防撞墊

防撞墊吸能型防撞墊

概述

實踐證明，現(xiàn)有高速公路護欄標準段基本能夠有效減弱交通事故的嚴重程度，但高速公路交通分流處的護欄端部發(fā)生碰撞事故，常會給事故車輛和司乘人員造成嚴重傷害，因此需要在公路交通分流處或障礙物前端設置防撞墊，車輛碰撞時通過防撞墊變形吸收碰撞能量，從而降低乘員的傷害程度。

本文首先提出了一種高吸能型防撞墊結構，然后通過有限元仿真技術對防撞墊結構進行計算分析和結構優(yōu)化，并最終經小型客車正碰、偏碰、斜碰和正向側碰等4 次實車足尺碰撞試驗評價，驗證所研究提出的高吸能型防撞墊結構可以達到《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －01 －2013)TS 級防護等級，各項評價指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －01 －2013)要求。

1防撞墊結構碰撞條件與評價標準

2013 年12 月1 日《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －01 －2013)作為基礎類、強制性標準頒布，其中嚴格規(guī)定應用在公路上的防撞墊必須要經實車足尺碰撞試驗驗證，其安全防護性能滿足評價指標要求，并對防撞墊的實車足尺碰撞試驗提出嚴格要求。對于 TS 級防護等級的防撞墊結構，必須采用1. 5t 的小型客車，以100km /h 的碰撞速度，進行正碰、偏碰、斜碰、正向側碰等4 次實車足尺碰撞試驗，同時規(guī)定防撞墊的安全性能評價指標包括3 個方面:阻擋功能、緩沖功能、導向功能?；凇豆纷o欄安全性能評價標準》(JTG B05 －1－2013)的規(guī)定，可以總結出12 個安全評價指標，其中最大加速度和最大速度均取縱向和橫向分量中較大的數(shù)值。防撞墊結構主要依據(jù)這12 個評價指標進行研究。

2新型防撞墊結構的提出

防撞墊應同時具有正碰壓縮吸能功能和側碰阻擋導向功能，為了實現(xiàn)側碰時的阻擋導向功能，防撞墊側面設置導向板，增強防撞墊側向剛度; 底部設置導向滑軌，控制防撞墊在車輛碰撞后可沿著一定軌跡移動，同時防止偏離太遠對正常運行車輛造成干擾; 為了實現(xiàn)正碰時壓縮吸能功能，防撞墊設置成多節(jié)結構，每節(jié)內部設置吸能桶，減少瞬時碰撞對小客車以及乘員的傷害程度; 同時導向板設置滑槽，使其在受到正面碰撞時可順利壓縮。

3結構優(yōu)化

3.1 初步仿真計算

首先對新型防撞墊結構進行了初步仿真計算。根據(jù)仿真計算結果，正碰滿足評價標準要求，但正向側碰時小客車發(fā)生絆阻，不滿足評價標準要求。根據(jù)分析，其原因主要是防撞墊側向剛度不足。

3.2 側向剛度優(yōu)化

根據(jù)新型防撞墊結構初步仿真計算結果，需提高其側向剛度。將原豎向放置的吸能桶改為平面放置 ，一方面不影響防撞墊正面碰撞的吸能性能，另一方面可以增加其側向剛度。根據(jù)仿真計算結果，優(yōu)化后防撞墊側向剛度明顯增加，解決了小客車正向側碰絆阻的問題，同時正碰性能基本沒有改變，但在斜碰過程中，小客車躍起較高，有翻車的風險。根據(jù)分析，其原因是防撞墊較寬，碰撞接觸面積較大，作用力不集中，于是考慮減小防撞墊寬度。

3.3 斜碰性能優(yōu)化

將雙排吸能桶改為單排吸能桶，得到減寬結構防撞墊。根據(jù)仿真計算結果，將防撞墊的寬度減小，有效減小了小客車的躍起，但同時，防撞墊寬度的減小，又造成了防撞墊側向剛度的減弱，導致正向側碰不滿足安全指標。

3.4 側向剛度二次優(yōu)化

為了增加防撞墊側向剛度，將吸能桶內折板改為加強肋板結構 ，以起到增強防撞墊側向剛度的目的?？梢娂訌娎甙褰Y構防撞墊完全滿足12 個評價指標，具備進行實車足尺碰撞試驗的條件。

4 結語

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －1－2013)規(guī)定的防撞墊安全性能評價標準，總結出12項安全性能評價指標，整個結構研發(fā)均是以滿足這12項指標為目標。優(yōu)化過程復雜繁瑣，且各項指標相互制約，每一階段的改進，都是以減少不滿足指標的個數(shù)為目的，最后得出滿足所有評價指標要求的防撞墊最優(yōu)結構。優(yōu)化過程中主要結論如下:

(1)對于寬度較大的防撞墊結構，用平桶結構代替立桶結構，可以增強防撞墊橫向剛度，有效地防止小型客車正向側碰過程中出現(xiàn)絆阻現(xiàn)象。

(2)適當減小防撞墊寬度，可以降低斜碰和偏碰過程中防撞墊對小型客車的作用寬度，防止小型客車發(fā)生飛起翻車現(xiàn)象。

(3)對于寬度較窄的防撞墊結構，吸能桶內部設置加強肋板結構，可以增強防撞墊側向剛度，有效地防止小型客車正向側碰過程中出現(xiàn)絆阻現(xiàn)象。

在防撞墊結構優(yōu)化完成后，進行了防撞墊結構的加工、施工并進行了正碰、偏碰、斜碰和正向側碰等4 次實車足尺碰撞試驗，驗證了所研發(fā)的防撞墊結構達到《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －01 －2013)規(guī)定的TS 級防護等級，各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05 －01 －2013)要求。

防撞墊非導向防撞墊

1 碰撞試驗條件與評價標準

小型車碰撞不同護欄端部的事故形態(tài)，可以看出，碰撞直立式波形梁護欄端頭，波形梁板易插入車體，危及乘員生命；碰撞直立式混凝土護欄端頭，車頭粉碎，乘員生存空間被破壞；碰撞地錨式護欄端頭，車輛沿坡面爬升，引起翻車甚，大型車碰撞分流處護欄端部事故形態(tài)．可以看出，大型車碰撞護欄端部后未造成嚴重傷害，這是因為大型車速度低，同時底盤高且乘員所坐的位置高于護欄端部高度，即使端頭插入車體也不會對乘員造成直接傷害．通過事故形態(tài)研究得出小型車碰撞護欄端部易造成嚴重傷害，根據(jù)最不利原則，采用小型車碰撞來評價可導向防撞墊安全性能．結合我國小型車輛特點，參考國內護欄碰撞試驗規(guī)范，確定防撞墊碰撞試驗車輛質量為1．5t ；參考國外規(guī)范規(guī)定的防撞墊最低等級，確定防撞墊的碰撞速度為60kmh．

根據(jù)事故形態(tài)和國內外相關規(guī)范確定非導向防撞墊安全評價標準為：（1）防撞能力_．車輛碰撞時，應有效吸收碰撞能量，使車輛停車；防撞墊或護欄端部不得侵入車體；防撞墊脫離部件和碎片不得大面積侵入相鄰車道；（2）緩沖能力．乘員碰撞后車體重心X，Y，Z三方向加速度均不得大于20_g．其中：X方向指行車方向；Y方向指車寬方向；Z方向指車高方向；（3）車輛姿態(tài)．車輛不得橫轉、翻車，不得騎跨護欄端部．

2 研究開發(fā)

2.1 防撞桶性能

防撞桶作為常用護欄端部防護設施，有必要通過碰撞試驗對其安全性能進行客觀評價，指出影響防撞桶安全防護性能的主要因素，為提出新型防撞墊單元構件奠定基礎．以3個充沙玻璃鋼式防撞桶為一組，擺放形式同公路常用方式，防撞桶被完60kmh．全撞碎，沙子和玻璃鋼碎片散落在約10m的區(qū)域內，侵入相臨車道；車輛騎跨上護欄，護欄端部插入車體，車輛損壞嚴重．

結合吸能表達式，防撞桶剛度k_（x）不足是影響其防撞能力的主要原因，材料性能是影響其剛度的最主要因素：玻璃鋼易碎且吸能效果差，沙子等填充物易拋灑，這2種材料組合達不到有效吸收車體動能的效果．

2.2 防撞墊單元結構

在玻璃鋼式防撞桶試驗的基礎上，提出新型防撞墊單元結構：結構高90cm，由直徑100cm的外圓桶、直徑25cm的內鋼桶、連接內外鋼桶的葉片式封裝裝置構成．結構外部全部由3mm鋼板制成，由于鋼板是彈塑性材料，可以防止產生大量碎片引發(fā)二次事故；葉片封裝裝置里由PVC材料填充，增加單元結構吸能效果．

防撞墊單元結構能夠有效吸收碰撞能量，使車輛停車；防撞墊單元結構和護欄端部沒有侵入車體；沒有脫離部件和碎片侵入相鄰車道；車體X方向加速度最大值為31．9_g；車輛沒有橫轉、翻車，沒有騎跨護欄端部．通過防撞墊單元試驗可知，鋼鐵和PVC材料組合使用有效增強了結構吸能效果，降低或消除拋灑物的產生；車體X方向加速度最大值達到了31．9_g，不滿足評價標準要求．結合吸能表達式，分析緩沖距離過短是引起加速度超標主要原因．

2.3 防撞墊組合結構

在防撞墊單元結構碰撞分析基礎上，提出單元組合型防撞墊結構，有效增加緩沖距離．

組合型防撞墊由3個消能圓桶組成，其中消能桶I直徑為1．2m，2個消能桶II的直徑為0．8m，防撞墊總長度1．83m，最寬處寬度1．6m．

車輛 X方向加速度最大值為21．7_g，緩沖能力仍不滿足評價標準要求；其他指標滿足評價標準要求．通過防撞墊組合結構試驗可知，由于緩沖距離的增加，車體碰撞方向加速度有了大幅度下降，但仍不滿足要求．根據(jù)碰撞結果分析，可以通過降低剛度的方法得到防撞墊優(yōu)化組合結構．

2.4 防撞墊優(yōu)化組合結構

通過去除防撞墊組合中II型桶的PVC填充物來降低防撞墊剛度，在此基礎上組織碰撞試驗．車體加速度最大值X方向為18．9_g，Y方向為4．2_g，Z方向為6．1_g，緩沖能力滿足評價標準要求；防撞墊壓縮最大動態(tài)變形為1234mm，有進一步變形空間，對車輛動能的吸收留有一定安全系數(shù)，其他各項指標均滿足評價標準要求．

3 結束語

通過事故形態(tài)和國內外相關規(guī)范確定非導向防撞墊碰撞試驗條件與評價標準，具有客觀性和較強針對性．文中提出防撞墊吸能表達式，指出充分變形空間和合理的剛度結構是防撞墊結構合理性的必要條件．通過多次碰撞試驗結果證明該表達式對設計開發(fā)具有指導意義．新型非導向防撞墊各項性能指標均滿足評價標準要求，可彌補護欄端部安全防護漏洞．研究成果為進一步開發(fā)高防護等級防撞墊奠定了基礎，亦為國內規(guī)范修訂完善提供一定參考．

概述

隨著我國經濟的高速發(fā)展, 基礎建設投資的增加, 我國的高速公路通車里程有了一個的突破, 據(jù)統(tǒng)計, 我國的高速公路通車里程到2002 年末已達到2.52 萬 km , 僅次于美國, 居世界第二位 ;但高速公路的安全問題也越來越突出 , 由于高速公路的特點:車速較高, 因此事故嚴重度比較高,造成大量的人員傷亡和財產損失 ;據(jù)統(tǒng)計, 我國2002 年發(fā)生交通事故 77.3 萬起, 死亡 10.9 萬人, 交通事故致死率約 1/4 強, 是日本的 28.2 倍, 韓國的10 倍! 為降低事故嚴重度 , 各個高速公路管理部門加強了高速公路管理 , 加大了道路監(jiān)控力度 , 完善了交通安全設施, 在比較危險、 事故頻發(fā)的地方設置了一些防撞墊系統(tǒng)。

防撞墊是通過吸收車輛碰撞能量使車輛安全停止, 并使車輛改變行駛方向避免乘員受到嚴重傷害的設施 , 它的主要功能是降低事故嚴重度 , 另一方面也通過其表面顏色和圖形符號起警告和誘導作用。

防撞墊的原理和分類

防撞墊種類很多 ,按照防撞原理,可分為動能原理和動量守恒原理兩大類。動能原理防撞墊是通過設置在防撞物前的可破壞的或產生塑性變形的材料或結構, 通過緩沖或吸能從而吸收行駛車輛的動能, 這種結構需剛性支撐或阻擋, 使吸能材料或結構產生變形以減少對車輛的撞擊力。另一種是按照動量守恒定律, 通過設置在防撞物體前的一些裝砂、裝水容器轉移失控車輛的動量, 起到緩沖作用的結構。這種結構施工機動性強, 應用較為方便。

防撞墊的結構

動能原理防撞墊一般由端頭、 吸能材料、 兩側護梁, 橫隔板和后背支撐組成, 車輛碰撞防撞墊后, 通過端頭部分的變形、 吸能材料來吸收碰撞車輛的能量, 后背支撐用來抵抗車輛的沖力。吸能材料一般是泡沫材料或橡膠材料, 這種原理的防撞墊對于車輛的正面和側面碰撞均有良好的吸能效果和導向作用, 并且該系統(tǒng)在被碰撞后, 主要部件均可重復使用, 維修方便快捷且費用低, 缺點是初裝稍微復雜且成本較高。

動量守恒原理一般是由不同質量的填砂或裝水防撞筒(墩)按照一定的順序排列而成, 車輛沖撞防撞墊后, 車輛的動量依次傳遞給防撞筒, 使車輛和防撞筒的速度依次降低, 最后使車輛的速度降到15km/h以下 。

防撞墊的設計

防撞墊在設計時主要要考慮以下因素:

(1)因防撞墊暴露于外界環(huán)境中 , 因此, 其材料要滿足耐高低溫 , 耐腐蝕等要求。

(2)防撞墊要設計成碰撞中沒有碎片飛出, 在正面、側面的碰撞試驗后, 防撞墊產生的碎片要保留在防撞墊中, 不能對碰撞車輛、周圍的行人及其他車輛產生傷害。

(3)車輛碰撞防撞墊后, 司機的加速度要小于12g , 最后 10ms 的平均加速度要小于 20g , 并且在失控車輛撞到防撞墊后 , 車輛不能穿越防撞墊 ;也不能反彈, 進入相鄰的行駛車道, 以免和后面來車相撞,發(fā)生二次事故。

(4)防撞墊的高度不易過高或過矮;太高容易遮擋駕駛員的視線 ;太矮, 車輛容易爬上防撞墊。動量守恒原理防撞墊在設計時 , 為經濟考慮 , 在失控車輛與防撞墊碰撞結束后, 車輛一般不會停止,所以要在防撞墊與被保護的障礙物之間設置一定的安全緩沖距離, 一般為60cm左右。動量守恒原理型式的防撞墊在使用防撞筒組合時, 確定布置后, 可以通過試算來確定所需筒的個數(shù), 由于碰撞過程較為復雜, 一般采用實驗或經驗數(shù)值及布設順序, 一般用不少于5個防撞筒進行組合。

防撞墊型式選擇和應用地點

防撞墊型式選擇要綜合考慮以下因素:

(1)現(xiàn)場條件(包括障礙物尺寸, 可用空間大小、交通流情況等);

(2)可選擇防撞墊系統(tǒng)的結構和安全特性;

(3)防撞墊工程費用(包括材料和安裝);

(4)維護及維修難易。

防撞墊選擇和設計時, 防撞墊尺寸要符合現(xiàn)場情況, 在正面碰撞和側面碰撞時, 對障礙物都能進行有效防護, 并不能侵入道路凈空。防撞墊可根據(jù)地形條件和發(fā)生沖撞事故時可能造成的傷害程度, 選擇不同結構形式和使用方法。國內高速公路采用防撞墊多為玻璃鋼制做的圓形防撞筒, 組合形防撞墩等制品。

防撞筒多設計為中空形式, 產品本身重量輕, 便于移動和更換。加水或細砂, 可增加產品質量, 很好地和碰撞車輛進行動能轉換, 加上玻璃鋼(或塑料)自身的優(yōu)良彈性性能, 能起到很好的緩沖作用, 有效地減少了對碰撞車輛和司乘人員的傷害。尤其是將防撞墊設于護欄端頭時, 有效地防止護欄端板插入高速行駛的失控車輛內, 避免惡性事故發(fā)生。我國在高速公路上安全護欄設施多采用波形梁鋼護欄和混凝土防撞護欄, 實踐證明, 這兩種形式能夠比較有效地起到防撞效果, 對于防止車輛越出路外、減緩事故嚴重度方面效果很好, 但這些護欄的一些特殊地方存在著嚴重的安全隱患, 應采取特殊的防護措施。例如駛出高速公路的三角地帶, 分離式立交的橋墩, 橋梁護欄端頭和波形梁護欄起點等;傳統(tǒng)的鋼質和混凝土防撞設施在發(fā)生事故時, 常常會給事故車輛和司乘人員造成嚴重傷害, 并且不易及時修復,影響交通流的暢通, 這些危險地帶應設防撞墊。還有一些地方需要保護但無法設置波形梁護欄或設置不經濟, 這些地方也可設置防撞墊。

結語

雖然防撞墊系統(tǒng)的經濟效益和社會效益顯著, 但我國高速公路上應用的卻很少, 主要由于我國新建道路很多是實行一路一公司的管理, 我國高速公路很多是貸款修建的, 因此, 高速公路的管理部門的一個很重要的任務是收費還貸, 由于防撞墊系統(tǒng)對于高速公路管理公司沒有直接的經濟效益, 又沒有明確的法律和技術法規(guī)對防撞墊設置進行規(guī)定, 因此, 管理單位對增設防撞墊系統(tǒng)積極性不高, 所以建議國家從制度和技術法規(guī)上進行規(guī)定, 可以選擇一些具有政治意義, 經濟效益比較好的高速公路進行試點, 另外也要增進在這方面的研究。當然, 由于建設資金限制,是修建更多的路還是增進已有的公路的安全情況, 是一個更為復雜的問題。

1 總則

2 術語與符號

2.1 術語

2.2 符號

3 交通調查

4 總體設計

4.1 一般規(guī)定

4.2 總體設計要點

4.3 總體設計界面

4.4 設計界面

5 交通安全設施

5.1 一般規(guī)定

5.2 標志

5.3 標線

5.4 視線誘導標

5.5 隔離柵

5.6 防護網

5.7 號眩板

5.8 護欄

5.9 防撞墊

5.10 特殊交通安全設施

6 服務設施

6.1 一般規(guī)定

6.2 服務區(qū)

6.3 停車區(qū)

6.4 公共汽車停靠站

7 管理設施

7.1 一般規(guī)定

7.2 管理機構

7.3 監(jiān)控系統(tǒng)

7.4 收費系統(tǒng)

7.5 通信系統(tǒng)

7.6 配電照明

7.7 房屋建筑

附錄A 交通工程及沿線設施各專業(yè)間設計界面

本規(guī)范用詞說明

附件 高速公路交通工程及沿線設施設計通用規(guī)范（JTG D80—2006）條文說明

1 總則

2 術語與符號

3 交通調查

4 總體設計

5 交通安全設施

6 服務設施

7 管理設施