梁柱式钢护栏横梁布局研究

摘要：利用计算机仿真技术，构建了SA、SS级梁柱式钢护栏的模型，系统分析了梁柱式钢护栏相同截面的横梁布局，以及横梁的壁厚组合。通过优化设计，确定横梁的高度、间距、壁厚，使其能够达到新的《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）的要求，为梁柱式钢护栏的开发提供了技术指导。

关键字：梁柱式钢护栏；横梁；仿真；碰撞

中图分类号： TU74 文献标识码： A

1引言

梁柱式钢护栏(除波形梁护栏以外)属于半刚性护栏，具有较好的变形能力和延性, 能够吸收大量的撞击能量，对车辆有一定的缓冲作用。其与混凝土护栏相比自重小, 结构型式灵活, 占用面积小，具有一定的视线诱导作用, 能与道路线形相协调；通透性好, 可在一定程度上满足周围环境景观的需要[[[1]北京深华达交通工程技术开发有限公司，公路护栏研究概况，技术成果介绍，2002年7月。]]。梁柱式钢护栏的应用越来越广泛，目前国内的工程实例如青岛海湾大桥、港珠澳大桥[[[]闰书明，方磊，张梁等．港珠澳大桥护栏碰撞试验条件研究[J]．城市道桥与防洪，201l，(4)：87―89．]]、上海东海大桥[[[]张剑英．东海大桥防撞护栏结构设计研究[D]．同济大学，2004．]]等。开展梁柱式钢护栏结构研究很有必要。

梁柱式钢护栏的横梁对车辆的碰撞起到了很关键的作用，虽然《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81-2006）[[[] JTG D81-2006T《公路交通安全设施设计细则》[S].]]对金属梁柱式护栏的构造有所规定，但过于宽泛。随着新的《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）[[[] JTG B05-01-2013公路护栏安全性能评价标准[S].]]的实施，有必要对梁柱式钢护栏的横梁进行系统分析。基于有限元法的碰撞仿真技术在护栏开发领域得到广泛的应用，仿真模拟具有周期短、费用低、数据丰富的特点。本文按照新标准的要求，采用仿真模拟技术来研究梁柱式钢护栏横梁，从而为护栏的整体设计提供参考[[[]闰书明．有限元仿真方法评价护栏安全性能的可行性[J]．振动与冲击，201l，30(1)：152-1 56．]]。

2梁柱式钢护栏横梁布局

（1）低横梁的高度确定

小客车的防护主要靠梁柱式钢护栏的低横梁，新标准中对小客车碰撞的安全性能评价指标主要从阻挡功能、缓冲功能、导向功能三个方面来衡量。其中对缓冲功能中乘员碰撞加速度的要求为纵向与横向加速度不得大于200m/s。在横梁截面一定的情况下，横梁的布局就对加速度有很大的影响，以满足最小乘员碰撞加速度的要求来确定低横梁的布局是合理的。

梁柱式钢护栏一般都有混凝土基础，通过预埋地脚螺栓使基础与护栏立柱连接，护栏基础具有伸出地面一定高度的路缘石[[[]陈向阳，邰永刚，张颖等．跨海桥梁组合式护栏设计研究[J]．公路交通技术，20 1 0，(6)：68―70．]]。现在初步设计一款新型的SA级护栏见图1。四根横梁，横梁之间通过套管连接。从地面开始往上数，分别称横梁一、二、三、四，护栏的结构参数见表1。为了减少小客车的碰撞加速度，使得碰撞时横梁变形吸能更大一点，横梁一、二的壁厚设定为4mm，横梁三、四的壁厚设定为6mm。

表1 SA级护栏结构参数

结构 尺寸（mm）

护栏总高 1400

立柱间距 2000

单根横梁长度 6000

路缘石高度 150

横梁一中心距地面高度 375

横梁间距 320

图1一款新型的SA级梁柱式钢护栏

按照新标准，SA级小客车碰撞参数为质量1.5t、速度100km/h、与护栏夹角20o。小客车碰撞过程仿真结果如下：

图2小客车碰撞过程行驶状态

由小客车的碰撞过程可以看出小客车碰撞姿态正常，能够顺利导出，提取小客车重心处的加速度见图3。x方向为车身纵向，y方向为车身横向。

（a）x方向加速度

（b）Y方向加速度

图3小客车碰撞加速度

数据经处理后，乘员碰撞加速度x方向为191.2m/s2，y方向为164.8 m/s2 。通过查看碰撞过程，发现保险杠没有完全与最下面的横梁碰撞接触，并且插到下面两根梁的中间，与立柱发生碰撞，产生绊阻。根据车辆模型的保险杠的高度，将横梁一的高度调整为440mm，其余横梁的间距调整为300mm，调整后碰撞过程仿真见图4。

图4小客车碰撞过程行驶状态

调整横梁高度后，横梁一与保险杠完全接触，保险杠变形比较充分，说明碰撞吸能较好。车辆碰撞姿态正常，能够顺利导出。乘员碰撞加速度见图5。

（a）x方向加速度

（b）Y方向加速度

图5小客车碰撞加速度

数据经处理后乘员碰撞加速度x方向145.6m/s2，y方向为198.8 m/s2，很明显车辆没有绊阻，横梁变形合理，x方向加速度下降。所以调整最下面的横梁高度是合理的。

在横梁一的高度确定后，以SS级护栏来研究横梁二的高度影响。初步设计SS级整体高度为1500mm，还是4根横梁，横梁一的高度保持不变，为440mm。其余横梁间隙均布，即横梁一与横梁二的间隙为333mm。小客车碰撞行驶状态见图6，小客车碰撞加速度见图7。

图6小客车碰撞加速度

（a）x方向加速度

（b）Y方向加速度

图7小客车碰撞加速度

数据经处理后乘员碰撞加速度x方向146.4m/s2，y方向为211.2 m/s2，不能满足标准要求。碰撞后护栏变形见图8，可见主要是横梁一发生了变形，其余部位基本上没有变形。

图8护栏变形情况

为了使y方向的加速度满足标准要求，将横梁一与横梁二的间距调整为300mm，调整后碰撞过程仿真见图9，小客车碰撞加速度见图10。

图9小客车碰撞过程行驶状态

（a）x方向加速度

（b）Y方向加速度

图10小客车碰撞加速度

数据经处理后乘员碰撞加速度x方向146.4m/s2，y方向为200 m/s2，y方向加速度降低，能够满足标准要求。横梁的变形情况与调整前基本相同。

经过仿真对比分析后发现，在横梁截面形状及壁厚一定的情况下，横梁一的高度、横梁一与横梁二的间距对小客车的碰撞影响较大。小客车的保险杆在碰撞过程中是其主要的吸能部位，在碰撞护栏的过程中为了使其充分变形吸能，横梁一的高度应该尽可能的与小客车保险杆保持一致，这样可以最大限度的减少乘员碰撞加速度，经过调查小客车保险杆的高度，设定了横梁一的高度为440mm。横梁一高度确定以后，其与横梁二的间距对小客车的碰撞加速度也有很大的影响，经仿真计算定为300mm较为合适，这样的间距不会使小客车部件插入到横梁一、二之间，避免了碰撞过程中小客车与立柱发生剐蹭、绊阻。

（2）高横梁的高度确定

新标准中规定了与SA级护栏碰撞的货车车厢底板高度为1250mm，容许误差为±15%，为了使护栏能够接触到货车的底板，设定护栏总高为1400mm，通过与大客车及大货车的碰撞仿真，加以验证护栏高度设定是否合理。SA级大客车与大货车的碰撞条件见表2。大型客车、大型货车碰撞行驶状态见图11、13，大型客车碰撞后护栏的变形情况见图12。大型货车碰撞后护栏的变形情况见图14

表2 SA大客车与大货车碰撞条件

碰撞车型 车辆总质量（t） 碰撞速度（km/h） 碰撞角度（o）

大型客车 14 80 20

大型货车 25 60 20

图11大型客车碰撞行驶状态

横梁变形情况

图12大型客车碰撞后护栏的变形情况

大货车的碰撞行驶过程

图13大型货车碰撞行驶状态

图14大型货车碰撞后护栏的变形情况

由仿真结果可以看出，护栏的整体高度设定为1400mm较为合理，横梁的组合能够防护大型车辆的碰撞，使其顺利导出。横梁二可以与两种车型的保险杆高度保持一致，这样能使车辆和护栏都有较好的能量吸收。横梁一、二可以使车辆前轮顺利转向，上两根横梁能够使得车头很好的转向，横梁四对防止车辆侧翻很关键。由于大货车的质量较大，车厢底板只与最上面的横梁接触，使得横梁变形较大。

3横梁壁厚的优化设计

针对SA级护栏高度及横梁的布局确定后，再对横梁的壁厚进行优化计算，因为大货车碰撞使得横梁变形较为严重，所以用大货车来校验不同壁厚横梁组合的安全性，通过25t大货车的碰撞来分析两组壁厚组合。设定SA级护栏的下两根横梁壁厚为3mm，上两根横梁的壁厚为5mm，简称为3-5组合护栏。另外设定一组4-6组合护栏，其他条件相同，然后进行仿真计算对比。

3-5组合护栏大货车碰撞仿真见图15。碰撞过程无绊阻，导出顺利，由于大货车的重心较高，碰撞时车辆倾斜的角度较大。4-6组合护栏的碰撞过程与3-5组合的基本相同。

图15大型货车碰撞行驶状态

碰撞后护栏变形情况如图16，仿真结果显示 3-5组合护栏的横梁变形较大。

（a）3-5组合护栏变形

（b）4-6组合护栏变形

图16碰撞后护栏变形情况

由以上对比可以看出，两种组合的护栏都能够通过SA级大货车的碰撞，3-5组合的护栏横梁变形较大，车辆碰撞时侧倾的角度较大，为了安全起见， SA级护栏的横梁壁厚组合以下两根横梁4mm、上两根横梁6mm较好。

4结论

在壁厚以及横梁截面一定的情况下，通过仿真计算确定了SA级护栏的整体高度、横梁一的高度以及横梁一与横梁二之间合理间距。在横梁布局确定的情况下，通过设定不同横梁壁厚组合，来考察护栏的性能。这样设计的护栏，既对高速碰撞的小客车有很好的防护作用，也能对大客车和大货车提供足够的防护力，使得护栏能够满足新标准的要求。如有条件可以进行实车碰撞试验，以验证仿真的正确性[[[]周炜，张天侠，乔希永等．汽车与不同形式高速公路护栏碰撞的试验研究[J]．公路交通科技，2006，23(7)：l 37―1 4 1．]]。