高速波形护栏设计新颖（新型波形护栏结构设计及安全性能研究）

高速波形护栏设计新颖（新型波形护栏结构设计及安全性能研究）目前小型客车不断向轻量化、小型化方向发展，为减少高速行进时空气阻力，车辆前端更低、更流线形的设计，会导致该类车型与护栏发生相撞时，加大车辆前端从护栏底部下钻、甚至碰撞立柱严重绊阻的风险。图1 护栏高度与车辆外倾对比 下载原图当失控车辆与公路护栏发生碰撞时，护栏作用于车辆的相应部位，能够防止车辆越出护栏，避免车辆从护栏底部钻入造成绊阻，理想的情况是通过护栏的整体作用迫使车辆逐步转向，直至恢复到正常的行驶方向[2]。目前汽车从大吨位的重型汽车到不断轻量化的小型汽车，其质量特殊，车辆外形差异很大。因此，采用上下双层组合横梁设计方案。上部横梁以防护大中型车辆为主，下部横梁以防护小型车辆为主。在三波形梁护栏结构基础上，适当提升上部横梁高度，增强护栏阻挡功能，有效降低碰撞时大中型车辆外倾程度，防止车辆穿越、翻越护栏；适当降低下部横梁设置高度，有效防止小型车辆从护栏底部钻入，降低小型车辆因下钻护栏碰撞立

新型波形护栏结构设计及安全性能研究解廷利 任全 武政杰 冯志刚 姚日和 高伟军北京深华达交通工程检测有限公司 河北省高速公路京雄筹建处 河北高速集团工程咨询有限公司

摘 要：对高速公路失控车辆的安全防护，需系统考虑大小车型结构特征及防护需求。目前车辆重量悬殊、速度差异、结构大小两极化，新型波形梁护栏针对大型、小型车辆进行专项双层组合结构设计，上层横梁主要防止大型车辆穿越、翻越和骑跨护栏，下层横梁主要防止小型车辆下钻护栏及在立柱位置严重绊阻。应用高精度对标后的有限元模型对防阻块、横梁高度进行分析对比，综合确定了护栏总高度、横梁分布，优化了梁柱匹配关系。通过实车碰撞对护栏安全性能进行验证，新型波形护栏防护能力满足规范要求，防护效果良好，为类似护栏设计及优化提供参考。

关键词：交通工程;路基护栏;波形护栏;梁柱匹配;仿真模拟;实车碰撞;

随着国内高速公路建设的蓬勃发展，坚持“交通强国”战略及“以人为本、生命至上”的指导原则，护栏作为高速公路安全防护的最后一道生命线，在保障公路安全、生命安全上发挥着重要作用。适应智慧高速公路的发展趋势，钢护栏的应用可为相关设施的智慧升级、拓展预留空间，对于精准导航、图像识别、智能感应、互动衔接较混凝土护栏具备更大的便捷性和适应性。

依托连接北京至雄安重要通道京雄高速公路(河北段)工程，护栏作为交通工程的重要组成部分，其造型视觉通透性、与环境协调性、司乘人员舒适性，是提升道路品质的重要保障。同时京雄高速公路位于华北地区，冬季可能出现道路积雪情况，采用通透型钢护栏，可一定程度上利用风吹雪减少积雪，也可降低积雪后除雪难度。根据其安全防护需求及目标[1] 结合护栏开发及实车足尺碰撞经验，在现行规范的基础上，确定护栏整体方案，并进行相关仿真分析及实车碰撞工作。

1 护栏结构1.1整体方案

当失控车辆与公路护栏发生碰撞时，护栏作用于车辆的相应部位，能够防止车辆越出护栏，避免车辆从护栏底部钻入造成绊阻，理想的情况是通过护栏的整体作用迫使车辆逐步转向，直至恢复到正常的行驶方向[2]。目前汽车从大吨位的重型汽车到不断轻量化的小型汽车，其质量特殊，车辆外形差异很大。

因此，采用上下双层组合横梁设计方案。上部横梁以防护大中型车辆为主，下部横梁以防护小型车辆为主。在三波形梁护栏结构基础上，适当提升上部横梁高度，增强护栏阻挡功能，有效降低碰撞时大中型车辆外倾程度，防止车辆穿越、翻越护栏；适当降低下部横梁设置高度，有效防止小型车辆从护栏底部钻入，降低小型车辆因下钻护栏碰撞立柱产生的绊阻风险；控制上下横梁间竖向空间，增加护栏视觉通透性。

1.2护栏高度及横梁分布(1)护栏高度(上横梁高度)。

护栏总高度对阻挡大中型车辆骑跨、翻越、穿越[2]发挥着重要作用，护栏高度的增加可显著降低车辆碰撞时的外倾程度，进而降低翻车风险，大中型车辆特别是大中型客车，其重心高，速度大，碰撞过程中车辆的稳定性较差，随着护栏高度的增加，可提升车辆稳定性[3]。应用计算机仿真模拟技术[4] 分析护栏高度对大中型客车及货车碰撞时外倾的影响情况(见图1)。通过分析对比，护栏宜在合理的范围内适当提升其高度。

图1 护栏高度与车辆外倾对比 下载原图

(2)下横梁高度(横梁分布)。

目前小型客车不断向轻量化、小型化方向发展，为减少高速行进时空气阻力，车辆前端更低、更流线形的设计，会导致该类车型与护栏发生相撞时，加大车辆前端从护栏底部下钻、甚至碰撞立柱严重绊阻的风险。

最下层横梁下沿高度(即下部净空)是影响小型车辆是否下钻护栏、碰撞立柱发生绊阻严重程度的主要因素。根据《公路护栏安全性能评价标准》对小型车辆的相关规定，结合对典型小型车辆调研情况，目前小型客车轮胎半径多为320 mm左右，前保险杠下沿离地高度约200～300 mm 前保险杠上沿离地高度约600～750 mm[2] 三波形梁护栏板下沿离地高度444 mm[5] 通过实车试验数据总结，碰撞过程中多会发生车辆轮胎撞击立柱的现象，导致一定程度的绊阻(见图2) 适当减少横梁距离地面高度，可降低小车下钻，轮胎撞击立柱的可能性。

图2 小车轮胎撞击立柱(绊阻) 下载原图

护栏梁柱横向距离及防阻块结构一定程度上也影响小型车辆绊阻情况，综合SB级三波形梁钢护栏设计要点[5]及实车试验比对，梁柱横向距离保持250 mm不作改动，并采用类似结构的防阻块形式。通过调整不同横梁高度分析对小型车辆的绊阻情况(见图3)。

图3 小型车辆防绊阻分析 下载原图

在保障小型车辆碰撞时不下钻绊阻的前提下，下横梁高度应避免大型车辆碰撞时轮胎碾压的情况发生，中大型车辆轮胎半径约为440～500 mm[2] 为防止碰撞时轮胎碾压横梁(见图4) 下横梁上沿高度不宜低于轮胎半径，因此，下横梁高度确定应综合考虑小型车辆下钻及大型车辆碾压双重因素。

图4 大型车辆碾压下横梁分析 下载原图

上下横梁之间的安装净距应在不造成车辆碰撞时发生绊阻的技术要求下尽可能选择大值，有利于增加护栏的通透性并提高护栏的美观程度。

(3)护栏高度确定。

综上，高速公路内侧车道多为小型车辆专用道，中央分隔带护栏总高度提升为1 m 下横梁下沿高度降低为350 mm; 外侧车道以大中型车辆行驶为主，路侧护栏总高度提升为1.1 m 下横梁下沿高度降低为400 mm; 兼顾小型车辆及大中型车辆的安全防护。中央分隔带及路侧钢护栏高度的设定兼顾了桥梁混凝土护栏的高度，便于二者过渡连接，保持全路段护栏高度的一致性。护栏断面见图5。

1.3横梁结构

横梁是护栏防护车辆碰撞的主要承力构件，其

图5 护栏断面 下载原图

单位：mm

抗拉、抗弯性能以及碰撞时与车辆的接触面积影响其安全性能。基于波形梁板的成熟应用，新型护栏横梁的结构同样采用波形结构，综合考虑上述3大影响因素，充分借鉴境外护栏应用成果，确定横梁断面尺寸(见图6)。横梁截面性能对比见表1。

图6 不同波形结构图示 下载原图

表1 横梁截面对比 导出到EXCEL

类型	规格/mm	展开长度/mm	惯性矩/(×104mm4)
新波形梁	240×85×4	458	148
两波形梁	310×85×4	483	141
三波形梁	506×85×4	752	229
组合波梁	480×85×4	916	296

新型波形梁的Y轴惯性矩与两波形梁板相当，双层组合波梁的综合Y轴惯性矩大于三波形梁板，双层组合波梁均采用4 mm厚Q355材质，其综合抗弯能力高于三波梁护栏。采用组合波梁断面结构，其多平面造型增加了碰撞时护栏与车辆的接触面积，大面积接触可使碰撞车辆受力均性提升，从而保持车辆姿态的稳定程度。为保障新型波梁的抗弯结构性能，其横向宽度为85 mm与三波梁相同；双层组合波梁截面面积为三波形梁截面面积的1.2倍，同时材质由碳素钢提升为低合金钢，保障横梁抗弯及抗拉性能，使其防护性能具有较大的安全余量。

1.4立柱方案

方管立柱具有较强的抗弯能力，新型护栏设计时同样采用方管立柱，立柱保持与SB形三波梁护栏立柱相当强度，因材质提升为Q355 其规格优化调整为130 mm×130 mm×4.5 mm。其综合力学性能提升1.15倍。对比情况见表2。

表2 立柱截面对比 导出到EXCEL

类型	规格/mm	材质	截面积/mm2	惯性矩/mm4
常规	□130×6	Q235	2 967	7 644
优化	□130×4.5	Q355	2 259	5 938
对比	—	151%	76%	78%

1.5梁柱匹配

半刚性护栏设置需遵循强梁弱柱理论[6] 横梁断面的选定进一步提升了横梁的强度，与三波形梁护栏梁柱匹配对比见表3。在护栏材料总用量与三波梁护栏相当的情况下，横梁和立柱的独立性能均有所提升，通过梁柱材料及结构强度的优化分配，梁柱强度比更符合护栏设置理论。使其可以发挥较优的防护效果。

表3 梁柱匹配对比 导出到EXCEL

类型	梁柱抗拉能力比	梁柱抗弯能力比
三波形梁护栏	0.86	299
新型波形梁护栏	1.43	498

2 护栏仿真模拟

应用仿真模拟技术对设计的新型护栏结构进行分析计算，不同防阻块结构时大型车辆碰撞的变形及姿态见图7。贴合形防阻块加工工艺较为复杂，且碰撞过程防阻块易变形导致护栏变形及车辆外倾较大；四边形防阻块具备一定的刚度，较贴合形有所改善，但立柱的倒伏带动横梁高度降低，不利于防护效果的发挥；燕尾型防阻块与立柱连接为可旋转结构，自身刚度变形小，碰撞时自旋转可保障护栏防护有效高度，降低了护栏变形，提升了车辆姿态稳定程度。不同防阻块下对应的护栏变形及车辆外倾值见表4。

图7 不同防阻块仿真对比 下载原图

表4 护栏变形及车辆外倾对比 导出到EXCEL

防阻块	横梁厚度/mm	变形/m	外倾/m
贴合形	4	1.46	1.78
四边形	4	1.34	1.62
燕尾形	4	1.12	1.06

3 实车碰撞试验

按照《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)评价要求[2] 对护栏开展实车碰撞试验。护栏尺寸以及安装都严格按照现场设置，保证与实际路况的一致性。试验护栏标准段由横梁、防阻块、立柱组成。横梁为240 mm×85 mm×4 mm×4 320 mm 防阻块为壁厚4 mm 燕尾形结构，立柱为130 mm×130 mm×4.5 mm×2 460 mm 立柱间距2 m 立柱埋深1.40 m 钢材材质均为Q355B;试验护栏安装高度1 m 安装总长度72 m。碰撞效果见图8。试验数据见表5和表6。

图8 新型护栏实车碰撞 下载原图

试验结果及检测数据表明，小型车辆未发生下钻，未与立柱直接碰撞，缓冲指标较优。大中型车辆未发生碾压，且护栏变形及车辆外倾较小，同等级三波形护栏车辆最大动态外倾当量值为2.27 m 新型护栏该数值最大为1.60 m 护栏防护效果得到显著提升。

表5 小型客车缓冲性能 导出到EXCEL

小型客车缓冲指标	横向	纵向
乘员碰撞速度/(m/s)	7.9	5.2
乘员碰撞后加速度/(m/s2)	118.8	133.5

表6 大中型车辆系统变形 导出到EXCEL

系统变形	中型客车	大型货车
最大横向动态变形/m	0.90	0.70
最大横向动态位移外延值/m	1.15	0.95
车辆最大动态外倾值/m	1.20	1.35
车辆最大动态外倾当量值/m	1.35	1.60

4 结语

本文以京雄高速公路(河北段)为依托，以广泛应用的波形护栏为参照，以对大中小型车辆全方位防护为目标，通过设计新型波形断面并设置双层组合波形护栏，基于新型护栏的安全性能，应用计算机仿真方法，从护栏高度、横梁分布、梁柱匹配及防阻块设置等方面进行分析，并通过实车碰撞试验对其安全性进行检测验证。新型双层组合波形梁护栏结构，上层横梁能防止大中型车辆穿越、翻越和骑跨，下层横梁可适当避免小型车辆从护栏底部下钻、降低碰撞立柱产生严重绊阻导致冲击过大的风险，多平面形横梁断面更有利于保持碰撞车辆的稳定性，燕尾形防阻块自旋转设计可在碰撞过程中保持护栏的有效高度。结果表明：采用新型波形护栏，小型客车在缓冲功能、大中型车辆在系统变形方面发挥了较同类护栏较优的防护效果。

参考文献

[1] JTG D81-2017 公路交通安全设施设计规范[S].北京：人民交通出版社，2017.

[2] JTG B05-01-2013 公路护栏安全性能评价标准[S].北京：人民交通出版社，2013.

[3] 崔洪军，等.护栏高度变化对防撞能力影响研究[J].重庆交通大学学报：自然科学版，2015 (1).

[4] LSTC.LS-DYNA Keyword User's Manual[M].Livermore Software Technology Corporation Livermore California.

[5] JTG/T D81-2017 公路交通安全设施设计细则[S].北京：人民交通出版社，2017.

[6] 金万军，等.基于梁柱匹配及基础安全的桥梁护栏优化研究[J].公路，2021 66(11):196-199.