【文章內(nèi)容簡介】 準[7][8]。在歐洲，如法國、意大利、德國等在上個世紀六七十年代相繼開展了有關防撞護欄方面的研究工作，從理論和實驗上研究了不同結構形式的護欄，建立、健全了相應的實驗設施及實驗規(guī)程。日本從 50 年代開始這方面的研究，并在名神高速公路開始大規(guī)模使用護欄。在隨后十幾年中，日本的眾多研究機構對各種護欄進行了廣泛深入的研究，于1965 年制定了護欄設置綱要，對護欄的適用范圍，結構設計，功能要求、施工安裝等方面做出了明確的規(guī)定 [9]。新型防撞護欄結構形式的研究、防撞護欄材料的選用及防撞護欄安全性能評價仍然是當今交通界的研究熱點，其中以下兩點的研究尤為活躍：①防撞護欄結構形式研究按照在公路中的縱向設置位置，護欄可分為路基護欄和橋梁護欄；按其在公路中的橫向設置位置，可分為路側護欄和中央分隔帶護欄；根據(jù)碰撞后的變形程度，護欄可分為剛性護欄、半剛性護欄和柔性護欄，其主要代表型式分別為混凝土護欄、波形護欄和纜索護欄 [10]。以雙波為代表的半剛性護欄應用最為廣泛，對其結構形式的研究比較突出。如 . Bank, . Gentry[11]開發(fā)的拉擠復合材料型護欄，利用護欄板自身材料組合結構進行受控撕裂從而吸收碰撞能量，而非采用彈性材料的塑性變形吸能，提供了一種波形護欄設計思想。., Engstrand[12]研究了雙波護欄板間的連接方式，以減少碰撞過程中的脫離現(xiàn)象。M Vesenjak 等人[13]分別對雙波護欄的 U 型、Z 型、六邊形型及 D 型防阻塊結構進行了碰撞性能探討，得出六邊形結構形式的防阻塊所受車輛碰撞角度影響較小以及在吸能方面有明顯優(yōu)勢。M. Borovin?k 等學者 [14]討論了三種波形護欄衍生結構的防撞性能，如圖 所示。第一種是在防阻塊后新設一根鋼條，第二種是在立柱上新增一鋼條，第三種則結合半剛性護欄與柔性護欄結構形式，在半剛性護欄的雙波后面加載兩條鋼纜。運用有限元仿真試驗對比分析，得出第二種結構形式在不過大地犧牲護欄最大變形量指標和車輛加速度限制指標的前提下，可以更為有效地校正車輛運行軌跡。圖 波形護欄衍生結構 Derivative structure of waveform guardrail②護欄板高度研究以雙波半剛性護欄為例，護欄主要有護欄板、防阻塊、立柱等基本構件組成。護欄板高度對碰撞車輛運動狀態(tài)有著重大影響。高度過低很容易引起車輛發(fā)生騎跨、側翻甚至沖出護欄的交通事故，造成嚴重損失；高度過高則易于引發(fā)車輛下鉆護欄事故，尤其是轎車更為明顯，損失也十分慘重。Reid .[15] 、Faller .[16]等學者研究了護欄高度對其防撞性能的影響。Sicking .[17]等從碰撞車輛重心的角度考慮相適應護欄板高度，并采用全尺實車碰撞試驗和計算機仿真方法驗證了新護欄高度的適用性。Marzougui, D.[18]等則以碰撞車輛保險杠高度的角度出發(fā)考慮相應的護欄板高度。不難發(fā)現(xiàn)，為了適應汽車向微型化、大型化和重型化演變的需要，有效保證車輛和乘員的安全，眾多學者在對各種新型防撞護欄的結構和護欄板的高度方面進行了大量的研究和探索，并提出了各種新穎的防撞護欄結構和護欄板高度，值得我們借鑒和學習。 國內(nèi)防撞護欄研究現(xiàn)狀 [7]我國在“七五 ”期間開始針對高速公路護欄的設計、生產(chǎn)與施工等方面展開了研究。交通部公路科學研究所從 1984 年開始對波形梁護欄進行了系統(tǒng)的研究，根據(jù)我國的護欄設計條件，提出了適合我國國情的護欄結構形式。該結構采用厚度 3mm 的深波紋橫梁，Z 字形開口型鋼立柱的形式，從 1989 年起在全國推廣應用。但根據(jù)隨后幾年的在高速公路、一級公路的工程實踐得出，Z 形柱強度太弱，損壞嚴重，不利于行車安全。故交通部公路管理司于 1994 年 5 月下令停止使用波形梁護欄“Z”形柱。1992 年前后，中國公路工程咨詢監(jiān)理總公司組織有關人員對全國已通車的高速公路護欄的使用情況作了調(diào)查。據(jù)此擬定了“波形梁護欄實車碰撞試驗方案” 。經(jīng)交通部工管司批準，公司聯(lián)系了近十個單位組織了近百人的實驗研究課題組，進行了一年多的工作，完成了我國第一次實車足尺碰撞試驗的研究任務，建立了一整套實驗方法和設施，緊接著公司又承擔了“玻璃鋼護欄的實驗研究” 工作并通過分析、計算和實驗圓滿地完成了這項工作。1992 年底，交通部公路科學研究所在總結全國護欄實際應用的基礎上，推出了新型的變截面波形梁護欄結構形式。該結構由于橫梁采用變截面形式，橫梁在搭接處結合緊密，使高強螺栓的性能得以充分發(fā)揮，橫梁在搭接處產(chǎn)生斷裂的可能性大為減小，從而保證了橫梁的連續(xù)作用，并使線形更加順適美觀，造價降低。該結構形式已應用于首都機場和成渝高速公路，并將作為我國公路護欄的基本結構形式列入交通行業(yè)標準，在全國推廣應用。到 1994 年初我國制定了行業(yè)標準(JTJ074 —94)《高速公路交通安全設施設計及施工技術規(guī)范》 ；到 1997 年，交通部公路科學研究所就開發(fā)了可用于高速公路設施碰撞研究的試驗手段，為防撞護欄的試驗研究創(chuàng)造了更好的條件。近年來隨著經(jīng)濟建設和高速公路投入運營，重型車和大型車的比例突增，由于其噸位大、車速高使得目前高速公路上使用的波形梁護欄已經(jīng)不能滿足其安全要求，從而引發(fā)的事故嚴重度很高。2022 年，交通部編寫發(fā)布了《公路三波形梁鋼護欄》行業(yè)標準并推廣應用，主要用于重型車、大型車比例高的路段和山區(qū)高速公路等地形不利之處。 研究目的及意義雖然我國的防撞護欄在研究和實踐上取得了一定的進步，但整體上與國外相比還是存在一定的差距。當前，我國半剛性防撞護欄已無法滿足交通安全要求，主要表現(xiàn)在：①護欄設計基本參照國外的相關標準和規(guī)范，而國內(nèi)道路狀況、汽車類型、行駛車速以及道路限速等諸多因素并不與國外相一致，防撞護欄的安全性能尚未完全得到發(fā)揮。②車型格局的變化，高速公路上的車型向微型化和重型化兩個方向發(fā)展。車型微型化因車身變得更小更低而必將增加碰撞現(xiàn)有半剛性護欄時發(fā)生絆阻、鉆入護欄的可能性；車型巨型化因質(zhì)量更大、重心更高而提高碰撞現(xiàn)有半剛性護欄車輛騎跨或翻車甚至沖出護欄的風險性。③某些高速公路因路面修復在原路面增鋪一層瀝青路面，相應降低了護欄的高度，尤其對大型車的安全防護極為不利。因此，為了同時有效地防止汽車微型化引發(fā)的車輛下鉆護欄事故和汽車重型化造成的車輛騎跨甚至沖出護欄的事故發(fā)生，縮小我國與國外防撞護欄水平，保證乘員基本安全和減小碰撞事故損失，有必要對現(xiàn)有半剛性護欄進行深入研究。 主要研究內(nèi)容 本文從汽車與護欄碰撞力學模型研究出發(fā)，設置雙條半剛性護欄基本結構尺寸，采用 HyperMesh 和 LSDYNA 軟件，利用動態(tài)顯示非線性有限元方法建立和求解“汽車雙條半剛性護欄 ”耦合模型，從碰撞后車內(nèi)乘員安全性、車體加速度、車輛運行狀態(tài)、車輛運行軌跡和護欄最大變形量等角度研究其碰撞安全性能，以及與“汽車半剛性護欄” 模型碰撞結果進行對比分析，修正雙條半剛性護欄結構參數(shù)，并驗證雙條半剛性護欄安全性能優(yōu)越于其他形式護欄。具體研究內(nèi)容如下：①對歐盟《高速公路護欄安全性能評價標準》 （BSEN13171998 ） 、美國《高速公路安全設施安全性能評價推薦程序》 （NCHRP Report 350）和我國的《高速公路護欄安全性能評價標準》 （JTG/TF83012022）進行對比分析，結合我國《實車正面碰撞乘員保護設計規(guī)則》 （CMVDR，294）探討適合我國護欄碰撞中乘員安全評價方法。②雙條半剛性護欄結構形式研究及參數(shù)確定。③雙條半剛性護欄碰撞性能仿真研究。 研究方法首先，在雙條半剛性護欄結構參數(shù)設計過程中，采用均勻設計試驗方法。均勻設計(Uniform Design)是基于試驗點在整個試驗范圍內(nèi)均勻散布的從均勻性角度出發(fā)的一種試驗設計方法，它著重在試驗范圍內(nèi)考慮試驗點均勻散布以求通過最少的試驗來獲得最多的信息，適合于多因素多水平的試驗和系統(tǒng)模型完全未知的情況。通過均勻設計試驗方法，在 DPS 數(shù)據(jù)處理平臺上構建護欄安全評價指標與護欄結構參數(shù)的數(shù)學模型，借助各個護欄安全評價指標來確定雙條半剛性護欄的結構參數(shù)。其次，采用 MATLAB 軟件中 fmincon 函數(shù)進行雙條半剛性護欄結構參數(shù)的優(yōu)化。fmincon 函數(shù)可以很好的解決非線性多變量約束最優(yōu)化問題，因此，采用此優(yōu)化函數(shù)。最后，在 HyperMesh 軟件中建立汽車與護欄碰撞模型，提交至 LSDYNA 軟件進行計算機仿真試驗。目前，汽車與護欄碰撞的研究方法主要有三種：實車足尺碰撞試驗法、縮尺模型試驗法和計算機仿真法。由于實驗條件和成本的限制，本文采用計算機仿真方法進行研究。計算機仿真法是根據(jù)力學原理，通過理論分析建立相應的數(shù)學模型，借助計算機進行數(shù)值模擬計算，仿真汽車與護欄實際碰撞過程以獲取碰撞數(shù)據(jù)的方法。由于這種方法具有成本低廉、方便快捷、可重復性好等優(yōu)點，現(xiàn)已成為實車碰撞的有力補充和重要參考。隨著計算機技術和計算算法的快速發(fā)展，計算機模擬在研究汽車碰撞安全領域得到廣泛應用，尤其在乘員保護措施、汽車和護欄結構的優(yōu)化等方面發(fā)揮著巨大作用。目前，較為常用的力學模型主要以有限元模型和多剛體模型為主 [19][20][21][22]，其仿真軟件包括 ANSYS、LSDYNA、MADYMO、PAMCRASH 、PCCRASH、ADAMS 、VGP 等。在對汽車與護欄碰撞仿真分析時，大多數(shù)還是以動態(tài)顯示非線性有限元為理論依據(jù)，軟件LSDYNA 最具代表性。 本章小結本章根據(jù)事故統(tǒng)計數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)汽車與護欄碰撞事故具有普遍性和嚴重性；隨后介紹了國內(nèi)外防撞護欄的研究現(xiàn)狀；在此基礎上提出本文研究的目的及意義、主要研究內(nèi)容，最后歸納了常用研究方法，以及本文所采用的方法。第二章 防撞護欄試驗方法及安全評價標準分析隨著世界各國高速公路的不斷發(fā)展，防撞護欄對交通安全起到了至關重要的作用。防撞護欄的安全評價是檢查護欄能否起到保護車輛作用的重要指標，也是考察護欄在事故中是否減少人員傷亡和財產(chǎn)損失的重要體現(xiàn)，防撞護欄的安全性能評價也一直備受各國研究人員的關注。目前，世界各國的高速公路護欄安全性能評價已逐漸發(fā)展并形成兩大主要評價體系，即以美國公路合作研究組織 NCHPR（National Cooperative Highway Research Program）為代表編著的《高速公路安全設施安全性能評價推薦程序》（NCHRP Report 350）和歐盟標準化委員會 CEN（Committee European Normalization）為代表編寫的《高速公路護欄安全性能評價標準》 （EN13172） 。我國的高速公路護欄安全性能評價標準（JTG/T F83012022）則以歐盟的EN1317 和美國的 NCHRP350 為藍本，并結合我國實際情況編寫而成。 各國護欄試驗方法及評價標準概況 美國 NCHRP Report 350 概況美國是最早進行高速公路安全護欄試驗和評價標準研究工作的，早在 1962 年，由幾家安全護欄研究機構在“Highway Research Correlation Services Circular 482”發(fā)表了僅一頁的安全護欄實車碰撞試驗程序。它只是簡單地規(guī)定了試驗車質(zhì)量、碰撞速度及碰撞角度參數(shù)，但沒有詳細的評判標準。1973 年，在政府的資助下由Southwest Research Institute 主持了 NCHRP Project 222 研究計劃，其后發(fā)表了NCHRP Report 153。包括對護欄防撞性能的評價、護欄各部件脫離評價、車輛碰撞最大加速度限制等內(nèi)容 [23]。這個只有 16 頁的研究報告結合了美國 70 多家研究機構及個人的研究成果。其安全護欄的試驗及性能評價標準得到了廣泛的應用。NCHRP Report 153 在經(jīng)過不斷的試驗及修訂后，于 1980 年頒布了新的安全護欄試驗及評價標準 NCHRP Report 230。該標準對 NCHRP Report 153 進行了大量的修改，其適用范圍也進一步擴大。該報告還引入了基于“連枷空間模型” 的乘員風險評價標準，對乘員損傷的評價更為接近實際碰撞情況 [24]。從 1989 年后以首席調(diào)查員 Dr. Hayes Ross 和其助手 Jarvis Mishie 為首的研究小組對 NCHRP Report 230 進行了大量的試驗及研究，起草了修改草案，于 1993年發(fā)表了新的安全護欄試驗及評價標準 NCHRP Report 350，提出了 6 種護欄等級與評價標準及其測試程序，并規(guī)定各種道路上使用的新型護欄都須安裝 350 報告規(guī)定的等級和程序進行實車碰撞 [25]。新標準和 NCHRP Report 230 相比，有更加詳細的安全護欄試驗及評價標準。至此，NCHRP Report 350 基本成為世界各國采用的通用的安全護欄試驗及性能評價準則 [26]。 歐盟 EN13172 概況英國安全護欄碰撞試驗及評價標準 BS 6779 是 1987 年 8 月第一次頒布的，后來分別在 1990 年、1992 年及 1998 年進行了修訂。先普遍采用的標準是 1998 年3 月頒布的第四次修訂的版本。同年英國的 BSI 同時發(fā)布了以 BS 6779 為藍本的英文版標準 BS EN1317:1998。該標準同時也被歐洲委員會 CEN（Committee European Normalization）訂為歐共體國家的通用標準。該標準原定于 2022 年 1月 1 日將完全取代現(xiàn)行的英國安全護欄的標準 BS 6779。現(xiàn)在歐洲安全護欄的試驗方法及評價標準 BS EN1317:1998 與英國標準 BS 6779 仍并存。BS