高速公路双条半刚性护栏设计及碰撞仿真研究样本.doc

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分类号 U491 单位代码 10618
密 级 学 号 10818001

硕 士 学 位 论 文

论文题目: 高速公路双条半刚性护栏设计及碰撞仿真研究
Physical Design of Freeway Double-Bar Semi-Rigid
Guardrail and Impact Simulation of Vehicle-Guardrails

研究生姓名: 唐 辉
导师姓名、 职称: 刘建勋 副教授
申请学位门类: 工 学
专 业 名 称: 载运工具运用工程
论文答辩日期: 年 4月 19日
学位授予单位: 重 庆 交 通 大 学
答辩委员会主席: 胡可钊
评阅人: 胡可钊
李 军
年 4月
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它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: 日期: 年 月 日

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学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年 月 日 日期: 年 月 日
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学位论文作者签名: 指导教师签名:
日期: 年 月 日 日期: 年 月 日

摘 要

近年来, 随着中国汽车保有量和高速公路里程的不断增加, 公路上发生的交通事故也在逐年增加, 其中近1/3的事故是由汽车与护栏碰撞造成的。汽车的微型化、 大型化和重型化又使得现有护栏防御性能不断下降, 每年造成巨大的人员伤亡和财产损失。因此, 分析汽车与高速公路护栏碰撞事故机理, 研究新型防撞护栏提高护栏的防护性能具有非常现实而重大的意义。
本文经过计算机仿真的方法对汽车与高速公路护栏碰撞以及护栏防撞性能展开研究。首先, 分析和对比国内外高速公路护栏防撞试验和安全评价标准, 确定新型护栏的试验方案和安全评价指标; 其次, 分析汽车发生事故机理和建立事故数学模型, 确定了新型护栏——双条半刚性护栏的基本形式, 并根据事故数学模型和均匀设计试验方法确定双条半刚性护栏的结构参数; 最后, 利用HyperMesh软件建立汽车与护栏有限元模型和仿真系统, 运用LS-DYNA软件进行模型的求解, 经过车体和护栏动态响应研究, 对比和分析双条半刚性护栏与现有护栏的防撞性能, 并以护栏最大变形量、 车辆驶出角度和最大加速度等为评价指标, 验证双条半刚性护栏具备优越的防御性能。
本文的研究成果对中国护栏碰撞安全标准中乘员头部损伤评价具有一定的参考价值, 为双条半刚性护栏及其衍生护栏结构的进一步研究和应用提供理论依据, 具有重要的工程实用价值。

关键词: 双条半刚性护栏; 波形护栏; 均匀设计; 碰撞仿真

ABSTRACT

As the vehicle capacity and the freeway mileage increase, the number of traffic accidents is also growing in recent years, and one third of the accidents are caused by vehicles crash the guardrail. Crashworthiness performance of the present guardrail is declining since the vehicle becomes miniaturization, large-scale or heavy. It causes huge casualties and heavy property damages every year. Therefore, it has a great significance to do researches on crash mechanism between vehicle and the guardrail, design new guardrail to improve the crashworthiness.
In the paper, crash between vehicle and the guardrail, performance of the guardrail crashworthiness are studied through computer simulation method. First, guardrail crashworthiness tests and security evaluation criteriaion at home and abroad are analysed and compared, test scheme and evaluating indicators of a new guardrail is established. Then, crash mechanalism is analysed and the crash simulation model is created. According to the crash simulation model and test method of uniform design, a new guardrail which called double-bar semi-rigid guardrail and its structural parameters is identified. Finally, finite element models and vehicle-guardrail system is created through HyperMesh, and calculated by LS-DYNA. After studying the dynamic response of vehicle and the guardrail, crashworthiness of the two guardrails are analysed and compared, max displacement of the guardrail, vehicle max acceleration, driving out angle and such kinds of evaluating indicators verify that new guardrail has excellent crashworthiness performance.
For the evaluation of passenger’s head injury, the research results of this paper possess a definite reference value for guardrail crash safety standards of our country, also provide theoretical basis of double semi-rigid guardrail and derivative structure of waveform guardrail for further research and application, has an important engineering practical value.

KEY WORDS: Double-bar semi-rigid guardrail; W-beam guardrail; Uniform design; Impact simulation

目 录

第一章 绪 论 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外防撞护栏研究现状 4
1.2.1 国外防撞护栏研究现状 4
1.2.2 国内防撞护栏研究现状 5
1.3 研究目的及意义 6
1.4主要研究内容 7
1.5 研究方法 7
1.6 本章小结 8
第二章 防撞护栏试验方法及安全评价标准分析 9
2.1 各国护栏试验方法及评价标准概况 9
2.1.1 美国NCHRP Report 350概况 9
2.1.2 欧盟EN1317-2概况 10
2.1.3 中国JTG/T F83-01- 概况 10
2.2 各国护栏试验方法及评价标准对比分析 10
2.2.1 各国护栏等级划分及碰撞初始条件 10
2.2.2 护栏安全性能评价指标 14
2.2.3 评价指标对比分析 15
2.3 中国护栏安全评价标准分析 20
2.4 本章小结 22
第三章 双条半刚性护栏结构设计 23
3.1 汽车与护栏碰撞机理 23
3.2 车辆碰撞防撞护栏后引发骑跨、 下钻事故的分析 24
3.2.1 骑跨事故分析 24
3.2.2 下钻事故分析 29
3.3 设计思想 30
3.3.1 设计目的 30
3.3.2 结构形式 30
3.3.3 工作原理 31
3.3.4 变形分析 31
3.3.5 双条半刚性护栏特点 32
3.4 待求参数分析 33
3.5 参数设计流程 34
3.6 参数范围的确定 34
3.6.1 上护栏板安装高度H范围的确定 34
3.6.2 下护栏板安装高度h范围的确定 36
3.6.3 护栏板伸出量差值δ和立柱跨度L范围的确定 37
3.7参数的优化设计 38
3.7.1 均匀设计原理 38
3.7.2 均匀设计试验 39
3.7.3 数学建模 43
3.7.4 优化处理 44
3.8 本章小结 46
第四章 汽车-护栏碰撞系统仿真模型的建立 47
4.1 有限元建模平台 47
4.1.1 仿真软件LS-DYNA 47
4.1.2 前处理软件HyperMesh 47
4.1.3 汽车与护栏碰撞仿真流程 48
4.2 某轿车有限元模型 49
4.3 某货车有限元模型 54
4.4 护栏有限元模型 55
4.4.1 波形护栏板模型 56
4.4.2 立柱模型 58
4.4.3 防阻块模型 58
4.4.4 护栏各组件的连接 59
4.5 地面模型 59
4.6 ”车辆-护栏-地面”碰撞体系的耦合 60
4.6.1 碰撞假设与简化处理 60
4.6.2 参数确定及计算控制 60
4.7 本章小结 63
第五章 汽车-护栏碰撞仿真结果分析 64
5.1 试验方案的确定 64
5.2 某轿车与双条半刚性护栏碰撞仿真结果分析 64
5.2.1 碰撞过程及能量变化 64
5.2.2 乘员安全性能 65
5.2.3 车辆安全性能 66
5.2.4 护栏防撞性能 66
5.3 某轿车与现有波形护栏仿真结果分析 67
5.3.1 碰撞过程 67
5.3.2 乘员安全性能 68
5.4 某货车与双条半刚性护栏碰撞仿真结果分析 69
5.4.1 碰撞过程及能量变化 69
5.4.2 乘员安全性能 69
5.4.3 车辆安全性能 71
5.4.4 护栏防撞性能 71
5.5 某货车与现有波形护栏仿真结果分析 71
5.5.1 碰撞过程 71
5.5.2 乘员安全性能 71
5.6 双条半刚性护栏与现有护栏对比分析 73
5.7 本章小结 73
第六章 结论与展望 74
6.1 结论 74
6.2 展望 74
致 谢 75
参考文献 76
在学期间发表的论著及取得的科研成果 80

第一章 绪 论
1.1 研究背景
汽车从诞生之日起, 就扮演着重要的角色, 它作为当今不可或缺的现代交通工具, 极大地丰富了人们的生活。人们在享受汽车所带来的快捷方便的同时, 交通事故也给社会造成了巨大的损失, 交通安全成为人们备受关注的焦点。随着高速公路的快速发展, 交通事故问题日益突出, 成为世界各地持续关注的热点问题。交通安全问题已是一个世界性的大难题[1][2]。
近年来, 随着各国汽车安全性能研究的不断深入, 道路交通事故呈现出下降趋势。虽然中国在安全性能研究领域取得了一定的成果, 然而道路交通问题依然十分严峻, 比其它国家严重许多。 , 中国万车死亡率是美国的8.08倍、 英国的11.47倍、 德国的10.68倍, 中国万车死亡率是美国的3.62倍、 英国的6.48倍、 德国的6.62倍, 如表1.1所示。

表1.1 - 世界部分国家万车死亡率统计表[3]
Tab.1.1 Statics of mortality per 10000 vehicles in some countries by the year: -
国 别

德国
1.46
1.33
1.28
1.23
1.08
0.98
0.93
西班牙
2.48
2.28
2.13
2.10
1.80
1.60
1.44
法国
2.36
2.35
2.16
1.68
1.59
1.43
1.25
意大利
1.61
1.63
1.60
1.43
1.30
1.35
1.31
荷兰
1.36
1.22
1.18
1.23
0.95
0.87
0.84
英国
1.21
1.18
1.15
1.10
1.02
0.99
0.95
美国
1.93
1.91
1.91
1.86
1.80
1.77
1.70
日本
1.20
1.14
1.08
0.99
0.84
0.87
0.80
韩国
7.40
5.50
4.60
4.40
3.90
3.40
3.20
中国
15.60
5.46
13.71
10.81
9.93
7.57
6.16

据统计, 自 以来, 道路交通事故四项指标( 即事故次数、 死亡人数、 受伤人数和直接财产损失) 基本均以先升高再降低态势进行转化。在 , 道路交通事故发生次数, 死亡人数和受伤人数均达到峰值。数据还表明, 在 至 间, 交通事故发生次数下降幅度最大, 而死亡人数变化幅度最小( 如图1.1所示) 。可见, 道路交通事故发生次数的减少, 并不能较为显著的降低人员的死亡人数。
在高速公路上, 其四项指标及占总数的比例关系走势如图1.2所示。不难发现, 在高速公路上发生交通事故造成的人员伤亡在数量上和所占比例均为强劲的上升趋势, 直接财产损失自 之后虽出现下降态势, 但其占总数比例仍为上升态势。
经过对中国高速公路交通事故数据统计做进一步分析可知, 随着中国高速公路管理水平的提高及人们安全意识的不断加强, 中国高速公路事故增加率、 每百公里交通事故数总体呈下降趋势, 但随着高速公路里程的不断增加, 高速公路交通事故绝对数和致死率( 见表1.2) 仍在继续增加, 而且事故中属于汽车与护栏碰撞的绝对数呈强劲的上升势头[4]。

图1.1 历年全国道路交通事故数据
Fig.1.1 Traffic accident data in the past few years

图1.2 历年高速公路四项指标及占总数比例图
Fig.1.2 Four indicators and proportion of freeways over the past few years
表1.2 - 中国高速公路交通事故数据统计分析表[5]
Tab.1.2 Statistical analysis of freeway traffic accidents in China by the year -
年份
高速公路里程( 公里)
致死率
( %)
全国交通事故致死率( %)
百公里
事故次数
百公里
死亡人数

16314
25.1
18.3
119
13

19437
24.0
16.2
129
17

25130
24.3
16.3
119
16

29745
26.3
17.4
122
18

34288
29.1
18.2
71
18

41005
29.0
17.4
44
16

45339
28.0
17.2
32
15

53913
29.2
17.7
23
11

统计结果进一步表明, 在中国的道路交通事故中, 发生在高速公路上的约有30%是车辆越出路外造成的, 且由此造成的特、 重大恶性交通事故占该类事故总数的比例达62%以上, 中国每年有1/3的死亡事故发生在车辆与路侧碰撞的单车事故中, 也就是说, 每3人死亡事故中, 就有1人死于车辆驶离道路的事故, 且呈逐年上升趋势 [1][6]。图1.3为汽车与护栏碰撞事故。

图 1.3 汽车与护栏碰撞事故
Fig.1.3 Accidents between Vehicle and guardrail

因此, 在开展汽车自身安全技术研究的同时, 在交通道路上特别是高速公路上设置合适的防撞护栏对降低交通事故严重程度显得格外重要, 经过对现有护栏安全性的改进和新型护栏安全性设计技术的研究, 以提高汽车运行的安全性和保证乘员人身安全是十分必要和具有现实意义的。
1.2 国内外防撞护栏研究现状
1.2.1 国外防撞护栏研究现状
在美国, 众多部门和组织对高速公路防撞护栏的研究都十分重视, 例如美国高速公路交通安全管理局NHTSA, 美国交通运输安全署AASHTO、 美国交通运输研究委员会TRB、 美国交通部DOT, 美国联邦公路局FHWA以及美国德克萨斯A&M 大学运输研究所TTI等。早在1920年, 美国就开始了对护栏进行了研究和使用, 在理论分析和模拟实验的基础上, 经过大量实车足尺护栏碰撞试验, 对多种护栏形式、 护栏端头、 缓冲装置、 防阻块等护栏安全系统进行了全面的、 深入的研究, 积累了大量的资料和丰富的经验, 制定出了一系列护栏形式选择、 结构设计、 实验验证的标准化程序以及生产制造、 运输安装和维护的规范和标准[7][8]。
在欧洲, 如法国、 意大利、 德国等在上个世纪六七十年代相继开展了有关防撞护栏方面的研究工作, 从理论和实验上研究了不同结构形式的护栏, 建立、 健全了相应的实验设施及实验规程。
日本从50年代开始这方面的研究, 并在名神高速公路开始大规模使用护栏。在随后十几年中, 日本的众多研究机构对各种护栏进行了广泛深入的研究, 于1965年制定了护栏设置纲要, 对护栏的适用范围, 结构设计, 功能要求、 施工安装等方面做出了明确的规定[9]。
新型防撞护栏结构形式的研究、 防撞护栏材料的选用及防撞护栏安全性能评价依然是当今交通界的研究热点, 其中以下两点的研究尤为活跃:
①防撞护栏结构形式研究
按照在公路中的纵向设置位置, 护栏可分为路基护栏和桥梁护栏; 按其在公路中的横向设置位置, 可分为路侧护栏和中央分隔带护栏; 根据碰撞后的变形程度, 护栏可分为刚性护栏、 半刚性护栏和柔性护栏, 其主要代表型式分别为混凝土护栏、 波形护栏和缆索护栏[10]。以双波为代表的半刚性护栏应用最为广泛, 对其结构形式的研究比较突出。如L.C. Bank, T.R. Gentry[11]开发的拉挤复合材料型护栏, 利用护栏板自身材料组合结构进行受控撕裂从而吸收碰撞能量, 而非采用弹性材料的塑性变形吸能, 提供了一种波形护栏设计思想。K.E., Engstrand[12]研究了双波护栏板间的连接方式, 以减少碰撞过程中的脱离现象。M Vesenjak等人[13]分别对双波护栏的U型、 Z型、 六边形型及D型防阻块结构进行了碰撞性能探讨, 得出六边形结构形式的防阻块所受车辆碰撞角度影响较小以及在吸能方面有明显优势。M. Borovinšk等学者[14]讨论了三种波形护栏衍生结构的防撞性能, 如图1.4所示。第一种是在防阻块后新设一根钢条, 第二种是在立柱上新增一钢条, 第三种则结合半刚性护栏与柔性护栏结构形式, 在半刚性护栏的双波后面加载两条钢缆。运用有限元仿真试验对比分析, 得出第二种结构形式在不过大地牺牲护栏最大变形量指标和车辆加速度限制指标的前提下, 能够更为有效地校正车辆运行轨迹。

图1.4 波形护栏衍生结构
Fig.1.4 Derivative structure of waveform guardrail

②护栏板高度研究
以双波半刚性护栏为例, 护栏主要有护栏板、 防阻块、 立柱等基本构件组成。护栏板高度对碰撞车辆运动状态有着重大影响。高度过低很容易引起车辆发生骑跨、 侧翻甚至冲出护栏的交通事故, 造成严重损失; 高度过高则易于引发车辆下钻护栏事故, 特别是轿车更为明显, 损失也十分惨重。Reid J.D.[15] 、 Faller P.K.[16]等学者研究了护栏高度对其防撞性能的影响。Sicking D.L.[17]等从碰撞车辆重心的角度考虑相适应护栏板高度, 并采用全尺实车碰撞试验和计算机仿真方法验证了新护栏高度的适用性。Marzougui, D.[18]等则以碰撞车辆保险杠高度的角度出发考虑相应的护栏板高度。
不难发现, 为了适应汽车向微型化、 大型化和重型化演变的需要, 有效保证车辆和乘员的安全, 众多学者在对各种新型防撞护栏的结构和护栏板的高度方面进行了大量的研究和探索, 并提出了各种新颖的防撞护栏结构和护栏板高度, 值得我们借鉴和学习。
1.2.2 国内防撞护栏研究现状[7]
中国在”七五”期间开始针对高速公路护栏的设计、 生产与施工等方面展开了研究。交通部公路科学研究所从1984年开始对波形梁护栏进行了系统的研究, 根据中国的护栏设计条件, 提出了适合中国国情的护栏结构形式。该结构采用厚度3mm的深波纹横梁, Z字形开口型钢立柱的形式, 从1989年起在全国推广应用。但根据随后几年的在高速公路、 一级公路的工程实践得出, Z形柱强度太弱, 损坏严重, 不利于行车安全。故交通部公路管理司于1994年5月下令停止使用波形梁护栏”Z”形柱。1992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作了调查。据此拟定了”波形梁护栏实车碰撞试验方案”。经交通部工管司批准, 公司联系了近十个单位组织了近百人的实验研究课题组, 进行了一年多的工作, 完成了中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, 紧接着公司又承担了”玻璃钢护栏的实验研究”工作并经过分析、 计算和实验圆满地完成了这项工作。1992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。该结构由于横梁采用变截面形式, 横梁在搭接处结合紧密, 使高强螺栓的性能得以充分发挥, 横梁在搭接处产生断裂的可能性大为减小, 从而保证了横梁的连续作用, 并使线形更加顺适美观, 造价降低。该结构形式已应用于首都机场和成渝高速公路, 并将作为中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。到1994年初中国制定了行业标准(JTJ074—94)《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》; 到1997年, 交通部公路科学研究所就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、 车速高使得当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。 , 交通部编写发布了《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、 大型车比例高的路段和山区高速公路等地形不利之处。
1.3 研究目的及意义
虽然中国的防撞护栏在研究和实践上取得了一定的进步, 但整体上与国外相比还是存在一定的差距。当前, 中国半刚性防撞护栏已无法满足交通安全要求, 主要表现在:
①护栏设计基本参照国外的相关标准和规范, 而国内道路状况、 汽车类型、 行驶车速以及道路限速等诸多因素并不与国外相一致, 防撞护栏的安全性能尚未完全得到发挥。
②车型格局的变化, 高速公路上的车型向微型化和重型化两个方向发展。车型微型化因车身变得更小更低而必将增加碰撞现有半刚性护栏时发生绊阻、 钻入护栏的可能性; 车型巨型化因质量更大、 重心更高而提高碰撞现有半刚性护栏车辆骑跨或翻车甚至冲出护栏的风险性。
③某些高速公路因路面修复在原路面增铺一层沥青路面, 相应降低了护栏的高度, 特别对大型车的安全防护极为不利。
因此, 为了同时有效地防止汽车微型化引发的车辆下钻护栏事故和汽车重型化造成的车辆骑跨甚至冲出护栏的事故发生, 缩小中国与国外防撞护栏水平, 保证乘员基本安全和减小碰撞事故损失, 有必要对现有半刚性护栏进行深入研究。
1.4主要研究内容
本文从汽车与护栏碰撞力学模型研究出发, 设置双条半刚性护栏基本结构尺寸, 采用HyperMesh和LS-DYNA软件, 利用动态显示非线性有限元方法建立和求解”汽车-双条半刚性护栏”耦合模型, 从碰撞后车内乘员安全性、 车体加速度、 车辆运行状态、 车辆运行轨迹和护栏最大变形量等角度研究其碰撞安全性能, 以及与”汽车-半刚性护栏”模型碰撞结果进行对比分析, 修正双条半刚性护栏结构参数, 并验证双条半刚性护栏安全性能优越于其它形式护栏。具体研究内容如下:
①对欧盟《高速公路护栏安全性能评价标准》( BSEN1317-1998) 、 美国《高速公路安全设施安全性能评价推荐程序》( NCHRP Report 350) 和中国的《高速公路护栏安全性能评价标准》( JTG/TF83-01- ) 进行对比分析, 结合中国《实车正面碰撞乘员保护设计规则》( CMVDR, 294) 探讨适合中国护栏碰撞中乘员安全评价方法。
②双条半刚性护栏结构形式研究及参数确定。
③双条半刚性护栏碰撞性能仿真研究。
1.5 研究方法
首先, 在双条半刚性护栏结构参数设计过程中, 采用均匀设计试验方法。均匀设计(Uniform Design)是基于试验点在整个试验范围内均匀散布的从均匀性角度出发的一种试验设计方法, 它着重在试验范围内考虑试验点均匀散布以求经过最少的试验来获得最多的信息, 适合于多因素多水平的试验和系统模型完全未知的情况。经过均匀设计试验方法, 在DPS数据处理平台上构建护栏安全评价指标与护栏结构参数的数学模型, 借助各个护栏安全评价指标来确定双条半刚性护栏的结构参数。
其次, 采用MATLAB软件中fmincon函数进行双条半刚性护栏结构参数的优化。fmincon函数能够很好的解决非线性多变量约束最优化问题, 因此, 采用此优化函数。
最后, 在HyperMesh软件中建立汽车与护栏碰撞模型, 提交至LS-DYNA软件进行计算机仿真试验。当前, 汽车与护栏碰撞的研究方法主要有三种: 实车足尺碰撞试验法、 缩尺模型试验法和计算机仿真法。由于实验条件和成本的限制, 本文采用计算机仿真方法进行研究。
计算机仿真法是根据力学原理, 经过理论分析建立相应的数学模型, 借助计算机进行数值模拟计算, 仿真汽车与护栏实际碰撞过程以获取碰撞数据的方法。由于这种方法具有成本低廉、 方便快捷、 可重复性好等优点, 现已成为实车碰撞的有力补充和重要参考。随着计算机技术和计算算法的快速发展, 计算机模拟在研究汽车碰撞安全领域得到广泛应用, 特别在乘员保护措施、 汽车和护栏结构的优化等方面发挥着巨大作用。当前, 较为常见的力学模型主要以有限元模型和多刚体模型为主[19][20][21][22], 其仿真软件包括ANSYS、 LS-DYNA、 MADYMO、 PAM-CRASH、 PC-CRASH、 ADAMS、 VGP等。在对汽车与护栏碰撞仿真分析时, 大多数还是以动态显示非线性有限元为理论依据, 软件LS-DYNA最具代表性。
1.6 本章小结
本章根据事故统计数据发现汽车与护栏碰撞事故具有普遍性和严重性; 随后介绍了国内外防撞护栏的研究现状; 在此基础上提出本文研究的目的及意义、 主要研究内容, 最后归纳了常见研究方法, 以及本文所采用的方法。

第二章 防撞护栏试验方法及安全评价标准分析
随着世界各国高速公路的不断发展, 防撞护栏对交通安全起到了至关重要的作用。防撞护栏的安全评价是检查护栏能否起到保护车辆作用的重要指标, 也是考察护栏在事故中是否减少人员伤亡和财产损失的重要体现, 防撞护栏的安全性能评价也一直备受各国研究人员的关注。
当前, 世界各国的高速公路护栏安全性能评价已逐渐发展并形成两大主要评价体系, 即以美国公路合作研究组织NCHPR( National Cooperative Highway Research Program) 为代表编著的《高速公路安全设施安全性能评价推荐程序》( NCHRP Report 350) 和欧盟标准化委员会CEN( Committee European Normalization) 为代表编写的《高速公路护栏安全性能评价标准》( EN1317-2) 。中国的高速公路护栏安全性能评价标准( JTG/T F83-01- ) 则以欧盟的EN1317和美国的NCHRP350为蓝本, 并结合中国实际情况编写而成。
2.1 各国护栏试验方法及评价标准概况
2.1.1 美国NCHRP Report 350概况
美国是最早进行高速公路安全护栏试验和评价标准研究工作的, 早在1962年, 由几家安全护栏研究机构在”Highway Research Correlation Services Circular 482”发表了仅一页的安全护栏实车碰撞试验程序。它只是简单地规定了试验车质量、 碰撞速度及碰撞角度参数, 但没有详细的评判标准。1973年, 在政府的资助下由Southwest Research Institute主持了NCHRP Project 22-2研究计划, 其后发表了NCHRP Report 153。包括对护栏防撞性能的评价、 护栏各部件脱离评价、 车辆碰撞最大加速度限制等内容[23]。这个只有16页的研究报告结合了美国70多家研究机构及个人的研究成果。其安全护栏的试验及性能评价标准得到了广泛的应用。
NCHRP Report 153在经过不断的试验及修订后, 于1980年颁布了新的安全护栏试验及评价标准NCHRP Report 230。该标准对NCHRP Report 153进行了大量的修改, 其适用范围也进一步扩大。该报告还引入了基于”连枷空间模型”的乘员风险评价标准, 对乘员损伤的评价更为接近实际碰撞情况[24]。
从1989年后以首席调查员 Dr. Hayes Ross和其助手Jarvis Mishie为首的研究小组对NCHRP Report 230进行了大量的试验及研究, 起草了修改草案, 于1993年发表了新的安全护栏试验及评价标准NCHRP Report 350, 提出了6种护栏等级与评价标准及其测试程序, 并规定各种道路上使用的新型护栏都须安装350报告规定的等级和程序进行实车碰撞[25]。新标准和NCHRP Report 230相比, 有更加详细的安全护栏试验及评价标准。至此, NCHRP Report 350基本成为世界各国采用的通用的安全护栏试验及性能评价准则[26]。
2.1.2 欧盟EN1317-2概况
英国安全护栏碰撞试验及评价标准BS 6779是1987年8月第一次颁布的, 后来分别在1990年、 1992年及1998年进行了修订。先普遍采用的标准是1998年3月颁布的第四次修订的版本。同年英国的BSI同时发布了以BS 6779为蓝本的英文版标准BS EN1317:1998。该标准同时也被欧洲委员会CEN( Committee European Normalization) 订为欧共体国家的通用标准。该标准原定于 1月1日将完全取代现行的英国安全护栏的标准BS 6779。现在欧洲安全护栏的试验方法及评价标准BS EN1317:1998与英国标准BS 6779仍并存。BS EN1317:1998对BS 6779进行了大量的修改, 增加了安全护栏的评定等级及试验的种类等很多细节, 正逐步向美国的NCHRP Report 350靠拢[26]。
BS EN1317:1998主要由六大部分组成, 包括常规标准测试方法及术语( EN 1317-1) ; 护栏安全性能等级、 试验方法及评价标准( EN 1317-2) ; 防撞垫性能等级、 试验方法及评价标准( EN 1317-3) ; 护栏端头、 过渡护栏性能等级、 试验方法及评价标准( EN 1317-4) ; 耐久性评价标准( EN 1317-5) 以及行人护栏( EN 1317-6) 。
2.1.3 中国JTG/T F83-01- 概况
中国有关高速公路护栏安全评估始于《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》( JTJ074-94) , 该规范对高速公路其它交通安全设施也进行了研究。而单独以护栏作为评估对象的标准, 是 12月颁布的《高速公路护栏安全性能评价标准》( JTG/T F83-01- ) ( 以下简称F83) 。F83以欧盟的EN1317和美国的NCHRP350为蓝本, 并结合中国实际情况编写而成, 标准第一次详细地提出了详