（道路与铁道工程专业论文）汽车——半刚性护栏碰撞机理研究.pdf

捅要 摘要 高速公路交通事故频发、事故严重度较高。其中高速公路交通事故中 路侧事故占总事故数的2 0 ，而且大部分路侧事故均是由于没有设置护栏 或者护栏设置不当造成的，所以分析汽车与高速公路护栏碰撞的事故，研 究护栏的防护性能及提出护栏防护性能的改进方法，已引起了世界各国的 日益重视。 文章首先对国内高速公路的发展情况和高速公路交通事故情况进行了 统计分析，重点分析了路侧事故的车型构成和事故形态，阐述了半刚性护 栏的结构特点和材料特点以及护栏的设计原则，详细分析了汽车与半刚性 护栏的设计条件和碰撞条件( 碰撞角度、碰撞速度、碰撞车质量) ，得出 了三个结论：发生在高速公路路侧碰撞护栏事故的车型中主要车型是小客 车，占事故车辆总数的7 0 ：碰撞角度值是2 0 6 ：碰撞速度是1 0 0 l ：耐h 。 文章详细讨论了汽车半刚性护栏碰撞系统的碰撞假设条件，采用 计算机仿真技术，使用不同的软件( 波形梁护栏三维模型设计软件u g 、波 形梁护栏模型进行网格划分和参数设定软件h y p 酬e s h 、有限元分析软件 a n s y s ( l s ，d 1 n q a ) ) ，针对波形梁护栏和小型车建立了汽车半刚性 护栏碰撞的仿真模型。对模型的网格划分和参数设定进行全面的整理和修 正。深入研究护栏在碰撞过程中所表现出的变形特性和对碰撞能量的吸收 特性，得出了一些结论：汽车在碰撞过程中没有出现钻入、骑跨、翻越等 现象：汽车在碰撞过程中三个方向的质心最大加速度值均大于人的心脏的 最大承受能力值( 2 0 9 ) ；护栏板的最大侧向偏移是6 2 哪，低于最大允许 值1 0 0 c m 。据此提出半刚性护栏的改进措施，降低连接螺栓的强度，经过 再一次的实验，护栏的防护性能大大提高。 关键字：高速公路；半刚性护栏；碰撞条件；计算机仿真；护栏改进 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e 丘c q u 吼c yo f 订a m ca c d d e n t s 恤t h a p p e i lo nm eh i 曲w a y ，a n dd e g r e e o fs e v e r i t yi sl l i 曲a m o n gt h 锄船a r l y2 0 a c c i d t sa r er o a d s i d ea c d d e 吣 m o s to fm a d s i d ea c c i d t sa r ed u ct oh a v i n gn os c t t i n gg i l 删l so rp o s i t i o no f g l l a r d r a i l si s 蜘s e s o 缸a l y z i n g 吐坨a c c i d e n t so fv d _ l i c l ec 啪hg u 蹦玉r a i l ， r e s 删n gs l l i e l 曲1 9p 曲l i i l a n c eo f9 1 1 枷1锄da d v a n c 访gm e s u r co f i m p r o v i i l go ns h d d i n gp 曲m l 姐c eo f 沁i th 蹈b e e na r i s e i li i l c r e a s i i l 酉y m c o g n i z ei i lt l l ew o d d a t 丘r s t 吐吐sp 印盯s t a t z e st l l ed e v e l o p m e mo fh i 曲w a yi i lq 曲a 卸d a c c i d e n t so fh i 霉1 w a yf i r s to fa l l ，锄1 p h a s i sv e h i c l 髓c o n s t i t u t c sa b o u tr o a d s i d e a c c 主d e n t sa n da c c i d e n t s s h a p e ，锄a ：l y z e sc o 丘g u r 砒o n 匝dm a t e r i 8 l c h 啪c t e r i s t i c so fw b e 锄删d e s i 弘p r i n c i p l eo fi t ，懿p a t i a t e sd e s i 驴c o n d i t i o n a n dc o l l i s i o nc o n d i 舶n ( c o l l i s i o n 柚窜e 、c o l l i s i o ns p e e d 、m a s so fe x p e r i m 跖t a l v e 】：l i d e ) o fv e 】_ l i c l ea i l dw - b e a mi nd e t a i l ，a n df i n dt l l r c ec o n c l u s i o i 塔：c a ri s m o s n yv e h i d eo f c o n l l i d i n gb a r r i c ri n c i d e n tv 越d ec o m p o s i i l go n 矗e e w a y ，i ti s s e v e n t yp e r c e n to ft o t a l ；c o l l i s i o na n 西ei st w t yd e g r e e ；c o l l i s i o ns p e e di so n e h m d f e dk i l o m e h sp e rh o w t h sp a p e rd 印i c ts u p p o s e sn l ec o n 击d o no fc o l l i s i o n ，a d o p ts i m u l a t i o n t e c h n i co fc o m p l l t e r ，m a k eu s eo fd i f 矗玎e n ts o 脚a r e s ( u ( 卜一d e s i g n i n gt b r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f w b e 跏、h y p e r m e s h - _ p l o t i n g 鲥da n de 1 1 a c t i n gm o d e l p a r 锄吐e ro fw - b 锄、a n s y s ( l s d y n a ) 一一a 1 1 a l y s i s i n gf i n i t ee 1 锄e n t m o d e l ) ，m o d e l i n gs y s t 吼o fw b e 锄孤dc a r p l o t t i n g 面d 蛐ds e m r 培 p a r 锄酏哪e n t i r e l y ，r c s e 疵i l i n gd e 印l yd i 咖枷n gc h a r a c t e r i s t i c 锄da d o p t i n g e n e r g ye h 缸a c t e d s d co fw b e 鼬e d l l c m gs e v e r “c o n c l u s i o n ，c a rd o n tg c t i n t o 、r i d e0 no rt i l mo v e rb 硎盯i ni m p a c t i i l g ；t h em o s ta c c e l 训o no fc 盯s c e n 廿b i da l o n g 也r e ea x i si sm o r et h 8 i l 托c e i v ev a l u 怕臌i t yg 腿v i t y ) o f h e a r t ；也e m o s ts i d ec x c u r s i o no fw b e a mi ss i s t y 却oc e n t i m e 帆u n d e fm o s tp e r l i s s i o n v “u e ( 0 n et m n d r e dc 蚰d m c t e r ) a 如锄c e 锄锄d a t o 掣m s u r eo fw - b e a m ， t 1 1 】u 曲m o r ee x p c r i m e n t a t i o n so fr e d u c i l l gi m e i l s i o no fb 0 1 t ，a 慨l c eg r e a t l y d e f 矗d i n gp e r f 0 姗a n c eo f b a 耐既 ，i i 摘要 k e y w o r d s ：h i g h w a ”w - b e 锄； c o l l i s i o nc o n d i d o n ； c o m p u t e rs i m u l 撕o n ： g u a r d r a i lb e t t e m e n t - 1 1 1 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研 究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：盏四趁日期：迎： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：蕴国蕴z 导师签名：竭i k 錾 日期：迎：如 第1 章绪论 目前，我国的交通事故问题是一个大难题，已成为当今社会的一个工 作重点，统计资料表明：我国的汽车总拥有量只占世界的2 ，而交通事故 死亡人数却占世界的1 4 。从1 9 7 0 年到1 9 8 5 年的1 5 年中，我国累计发生 车祸伤1 3 2 万人死2 7 万人。1 9 8 5 年后，汽车拥有量剧增，交通事故也剧 增。由表卜1 可以看出，我国近年来交通事故次数、死亡人数、以及经济 损失都有大幅度的增加，我国高速公路的交通安全状况形式严峻。因此， 研究我国高速公路的交通安全问题具有重要意义。 表1 1 我国近年来交通事故统计袭 丁出l el lt m 佑ca c c i d 髓t8 缸h s t j c so f c h i 丑aj nt e c 铀日yy 髑凸 年份事故次数死亡人数受伤人数直接经济损失( 元)万车死亡率 1 9 9 02 5 0 2 9 74 9 2 7 l1 5 5 0 7 23 6 3 5 4 8 1 1 43 3 3 8 1 9 9 12 6 4 8 1 7 5 3 2 9 21 6 2 0 1 9 4 2 8 3 5 9 7 4 93 2 1 5 1 9 9 22 2 8 2 7 85 8 7 2 91 4 4 2 6 46 4 4 9 2 9 6 3 63 0 1 9 1 9 9 3 2 4 2 3 4 3 6 3 5 0 81 4 2 2 5 l 9 9 9 0 7 0 1 2 l 2 7 2 4 1 9 9 42 5 3 5 3 76 6 3 6 21 4 8 8 1 71 3 3 3 8 2 7 2 2 32 4 2 6 1 9 9 52 7 1 8 4 37 1 4 9 41 5 9 3 0 81 5 2 0 0 0 0 0 0 02 2 4 1 9 9 62 8 7 6 8 67 3 6 5 51 7 4 4 4 71 7 2 0 0 0 0 0 0 02 0 1 1 9 9 73 0 0 0 0 07 3 8 6 l1 9 0 1 2 81 8 5 0 0 0 0 0 0 01 7 5 1 9 9 83 4 6 1 9 27 8 0 6 82 2 2 7 2 1 1 9 3 0 0 0 0 0 0 01 7 3 1 9 9 94 i 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 02 1 2 4 0 1 0 0 0 01 5 ，4 5 2 0 0 06 1 6 9 7 49 3 4 9 34 1 2 7 8 22 6 6 9 0 加0 0 01 5 印 2 0 0 l7 6 0 3 2 71 0 6 3 6 75 4 9 0 0 03 0 9 0 0 0 0 0 0 01 5 。4 6 2 0 0 27 7 3 7 3 71 0 9 3 8 l5 6 2 0 7 43 3 2 4 0 0 0 0 0 01 3 ，7 l 2 0 0 36 6 7 5 0 71 0 4 3 7 24 9 4 1 7 43 3 7 0 0 0 0 0 0 0 2 0 0 45 1 7 8 8 91 0 7 0 7 74 8 0 8 6 42 3 9 0 0 0 0 0 0 09 9 0 2 0 0 54 5 0 2 6 49 8 7 3 84 6 9 9 1 11 8 8 0 0 0 0 0 0 07 6 0 在高速公路上设置安全设施的目的就是要减少交通事故、降低事故的 严重度，而在所有的交通设施当中最有实效的方法之就是路侧设置防护 栏。目前，我国对于护栏的设计还是沿用国外的一些方法，而我国的道路 条件和国外的又有区别，因此，根据我国的实际道路条件研究出一套切实 可行的设计方法尤为重要。 可行的设计方法尤为重要。 1 北京工业大学工学硕士学位论文 1 1 研究背景、目的及意义 在1 9 8 7 1 9 9 2 年这5 年中，西欧交通量上升了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：英国 的车祸死亡率由每公里1 8 人亿车降低到1 1 人亿车。【6 】由于西方国家对 公路护栏的安全性能进行了大量的研究工作，各种新型护栏不断出现并被 广泛使用，所以在这些国家里交通事故正在逐年减少，由事故造成的损失 也随之大为减轻。再来看看我国目前的情况。 4 0 0 0 0 3 5 0 0 0 盆3 0 0 0 0 艇2 5 0 0 0 舔2 0 0 0 0 一-排1 5 0 0 0 一_- 嘲l 0 0 0 0 _- 5 0 0 0 _ _ _ _ _ u 1 9 9 71 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 12 0 0 22 0 0 32 0 0 42 0 0 5 年份 一-_ _ _ _u 1997 1 9 9 81 9 9 92 0 0 0 2 0 0 12 0 0 22 0 0 3年份 第l 章绪论 图l - 3 我国某高速公路路侧有无护栏事故对比图 f i g l 一3b c i d e n tc 眦p a f i s o na f s c m n g 目壕如i l so r n o to no u rc o 哪自吵s 丘e 哪幢y 图1 4 我国某高速公路交通事故不同事故形态比例及致死率对比图 f i g l l 豫l - 4 a n k i n d s o f a c c 址c o n 6 9 u r 撕o n a n d m r 乜l 时呲e c o n t r s t o f 订a 伍ca c c i d e n t o f 自w a y i nc h i n a 从图1 1 、图1 2 、图1 3 、图l _ 4 可以看出，我国目前正处于交通事故 的高发期。在高速公路里程增加的情况下，我国的交通事故也呈现增加的 趋势。交通事故所造成人员和财产的损失也是非常巨大的，因此对高速公 路护栏的防护性能进行研究并提高其防护性能，将交通事故所造成的损失 降低到最小程度具有重大现实意义。 目前对我国高速公路上设置的半刚性护栏的研究已形成基本雏形，但 具体试验设计中的关键问题( 如汽车与护栏模型的建立、材料参数的选择、 碰撞条件的确定) 的处理上，还有待深入研究，应给出在实践应用中简单 1 北京工业大学工学硕士学位论文 易行的方法。另外还有一些具体细节问题有待完善。因此有必要对汽车与 高速公路护栏碰撞的规律进行研究，对护栏结构进行改进，采用新的材料， 增加护栏在碰撞事故过程中吸收能量的能力，从整体上提高护栏的防护性 能。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 护栏作为高速公路上的主要安全设施，在世界范围内受到了人们的广 泛重视。公路交通较发达的国家在高速公路出现的初期就着手进行护栏结 构的研究。例如：在美国，人们从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，通过实车足尺碰撞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，制定了有关护栏形式的选择、结 构设计、实验方法、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。美国国家研究会交通研究所在1 9 8 1 年制定了高速公路安全设施的 评价标准，在1 9 7 0 年和1 9 8 6 年先后组织了高速公路护栏结构及各种安全 设施的一系列的研究工作以及编写各种设计规范。在欧洲，如法国、英国、 德国等国家也在很早就开始了护栏结构的研究工作，建立健全了一整套的 实验设施和相应的实验规程，从理论上和实验上研究了多种类型的护栏结 构。日本于5 0 年代开始这方面的研究工作，名神高速公路开始使用护栏。 在短短十几年中，以日本道路工团、日本道路协会、建设省土木研究中心 联合有关大学、护栏生产厂家，对各种护栏结构进行了广泛的开发研究， 并于1 9 6 5 年制定了护栏设置纲要，在护栏的适用范围、结构设计、功能要 求、施工安装等方面做了明确的规定。其他许多国家，大致在5 0 6 0 年代， 也相继开展了自己的护栏结构的设计标准研究。【1 睢1 8 】 国外不少研究人员对汽车与路侧设施的碰撞进行了广泛而深入的研 究，并将碰撞试验所得的结果与用计算机仿真模拟得到的结果进行比较分 析。m i l l 盯和c a n l e y 介绍了使用l s d q a 程序模拟在重型车和轻型车 的高速碰撞下，美国康涅狄格州碰撞衰减系统n c i a s 的吸能特性。将有限 元仿真和足尺碰撞试验的结果进行了比较，如加速度一时间、速度一时间、 d 第l 苹绪论 位移一时间曲线，结果非常一致，并建议将这种计算机仿真工具更广泛地 用于道路安全性能的研究。r ( m c r t1 1 l o m s o n 对路侧和路中护栏系统的安全 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的 要求始于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 2 3 0 报告( 1 9 8 1 ) 和3 5 0 报告( 1 9 9 3 ) ，欧洲的试验条件，在p r e n l 3 1 7 标准中进行了说明。 在碰撞事故中护栏能吸收撞击能。不同的护栏吸收撞击能的方式不同， 安装护栏的目的也就不同。美国交通运输安全署( a a s h t o ) 在路边护栏 指南中把护栏分为3 类：柔性系统、半刚性系统和刚性系统。 西欧标准委员会关于“道路安全护栏”指导工作小组则指出： ( 1 ) 对于通常道路范畴和道路分段主要用无张力能量吸收型护栏系统； ( 2 ) 特殊路段，保护那些没有涉及到事故中的第三者如铁路、学校和工 厂，使用有张力或刚性系统的道路护栏。 对于在什么情况下适用什么类型的护栏以及护栏所表现出的性能，已 经有入做了进一步的比较研究。如法国1 9 9 3 年就有了钢护栏和水泥混凝土 护栏对比研究统计结果。法国国际交通安全研究所( i n r j 玎s ) 1 9 9 2 年对法 国1 0 0 0 k m 公路的汽车事故统计数据表明：道路中间钢护栏事故指标明显 优于混凝土护栏，如表1 2 所示 表1 _ 2 碰撞护栏事故对比 t 刍b l e1 2c o n 订懿to f c r 拈hb 岫盯 护栏形式 事故性质 混凝土钢 无伤害事故，次舾n 0 5 l0 5 l 路边护栏有伤害事故。次胁 0 0 8o 0 6 其中翻车， l l1 1 无伤害事故，次触 0 5 4o 5 7 路中护栏有伤害事故，次缅 0 1 40 0 5 其中翻车， 2 08 4 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 国内研究现状 我国在“七五”期间就已开始针对高速公路的护栏设计、生产与施工 等方面展开了研究工作。最初，尽管在我国高速公路上已经安装了各种结 构形式的护栏，但是其设计基本都是参照国外有关标准和规范进行的，而 且对于修改的部分也没有充分的科学依据。1 9 9 2 年前后，中国公路工程咨 询监理总公司组织有关人员对全国已通车的高速公路护栏的使用情况做了 调查。据此拟定了“波形梁护栏实车碰撞试验方案”，联系了近十个单位， 组织了近百人的试验研究课题组，进行了一年多的工作，完成了我国第一 次实车足尺碰撞试验的研究任务，建立了一整套的试验方法和设施。该结 构形式已应用于首都机场高速公路，并作为我国公路护栏的基本结构形式 列入交通行业标准，在全国推广应用。1 9 9 2 年底，交通部公路科学研究所 在总结全国护栏实际应用的基础上，推出了新型的变截面波形梁护栏结构 形式。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；1 9 9 7 年，交通部公路科学研究所又开发了可用 于高速公路设施碰撞研究的试验手段，为防撞护栏的试验研究创造了更好 的条件。近年来随着经济建设的发展和高速公路的投入运营，重型车和大 型车的比例迅速增加，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，从而引发严重的交通事故。2 0 0 0 年 交通部编写了公路三波形梁钢护栏行业标准并推广应用，主要用于重 型车、大型车比例大的路段和山区高速公路等地形不利的地方。 8 0 年代中期以来，我国开展了对护栏形式及防撞性能的研究，首先从 护栏的结构、安全性、景观影响、气象条件及经济性等多个方面分析了各 种护栏的适用性，提出了适合我国高速公路的护栏形式。接着针对波形梁 护栏的结构开展了实体护栏的模态分析及摆锤冲击试验、模型( 缩尺) 护 栏的模态分析及破坏试验、汽车与波形梁护栏碰撞的计算机模拟等。【2 2 2 3 0 4 】 通过一系列的试验研究，提出了适合我国高速公路的波形梁护栏的合理结 构。在安全护栏试验研究的基础上，结合我国高速公路护栏设计、制造、 施工安装积累的成功经验，我国于9 0 年代初制订了高速公路交通安全设 第l 章绪论 施设计及施工技术规范( j t j 0 7 4 9 4 ) ，规定了波形梁护栏、缆索护栏、 混凝土护栏的设计要求、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) 。陆3 5 ，8 】 虽然我国的防撞护栏在理论和实践上都取得了一定的进步，但总体水 平上和国外相比还有很大的差距，汽车和护栏相撞的动力学过程相当复杂， 这方面的研究尚不完善。目前国际上仍采用足尺碰撞实验来对各种护栏的 性能进行评价。但由于各国的实际情况不同，标准差别很大，主要受两个 方面的影响；一是车型的大小，二是最高限速值的高低。因为护栏的设计 条件决定了车辆与护栏碰撞时产生的冲击力大小及车辆与护栏相互作用的 特性，所以要确定我国护栏的结构形式，首先就要探求适合于我国国情的 护栏设计条件。 综合以上我国对于高速公路护栏的研究，以及对我国某高速公路的护 栏的实际状况的调查分析，目前，我国高速公路护栏在设计上还存在一些 问题。 首先，护栏设计中碰撞角度的选取。我国在一些试验中碰撞角度的选 取还是沿用国外的经验，并没有针对我国高速公路路侧事故情况进行分析， 只有从实际的发生碰撞的事故中得出这些设计数据才更有说服力，更有助 于对我国高速公路护栏的研究。 其次，采取计算机仿真的方法研究护栏的性能的时候，汽车与护栏模 型的建立。以往的研究中只是简单的把汽车作为一个刚体来研究，汽车车 轮的运动还是与实际有一定差别的平动，而实际的碰撞过程中，汽车车轮 是转动运动的。 再次，仿真软件的选择。既然采取使用计算机仿真分析的方法，仿真 软件的选择很重要，好的软件更能真实地反映现实。 本文就针对我国护栏研究中存在的以上问题进行分析。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 3 研究内容 1 3 1 碰撞角度的研究 汽车与护栏的碰撞条件有三种：碰撞角度、碰撞速度、碰撞车质量。 碰撞角度是指汽车碰撞护栏时汽车纵向轴线与护栏纵面之间的夹角，国内 外的研究资料表明，轿车的碰撞角度一般为1 5 。3 0 0 ，大型车的碰撞角度 为1 0 。 2 0 0 。大角度的碰撞，有时甚至是直角碰撞的情况，一般发生在汽 车与护栏端部的碰撞。本文不涉及汽车与护栏端部的碰撞，因此没有考虑 大角度的碰撞。 1 3 2 碰撞系统模型的建立 在以往的研究中，人们常常将汽车作为一个刚体来研究，汽车在仿真 环境中的运动是以一个整体平移的运动，这将增大汽车与地面之间的摩擦， 仿真的结果将受到部分影响。在本文中建立的汽车模型是四轮转动的，汽 车靠着四轮的滚动冲向护栏，这更加接近真实的碰撞环境。 1 3 3 仿真方法的选择 目前数值模拟方法主要有多体动力学法、机械振动学法和有限元法。 有限元法是把复杂的结构分成很多小单元，这些小单元的应力应变关系很 容易近似得到。软件通过在单元上施加动平衡条件和边界条件来计算每个 单元的位移和应力。护栏在事故中具有大变形、几何与材料非线性变化的 特性，这种性质使人们很难对他们的动力学响应做出预测。直到2 0 世纪8 0 年代，非线性有限元分析技术才得以用来解决这些碰撞问题。 汽车发生碰撞时，其运动轨迹以及车内乘员的运动状态往往十分复杂， 因此运动方程式的建立和求解也都很复杂。由于在碰撞过程中，人和车的 运动规律不同，再加上车身发生大变形并引起仪表板、前围板等零件缩入 乘客室内，减少了人体与室内物体的距离，也使得问题求解复杂化。因此， 选择合适的大型计算软件对于解决这类复杂问题十分重要，而且这种软件 更能准确地说明问题。 第l 苹绪论 因此，本文想尝试用有限元的方法对汽车与护栏碰撞系统建立模型， 并对参数给予综合考虑。 1 3 4 护栏防护性能分析 护栏的模型和材料参数一旦确定，它的防护性能直接取决于汽车的碰 撞条件，同一种护栏对于不同的碰撞条件表现出来的性能是不同的，因此 本文采用高速公路上最可能发生的碰撞状况作为碰撞条件。以此来分析我 国现有护栏的防护性能，提出护栏的改进方法。 1 4 研究方法 本文基于对实际的碰撞试验进行观察分析，找出碰撞过程中汽车与护 栏表现出来的特殊性质进行假设，以统计学为工具，对我国高速公路路侧 交通事故的事故形态进行分析，对高速公路上行驶车流的车型及事故车型 进行分析。从系统的角度，对汽车一高速公路半刚性护栏碰撞系统的机理 进行深入研究，建立一套与实际相符的护栏仿真模型。以此作为仿真的基 本条件进行护栏碰撞仿真分析，找出护栏在防护车辆碰撞的过程中存在的 问题，并提出相应的改进措施。 第2 章某高速公路路侧事故碰撞特性分析 第2 章某高速公路路侧事故碰撞特性分析 国内某高速公路全线事故样本统计资料，全线共有2 8 9 2 起交通事故， 有2 5 3 8 起事故有形态信息，2 9 l 起事故没有事故形态信息。从图2 1 中可 以看出事故发生最多的是尾随相撞( 共1 3 5 9 起，占事故总数的5 3 5 5 ) 、 侧面相撞( 共3 4 8 起，占事故总数的1 3 7 1 ) 以及路侧事故( 共5 9 2 起， 占事故总数的2 3 3 3 ) 。需要说明的是路侧事故统计中包括边沟事故、护 栏事故和撞固定物事故。 图2 1 全线事故形态百分比 f i g u m2 1t h ep e 吲m to f d 堪醯n ta c c i d 曲ts h a p 翳a 1 1t h er o a d 2 1 事故形态特性分析 2 1 1 撞中央护栏、路侧护栏的事故 在样本路段的路侧事故中，撞护栏事故共1 1 5 起，占全部有事故形态 北京工业大学工学硕士学位论文 事故的1 6 5 ( 其中共8 0 起是撞到了中央护栏，2 7 起撞到路侧护栏、包括 匝道护栏，其余8 起没有明确说明护栏的种类) 。这些事故中死亡9 人， 只占死亡人数的7 6 ，相对于事故比例来说，死亡人数不高，说明事故严 重程度通常不太大。 值得注意的是，9 起属于其它事故形态( 如侧面相撞) 引发车辆撞到护 栏；1 0 起事故车辆在撞护栏后又翻入边沟，占9 。这就说明，撞护栏可 能是二次事故引起的或者会诱发二次事故，要想避免这类二次事故需要合 理的设计护栏，使汽车撞护栏后的弹出角度、弹出速度不要太大。 路侧事故形态的护栏事故中，撞中央护栏的事故频率高于路侧护栏事 故，但路侧护栏事故后果的严重程度比较高( 撞中央护栏事故1 6 1 起，占 事故总数6 3 4 ，平均每起事故死亡o 1 6 入；撞路侧护栏事故4 4 起，占事 故总数的1 7 3 ，平均每起事故死亡0 2 1 人) ，这可能与路侧护栏有很多 裸露的端头危险性加大、撞路侧护栏后很可能伴随冲出路外，同时正好有 障碍物有关。 2 1 2 路侧边沟事故 路侧事故形态不同的边沟事故又可分为两类，一类是翻入边沟，另一 类是驶入边沟，这两种事故形态的区别就在于前者车辆翻车而后者车辆不 翻，从图2 一l 中还可以看出，翻入边沟的频率并没有明显高于驶入边沟。 而按照常理，驶入边沟的车辆没有发生翻车，严重程度较轻，事故伤亡人 数应该较少，但数据统计的结果表明，事实并非如此，两者的情况基本相 同，由此可以推断边坡过陡和路侧有危险障碍物也是非常危险的。 在样本路段的路侧事故中，对于涉及边沟的事故形态描述中，有的描 述为“冲入路侧边沟”，有的描述为“翻入路侧边沟”，但实质性的问题 是事故是否与边沟相关。为此，把这两类事故统称为边沟事故。 1 2 3 起事故中，有车辆驶入、翻入路侧边沟，占全部有事故形态事故 6 9 8 起的1 7 6 ，1 5 起死亡事故，占边沟事故的1 2 2 ，死亡1 7 人。在边 沟事故中，1 0 2 起是车辆直接冲入( 翻入) 路侧边沟，其余是在发生追尾、 第2 章某高速公路路侧事故碰撞特性分析 撞护栏或静止车辆后车辆冲入( 翻入) 路侧边沟的二次事故。 边沟事故的频率很高，后果也比较严重，造成驶入边沟或翻入边沟的 主要原因是驾驶员措施不当。有些是车辆在行驶时没有及时发现突然硬路 肩上的停车，撞上后冲入边沟，有些是车辆在行车道正常行驶时突遇超车 道的车向行车道并线，紧急情况下为避免追尾或侧面相撞采取措施不当撞 上路侧护栏或翻入边沟，还有一些车辆由超车道向行车道变更车道时突然 发现行车道也有车辆，紧急制动下撞上两侧护栏或是驶入边沟( 根据部分 事故档案记录及交警介绍) ，同时这与路侧的安全防护设施的设置有关， 如果路侧有很好的保护设施，司机在紧急情况下采取任何措施都能得到很 好的保护。 以上数据分析结论表明，在高速公路路侧设鼍合理的安全防护设施是 必要的，它能够尽量避免事故的发生或降低事故的严重程度。 2 2 车型特性分析 根据国内某高速公路全线的事故样本数据统计，事故车辆涉及到小客 车2 6 2 1 辆，中型客车1 l 辆，大客车1 7 9 辆，小货车1 8 2 辆，中型货车9 辆，大货车1 1 4 5 辆，全部事故车型比例参见图2 2 。 7 0 6 0 5 0 蓑4 0 1 3 0 2 0 1 0 0 事故车型百分比 2 7 6 1 i 。_ 0 2 7 二：= ”：= ”o 2 2 _ 北京工业大学工学硕士学位论文 翻入路侧边沟事故、驶入路侧边沟事故和护栏事故的事故形态所对应的车 型比例图，可以看出不同的事故形态事故车辆构成比例不同，但可以发现 它们共同的特点是在这些事故车型中小型车所占的比例均较大。其中，护 栏事故小车比例达到8 0 8 6 ，翻入路侧边沟事故小车比例为5 8 9 7 ，驶入 路侧边沟事故6 8 0 7 。因此，本文将小型车作为研究对象来分析在车辆碰 撞护栏过程中护栏所表现出来的防护性能。 图2 3 翻入边沟事故车型比例圈 f i g u r e2 - 31 1 1 ed i s 蛐l n i o n0 f v e h i c l es h 印e sm o v e r 图2 _ 4 驶入边沟事故车型比例图 f i g u r e2 - 41 1 1 ed i s 岫b u t i 叽o f v c h i c i es h 印e s 岫o v e r 第2 章某高速公路路侧事故碰撞特性分析 图2 5 撞护栏事故车型比例图 f i g u 咒2 5t h ed i s m b l n i o no f v e h i c l es h 印e sh 恤o v e r 2 3 典型事故分析 事故发生地点：正常路段 事故发生时间：2 0 0 3 年6 月2 5 日1 0 时2 0 分 天气：晴 事故发生过程描述： 肇事驾驶员驾驶一辆桑塔纳牌小客车以8 ：r n m ( 根据当事人陈述记 录) 的速度在行车道行驶，前面有一车变更车道，驾驶员采取措施躲避， 结果撞上中央钢板，后又翻入右侧边沟内，导致驾驶员和车上两名乘客严 重受伤，车辆严重受损。 很明显，这是一起二次事故。事故车辆撞在中央钢板上后并没有停止， 而是诱发了二次事故，车辆又翻入了右侧边沟内。我们发现，往往二次事 故的严重程度都相当大，不是重伤就是死亡，这样看来，如果能避免二次 事故的发生，那事故的严重程度将很可能大大降低。那么我们如何做才能 使事故终止在二次事故发生之前呢? 我们发现，二次事故往往与护栏事故、 边沟事故相关，撞护栏可能是= 次事故引起的或者会诱发二次事故，而边 沟事故可能是在发生追尾、撞护栏或静止车辆后车辆冲入( 翻入) 路侧边 北京工业大学工学硕士学位论文 沟的二次事故。具体从这起事故来看，如果我们将中央分隔护栏设置成吸 收能量强的半刚性或柔性护栏，那么在车辆撞上中央护栏时，汽车巨大的 动能就会被这种护栏吸收掉或者大大减弱，汽车停了下来，这样就避免了 二次事故的发生。退而言之，假使我们不把中央护栏设置成吸收能量强的 护栏，但是把道路边缘的路缘石去掉或者改善它的尺寸，在车辆失控冲向 路边时使路缘石不要起到助跑的负作用，使车辆腾空跳起，这样我们虽然 避免不了二次事故的发生，但能大大减轻二次事故的严重程度。 2 4 本章小结 本章重点分析了，路侧事故的事故形态以及路侧事故的车型分布，并 以具体的事故实例加以说明，得出重要结论，路侧安全防护设施的合理设 置对于乘员和车辆的保护十分重要，而且路侧事故车型中大多为小型车。 第3 章半刚性护栏模拟模型参数研究 第3 章半刚性护栏模拟模型参数研究 3 1 半刚性护栏的结构特点 3 1 1 构成 半刚性护栏由波形梁板、立柱、端头、紧固件、防阻块、托架等六部 分构成。 3 1 1 1 波形梁板 波形梁板可分为圆弧形和折线形两类，其中圆弧形波形梁板还可分为 等截面和变截面两类，其尺寸规格见表3 1 。p l l 表3 1 波形粱板的形状结构尺寸 t a b l e3 1s h a dd i m s i o no f w _ b e m 规格( m m ) ( 板长+ 板 防撞等级波形形状截面状况代号 各注 宽波高板厚) d b 0 14 3 2 0 + 3 1 0 + 8 5 + 3标准板 等截面 d b 0 33 8 2 0 + 31 0 + 8 5 + 3 调节板 d b 0 43 3 2 0 + 31 0 8 5 3调节板 d b 0 52 8 2 0 + 3l o 8 5 3调节板 圆弧形 b b 0 14 3 2 0 + 3 l o + 8 5 + 3标准板 b b 0 33 8 2 0 + 3 l o + 8 5 + 3 调节板 a 变截面 b b 0 43 3 2 0 3 1 0 8 5 3 调节板 b b 0 52 8 2 0 + 3 1 0 + 8 5 + 3 调节板 r b 0 l4 3 3 0 3 5 0 7 5 4 标准板 r b 0 33 8 3 0 + 3 5 0 + 7 5 + 4 调节板 折线形等截面 r b 0 4 3 3 3 0 3 5 0 7 5 4调节板 r b 0 52 8 3 0 + 3 5 0 + 7 5 + 4调节板 d b 0 24 3 2 0 31 0 + 8 5 + 3 加强板 等截面 d b 0 62 3 2 0 + 31 0 8 5 3调节板 圆弧形 b b 0 24 3 2 0 3 1 0 + 8 5 + 3 加强板 s变截面 b b 0 62 3 2 0 + 3 1 0 8 5 3调节板 r b 0 24 3 3 0 + 3 5 0 + 7 5 + 4 加强板 折线形等截面 r b 0 62 3 3 0 3 5 0 7 5 + 4调节板 北京工业大学工学硕士学位论文 3 1 1 2 立柱 立柱可分为钢管立柱和内卷边槽钢立柱两种，其尺寸规格见表3 - 2 。1 5 1 】 表3 - 2 立柱的规格表 t a b l e3 - 2d i m e n s i o no f d o s 扭 品名代号防撞等级规格( m m ) 钢管立柱 g - z f l l 4 蛆5 或，1 4 0 4 5 a ，s 内卷边槽钢立柱 g z1 2 5 + 6 2 5 + 2 5 + 5 3 1 1 - 3 端头 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 j 0 7 4 的规定 执行，圆头式端头的尺寸规格见表3 3 。【5 1 】 表3 3 端头的规格表 t a b l e3 - 3d i m e 珊i o no f t e i i n i n a l 品名 代号规格( m m ) 各注 d ir 1 6 0 各种端头的半径r 端头d i lr 一2 5 0 可根据公路几何线形作适当调整 d 一r 3 5 0 3 1 1 4 防阻块 护栏防阻块分为a 型、b 型两种。见表3 5 。1 4 9 j 1 】 表3 5 防阻块的规格表 t a b l e3 5d i m 啊s i o no f m s hc o 哪i o 品名代号规格( m m )备注 a 型 f 1 1 7 8 2 0 0 3与钢管立柱配合使用 防阻块 b 型 f 22 0 0 2 0 0 + 3 与槽钢立柱配合使用 3 1 1 5 托架 托架的尺寸规格见表3 6 。口1 l 衷3 6 托架的规格表 t a b l e3 6d i m 印s i o f b m 出巴t 品名 代号规格( m m )备注 t 13 0 0 7 0 4 5f 7 0 与f 1 4 0 钢管立柱配套使用 托架 t - 23 0 0 + 7 0 + 4 5r = 5 7 与，1 1 4 钢管立柱配套使用 第3 章半剐性护栏模拟模型参数研究 3 1 1 6 紧固件 护栏的紧固件包括板、柱、端头的拼接和连接件，其尺寸规格见表3 4 。 【5 l 】 表3 _ 4 紧固件的规格表 t a b l e3 - 4d i l i 嘲衄i 叩o f i o h l t c 船s o r y 品名代号规格( m )备注 拼接螺栓 j i 一1m 1 6 3 2 5 螺母j i 一2 m 1 6 用于波形梁板的拼接 垫圈j i 一3，3 5 丰4 用于防阻块与槽钢立柱的 j 一1 m 1 6 + 3 2 5 连接 用于波形梁板与防阻块或 j i i 一2 m 1 6 3 6 连接螺栓 槽钢力主的连接 用于防阻块或托架与f1 4 0 j i i 一3 m 1 6 1 7 0 钢管立柱的连接 用于防阻块或托架与f1 1 4 j 一4 m 1 6 1 4 0 钢管立柱的连接 螺母j i i - 5m 1 6 与连接螺栓配套使用 垫圈 f3 5 + 4 j 6 横梁垫片 j i i 一77 4 + 4 4 + 4 遮挡波形梁板的连接螺栓 3 1 2 材料 材料规格：路侧和中央分隔带波形梁护栏用的各种材料应符合以下各 项规定： ( 1 ) 波形梁、立柱、横隔梁、端头梁及连接螺栓所用的钢材为普通碳素 结构钢( q 2 3 5 ) ，其技术条件应符合碳素结构钢技术条件( g b 7 0 0 8 8 ) 的规定。 ( 2 ) 拼接波形梁的螺栓应采用高强螺栓，材料可采用2 0 m n t i b ，其技术 条件应符合钢结构用扭剪型高强度螺栓连接副( g b 3 6 2 3 3 6 3 3 8 3 ) 的 规定。 ( 3 ) 防阻块材料可用型钢来制造，其技术条件应符合冷弯型钢技术条 1 9 北京工业大学工学硕士学位论文 件( g b 6 7 2 5 8 6 ) 的规定。 ( 4 ) 立柱埋置于混凝土中时，混凝土标号不应小于1 5 号。混凝土用材 料应符合现行交通行业标准公路桥涵施工技术规范( j t j 0 4 1 8 9 ) 的规 定。 材料防腐； ( 1 ) 所有波形梁护栏的冷弯型钢部件均应作防腐处理，一般可采用热浸 镀锌处理。镀锌时应符合表3 7 的规定。热浸镀锌所用的锌应为锌锭 ( g b 4 7 0 - 8 3 ) 中所规定的o 号锌或l 号锌。 表3 7 护栏各部分的镀锌量表 t a b l e3 7 ( 冲d t yo f z m c i 最虹o na b o u tc o n s d t u t c so f b a 戚c r 构件名称镀锌量( g ，m 2 ) 波形梁、端头粱、横隔粱、立柱、型钢防阻块6 0 0 螺栓、螺母、垫圈、锚固件3 5 0 ( 2 ) 螺栓、螺母等紧固件在采用热浸镀锌后，必须清理螺纹或进行离心 分离处理。 在条件允许的情况下，螺栓螺母等紧固件也可采用粉镀锌技术。 旌工( 波形梁的安装) ： ( 1 ) 波形粱通过拼接螺栓相互拼接，并由连接螺栓固定于立柱或横梁 上。波形梁拼接方向见图3 1 。 图