同时受力时： 玑，：2 5 f ( i ) 2 1 3 m “一2 5 f ( i ) 2 1 2 一, d + 5 f ( i ) 2 d 2 1 一一翌丛业式( 3 6 ) 1 。 3 e ie 2 e 3 6 e 1 、7 1 4 第三章缆索护栏的力学模型分析 式中：，( f ) 一第f 立柱所受横向合力，( 见图3 - 3 ) k 一受力缆索最大离地距离 d 一缆索间距 缆索与第i 根立柱之间的摩擦力做功为： = ( f ) a i = i t l i ：n ( i ) 6 l d t 式( 3 7 ) 式中：( f ) 外力在摩擦力法向的合力( 图3 - 3 ) ，( f ) = z s i n ( o ? 一啡。1 ) 一缆索与防阻块之间的摩擦系数。 第，l 缆索的变形能为： ，= fz 占0 d t 式( 3 8 ) 第二种情况是中间立柱有屈服的，假设第f 根立柱在时刻屈服，第f 一1 根立 柱没有屈服，共有p 根屈服，则 衄= u ，+ + = ( “+ ) + ( 壹+ 兰哆t + 坫，式( 3 9 ) 式中：u 一已屈服的立柱所吸收的变形能 u ，一未屈服的立柱所吸收的变形能 艺嘭一已屈服的p 根立柱在屈服之前摩擦力所做的功 已屈服的立柱所吸收的能量为： v = m = e m z 刖? h - 式( 3 1 0 ) 式中：m 。一立柱的屈服弯矩，m l = 2 0 s s 立柱的屈服应力 s 立柱的静矩 p 一屈服立柱的根数 摩擦力在立柱屈服前所消耗的能量为： 形= ，( f ) s t d t 式( 3 1 1 ) 第三章缆索护栏的力学模型分析 1 5 在碰撞过程中能量守恒，质点的动能的变化量为： 丝= 1 m ( v ；一t )式( 3 1 2 ) 其中业在式( 2 4 ) 中求出，进而求得在t 时刻( t e o ，t ) 质点的横向速 度1 ，根据动量定理： m v t m v o = f c - d t 式( 3 1 3 ) 式中：m 一质点的质量 v o 一扛0 时刻质点的横向速度 ，一f 时刻的横向速度 e f 时刻质点所受外力的合力 再由牛顿第二定律可求得质点在t 时刻的加速度a ，得： 口：生 m 式( 3 1 4 ) 边界条件 无论中间立柱是否屈服，质点横向位移量、缆索伸长量和缆索的原长符合勾 股定理。 8 图3 - 4 中间立柱未屈服时质点的位移 f i g 3 - 4t h ed i s p l a c e m e n to f p a r t i c l ew h e nt h em i d d l ec o l