公路护栏安全性能评价仿真技术规程

1公路护栏安全性能评价仿真技术规程公路护栏作为一种被动防护设施，合理的设计可以有效提高公路的安全运营水平。2013年10月，交通运输部颁布了《公路护栏安全性能评价标准》（JTGB05-01—2013）,强调采用实车足尺碰撞试验评价公路护栏的安全性能；2017年11月，交通运输部颁布了《公路交通安全设施设计规范》（JTGD81—2017）和《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81—2017）,对公路护栏的设计要求进行了规定。目前设计人员主要依据以上标准和规范进行公路护栏设计，但是很难规避以下几种情况：结构参数均满足设计规范和设计细则但未经碰撞分析其阻挡、缓冲、导向性能的结构，或通过实车足尺碰撞试验验证但需要结合工程实际进行相应调整的结构，这两种结构宜做进一步结构安全性能评价，但采用实车足尺碰撞试验会费用高、周期长，甚至会影响工程进度；护栏在实际工程的设置条件与试验场的设置条件相差较大，实车足尺碰撞试验无法全面考虑护栏与公路适应的安全性；实际工程的运营车辆较试验检测车辆相差较大，实车足尺碰撞试验无法全面考虑护栏与车辆适应的安全性。计算机仿真技术具有费用省、周期短、可模拟实际复杂公路护栏设置条件和多种车型的优势，欧洲标准委员会（CEN）颁布和出版了“道路防护系统——车辆防护系统碰撞试验计算力学指南”（Roadrestraintsystems-Guidelinesforcomputationalmechanicsofcrashtestingagainstvehiclerestraintsystem）,将计算机仿真计算方法作为与实车足尺碰撞试验并列的公路护栏安全性能评价方法，对于本规程的编制具有直接指导作用。计算机仿真技术较实车足尺碰撞试验具有显著优势，但是需要进行规范以保证其准确性和可靠性，科学的运用计算机仿真技术可以使得公路护栏的安全性能评价更加全面和结合实际。2公路护栏安全性能评价包括公路护栏的结构安全性能评价、公路适应安全性能评价和车《公路护栏安全性能评价标准》（JTGB05-01—2013）要求在特定的试验场按指定的碰撞条件评价公路护栏的安全性能，主要评价公路护栏的结构安全性能，计算机仿真技术较实车足尺碰撞试验更具有普适性，除可进行公路护栏的结构安全性能评价外，可以考虑工程实际中与公路护栏设置相关的公路其他沿线设施及交通工程条件对护栏安全性能的影响以评价护栏对于公路适应的安全性，还可以考虑多种车型碰撞公路护栏性能表现以评价护栏对于车辆适应的安全性。公路护栏的安全性能主要通过护栏对车辆的阻挡、缓冲和导向功能来体现，是复杂的物理过程，基于有限元方法的仿真模拟技术可以解决碰撞类高度非线性物理问题，如几何非线性、材料非线性、边界非线性，是进行公路护栏安全性能评价的较好方法。1.4.2在仿真模型通过验证的条件下，对设计参数满足规范要求的公路在仿真模型通过验证的条件下，采用仿真模型可以对各种公路护栏的安全性能进行评价，并给出评价结论和建议，考虑到实际应用中的公路护栏主要为设计参数满足规范要求和通过实车足尺碰撞验证两种情况，强调该两种情况仿真评价可代替实车足尺碰撞试验。公路护栏事故后评价应针对事故发生现场，结合车辆行为、公路设施状况，模拟还原事故发生的过程，给出事故起因调查相关结论，提出合理建议，以供管理部门决策参考。342.1.1仿真评价准备阶段重点应进行车辆模型和护栏模型的建立与5a）护栏某些结构可作适当简化，例如可用梁单元代替实体螺栓建模。b）护栏材料模型使用材料试验测试值作为输入参数。c）护栏碰撞区域的结构宜采用精细化网格划分。2.3.1车辆模型应通过必要的零部件测试和整车测试来验证模型的准确性与稳定性。零部件1验证悬架的运动特性，验证车轮的振动解2后悬车轮分别施加对称载荷3后悬车轮分别施加非对称4验证车辆整体、转向系统和悬架系统的稳5验证车辆整体、转向系统和悬架系统的稳6验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的7验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的8验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的9验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的验证悬架系统的稳定性及车轮对小冲击的6验证车辆承受大变形的能力，评估车辆对a）单元试验包含但不限于：1）预埋立柱：对单个立柱进行准静态模拟，然后与相应试验进行比较，立柱挠度及变形状况要与试验结果一致。2）螺栓连接：对单个螺栓连接进行准静态模拟，然后与相应试验进行比较，螺栓、防阻块变形和断裂模式的仿真模拟结果要与试验结果相对应。3）非关键部件的功能：可进行适当的工程分析以验证模型性能。c）护栏模型中需要定义螺栓的失效准则、钣金结构的应力极限等。2.3.3应根据实车足尺碰撞试验条件进行车辆碰撞护栏的至少三次仿真模拟计算，并将仿真12345护栏最大横向动态变形值（D）））6））778仿真模拟与实车足尺碰撞试验结果的对比项目中：1）护栏最大横向动态变形值（D）是指车辆碰撞护栏过程中，护栏变形后迎撞面相对于其初始位置的最大横向水平位移，其仿真模拟结果与实车碰撞试验结果之间的允许误差值为：±（0.05m+0.1×（实测值当动态变形达到最大值时，时间差须小于0.05s。2）车辆最大动态外倾值（VI）是指大中型车辆碰撞护栏过程中外倾时，车辆最外边缘相对于护栏碰撞前最内边缘的最大横向水平距离，其仿真模拟结果与实车碰撞试验结果的允许误差值为：±（0.05m+0.1×（实测值当动态外倾达到最大值时，时间差须小于0.05s。3）小型客车乘员碰撞速度(OIV)是指碰撞护栏过程中，假想的乘员头部与乘员舱内部碰撞的瞬时相对速度，其仿真模拟结果与实车碰撞试验结果的允许误差范围为±20%，乘员碰撞速度对应时刻的时间差须小于0.05s。4）小型客车乘员碰撞后加速度（ORA）是指碰撞护栏过程中，假想的乘员头部与乘员舱内部碰撞后，假想的乘员头部与车辆共同经受的车辆重心处加速度10ms间隔平均值的最大值，其仿真模拟结果与实车碰撞试验结果的允许误差范围为±20%。12总能量的变化不超过5%3沙漏能量小于总能量的5%4增加质量小于总质量的5%568J-1与通过实车足尺碰撞试验检测合格的原护栏构造和尺寸有所出入的超出规范范围的新结构、新工艺、新材料的新型a）第一类护栏（J-1）主要是指现行《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81）中的金属梁柱式护栏，规范对于这类护栏仅给出了各防护等级的护栏高度范围、横梁总高度之和范围、护栏构件截面厚度范围、横梁拼接套管长度范围的规定：1）护栏高度范围的规定包括护栏总高度和加权平均高度。护栏总高度要求：“四(SB)级及以下防护等级的金属梁柱式护栏总高度不应小于1.00m;五(SA)级金属梁柱式护栏总高度不应小于1.25m;六(SS)级及以上防护等级的金属梁柱式护栏高度不应小于1.5m”。护栏所有横梁横向承 载力距桥面的加权平均高度Y要求不小于表5的规定值。可见规范仅给出了金属梁柱式护栏的高 92）护栏横梁总高度之和范围的规定：“横梁的总高度之和不应小于护栏总高度的25%，与立柱的退后距离对应的横梁之间的净距宜位于图1a）所示的阴影区以内或以下，与立柱的退后距离对应的横梁的总高度之和与立柱高度之比宜位于图1b）所示的阴影区以内或以上”。可见规范仅给出了金属梁柱式护栏的横梁总高度之和范围，而未给出具体的尺寸要求。3）护栏构件截面厚度范围的规定：“护栏构件的厚度应根据计算确定，并不小于表6规定的最小值”。可见规范同样仅给出了金属梁柱式护栏构件截面厚度范围，而未给具体的尺寸要求。件钢3333433333224）护栏横梁拼接套管长度范围的规定：“拼接套管长度应大于或等于横梁宽度的2倍，并不应小于30cm”，如图2所示，可见规范也只是给出了金属梁柱式护栏的横梁拼接套管长度范围，未给出具体的尺寸要求。此外，现行《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81）对于组合式护栏和混凝土护栏的断面配筋量规定：“护栏的断面配筋量应根据计算确定，并应满足现行《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JT6D62)中对最小配筋率的规定”，可见对于配筋量规范也只是给出了范围要求。对于上述这类护栏，研发或设计人员按照规范可以设计出多种多样的结构形式，其安全性能也就会存在一定范围的差别，有必要通过安全性能评价来确定其安全性，因此将其作为需要进行结构安全性能评价的第一类护栏（J-1）。b）第二类护栏（J-2）属于现行《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81）中的常规护栏形式，如混凝土护栏、组合式护栏、金属梁柱式护栏、波形梁护栏和缆索护栏，但同时这类护栏又与规范规定的构造和尺寸有所出入，主要表现在以下几个方面：1）护栏的坡面（迎撞面）尺寸较规范标准结构有所改变，例如图3所示。2）护栏的有效高度较规范标准值有所改变。3）护栏的横梁高度之和、横梁净距不在规范规定范围，例如图4所示。4）护栏的立柱间距较规范标准值有所改变。5）护栏的刚度较规范标准结构有所改变，如护栏的横梁和立柱等关键受力构件的厚度不足、护栏配筋低于最小配筋量等。6）护栏纵向连接构件强度较规范标准结构有所改变，如护栏的拼接螺栓强度等级较低等。上述这类护栏较规范标准结构的改变有可能对其安全性能产生影响，因此将其作为需要进行结构安全性能评价的第二类护栏（J-2）。c）规范标准单坡型坡面路侧混凝土护栏和坡面尺寸改变后c）第三类护栏（J-3）属于成功通过实车足尺碰撞试验验证的护栏形式，但同时这类护栏又与通过实车试验的原结构构造和尺寸有所出入，主要表现在以下几个方面：1）护栏的坡面（迎撞面）尺寸较试验护栏结构有所改变。2）护栏的有效高度较试验护栏结构有所改变。3）护栏的横梁高度之和、横梁净距较试验护栏结构有所调整。4）护栏的立柱间距较试验护栏结构有所改变。5）护栏的刚度较试验护栏结构有所改变，如护栏的横梁和立柱等关键受力构件的厚度不足（见图5所示）、护栏配筋低于最小配筋量等。6）护栏纵向连接构件强度较试验护栏结构有所改变，如护栏的拼接螺栓强度等级较低等。上述这类护栏较通过实车足尺碰撞试验验证结构的改变有可能对其安全性能产生影响，因此将其作为需要进行结构安全性能评价的第三类护栏（J-3）。d）第四类护栏（J-4）是指采用新结构、新工艺、新材料得到的新型护栏，例如北京华路安交通科技有限公司等单位合作研发的玻璃纤维筋新型混凝土护栏、高分子护栏等，以及北京华路安交通科技有限公司参编的中国工程建设标准化协会标准《波形梁合金钢护栏》（CECSG）中的合金钢护栏，均属于新型护栏（见图6有必要通过安全性能评价来确定其安全性，因此将这类护栏作为需要进行结构安全性能评价的第四类护栏（J-4）。a）玻璃纤维筋新型混凝土护栏b）高分子护栏c）波形3.3.1结构安全性能评价结论应根据仿真计算结果，按照对应的护栏结构类别，给出护栏结J-1护栏安全性能优于或等同于规范规定的护栏结构护栏安全性能优于规范规定的护栏结构但不满足护栏安全性能劣于规范规定的护栏结构但满足评护栏安全性能劣于规范规定的护栏结构且不满足护栏安全性能优于或等同于通过碰撞试验的护栏护栏安全性能劣于通过碰撞试验的护栏结构但满护栏安全性能劣于通过碰撞试验的护栏结构且不4公路适应安全性能评价公路上其它沿线设施及交通工程条件可能会对护栏的安全防护能力产生影响，因此有必要进行护栏对公路适应的安全性能评价。评价中需要考虑的影响因素见表8。基础形式、埋深、土基压实度、土路肩、边坡4.1.2公路适应安全性能评价应进行现场调查和资料收集，资料的质量、数量和时效应满足4.1.3《公路护栏安全性能仿真评价公路适应安全性能评价报告》中应附有护栏建模所依据b）公路适应安全性能评价中需考虑公路其它沿线设施及交通工程条件影响因素，需要根据实际情况采用仿真方法对碰撞点位置进行最不利分析。4.2.2公路适应安全性能评价应通过与结构安全性能评价结果对比来得出评价结论。4.3评价结论差劣于结构安全性能评价指标，但满足现B05-01）的安全性能指标要求。差劣于结构安全性能评价指标，且不满足B05-01）的安全性能指标要求。差差差现行《公路护栏安全性能评价标准》（JTGB05-01）中给出了具有一定代表性的车型，但是并不能涵盖实际运营公路上的重要车型，例如小客车中的“运动型多用途车（SUV）”、货运车辆中的“罐车”等车型均具有其自身技术特点，且在公路上占有重要比例。研究经验表明，车辆的主要技术参数对碰撞结果有一定影响，总质量相同的车辆，由于整备质量、几何尺寸或重心高度等主要技术参数不同，所测得的车辆重心处加速度、车辆运行轮迹以及护栏最大横向动态变形量等均有一定差别。此外，相同的碰撞能量，不同碰撞条件组合对于碰撞护栏结果亦有影响。因此，为更好的评价护栏安全性能对车辆适应性，本章提出了采用更多车型不同碰撞条件来开展计算机仿真模拟评价。5.1.2《公路护栏安全性能仿真评价车辆适应安全性能评价报告》中应附有护栏的详a）公路护栏的安全性能最终要通过对乘员的保护来体现，增添假人模型可较直观的考察碰撞过程中乘员头部是否碰撞护栏，能够更好的体现护栏对乘员的保护功能。5.2.2应通过考察不同车型、不同碰撞条件下护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能指标要求以及乘员头部是否碰撞护栏结构来评价护栏的车辆适应无有差A.1仿真模拟软件一般要求A.1.2仿真模拟软件应具备模拟护栏和车辆结构的单元类型。A.1.3仿真模拟软件应具备模拟护栏和车辆结构的材料类型。A.1.4仿真模拟软件应具备模拟车A.2仿真模拟软件计算功能要求A.2.1仿真模拟软件应能够模拟车辆和护栏的绊阻过程。B.1.1车辆模型部件车辆模型的部件应包括车身、车架、悬架、车轮弹性元件（弹簧和阻尼器）或转向节可采用离散模拟；对于轮胎和路面之间的摩擦系数，需要定义静摩擦系数和动态摩B.1.2车辆模型组织可以用一个使用fileinclude命令的主文件来调用，例如，在某商业有限元软件中使用$$\Suspensions\Rr_susp.index\Suspensions\Fr_susp.index\Wheels\Rr_Wheels.index\Wheels\Fr_Wheels.indexBoundary_conditions.i相对于公路护栏对车辆进行定位、平移或旋转B.1.4车辆模型材料B.1.5车辆模型二维网格技术参数一般规定碰撞车辆发生接触的横梁或护栏的其它结构进行网格细化。车辆模型二维网格技术参数的几何细节网格划分应满D<10mm20mm<D<40mm孔周边用四边形单元环形均布，且至少应有D>40mmR<10mm倒角可以忽略，通过沿着与倒角边缘相切的线适度扩展网格来40mm<R<100mmR>100mm>0.65B.1.8车辆模型二维网格的焊接和连接技术参数一般车辆模型二维网格的焊接和连接技术参数应遵循B.1.9车辆模型三维网格技术参数一般b）实体单元特征推荐性建议如表B.4所示。＜3mm尺寸的细小特征可以忽略不计。>0.5位于零件的表面，但此时应与接触厚度的定义相配前研究和行业发展实践给出壳单元特征推荐性建议优选极限＜10°;最大允许＜20°。>0.65B.2.3护栏模型二维网格的焊接和连接技术参数一般规定护栏模型二维网格的焊接和连接技术参数应遵循下b）缝焊应采用刚性单元来模拟焊缝周围节点之间的连接。螺栓剪切、接触定义、材料失效准则、螺栓预紧力B.2.4护栏模型三维网格技术参数一般规定B.2.5护栏模型检查可参考车辆模型检查，见B.1b）环形测试：车辆以恒定速度30~40km/h在环形轨道上行驶，环形轨道包括两个前轮、两个后轮、右前轮、左前轮、右后轮、左B.3.4整车碰撞测试通过模拟整车模型在不同方向撞击刚性墙进行测试。：（车辆模型的线形/环形轨迹测试包括：线形轨迹测试和环形轨迹测试。每项测试结果提供：加速度随时间变化曲线、动能随时间变化曲线、总能量随时间变化是/否满足变化范围要求（乘员纵向和横向碰撞速度与试验数据相比速度变化范围：±4）仿真与实车试验结果指标对比12345））6））78总能量的变化不超过5%沙漏能量小于总能量的5%增加质量小于总质量的5%：（3）护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏的护栏最大横向动态变形值、护栏最大横向动态位移外延值、车辆最大动态外倾值和车辆最大动态4）小型客车重心位置加速度曲线以及乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度的曲线图5）车辆轮迹越出驶出框图时刻的车辆重心处速度值（护栏端总能量的变化不超过5%沙漏能量小于总能量的5%增加质量小于总质量的5%碰撞角度(°)评价样品构件及其脱离碎车辆碰撞后的轮迹是否满足———— — （m/s） — — 护栏最大横向动态位移外延值（W） 阻挡功能 评价样品构件及其脱离碎片是否侵入品脱离构件散落位导向功能车辆碰撞后是否翻车车辆碰撞后的轮迹是否满足导向驶出缓冲功能阻挡功能评价样品构件及其脱离碎片是否侵入品脱离构件散落位导向功能车辆碰撞后是否翻车车辆碰撞后的轮迹是否满足导向驶出缓冲功能：（。3）与公路护栏结构安全性仿真评价中护栏最大横向动态变形值、护栏最大横向动态位移外延值、车辆最大动态外倾值和车辆最大动态外倾当量值四个指标优4）与公路护栏结构安全性仿真评价中阻挡功能优劣7）与公路护栏结构安全性仿真评价中车辆轮迹越出驶出框图时刻的车辆重心处速度总能量的变化不超过5%沙漏能量小于总能量的5%增加质量小于总质量的5%（本表适用于护栏标准段、护栏过渡段和中碰撞角度(°)性评价性评价性评价