甘新众，甘有为，刘群艳，李闯民

(1.宜春市公路管理局，江西 宜春 336000； 2.江西省交通设计研究院有限责任公司； 3.长沙理工大学 交通运输工程学院)

1 引言

半挂车具有运输量大、成本低、高效和经济的优势，在货物运输中得到广泛应用，但由于载重量重，尺寸大，质心高，且牵引车和半挂车之间相互耦合，其事故发生率很高。2015年9月25日在沪昆高速公路K1 075+423路段发生了一起重大交通事故，一辆半挂车由于车辆失控越过高速公路中央护栏，与对向车道正常行驶的大客车相撞，该事故引发半挂车和大客车起火燃烧，造成多人伤亡，4辆车及部分道路设施受损。根据事故鉴定报告提供的事故数据，对此次事故进行试验分析发现，由于半挂车与整体车碰撞护栏时运动姿态的明显不同，导致直接采用整体车碰撞能量计算公式，算得的半挂车碰撞能量误差很大。虽然在护栏设计时，由于碰撞条件为法规规定的少量几个固定条件，可以直接采用半挂车进行碰撞分析，但在司法鉴定中，碰撞车速、碰撞角度等通常是待鉴定量，那种直接采用半挂车进行碰撞分析的做法并不适用。事实上，文献[13]通过对半挂车与整体车进行试验对比分析，得出半挂车与整体车碰撞护栏时有着明显不同的特性，但文中没有进一步对这些不同特性在碰撞过程中产生的影响进行分析，也没有提出半挂车碰撞能量计算误差的问题。文献[14]针对半挂车-护栏碰撞试验进行了分析研究，文中对碰撞过程中车辆运动规律、损伤情况、能量转换等进行了详细分析。但文中仅仅分析了碰撞过程中动能与系统内能的转换，没有考虑到车辆的初始碰撞能量与其运动特性之间的联系。

为此，该文提出一种半挂车撞击公路护栏的等效模型的确定方法，为半挂车撞击公路护栏事故的司法鉴定提供理论依据。

2 半挂车与整体车撞击护栏过程对比分析

分别选用质量同为33 t的半挂车与整体货车，以相同的碰撞速度65 km/h和相同的碰撞角度20°，进行仿真试验，分析其不同特性。整体货车有限元模型如图1所示，半挂车有限元模型如图2所示，试验护栏为洞庭湖二桥HA级半刚性桥梁护栏，防护能量760 kJ，护栏有限元模型如图3所示。

图1 整体车模型

整体车与护栏碰撞运动过程如图4所示，其车头和货箱尾部分别与护栏发生碰撞，半挂车与护栏碰撞运动过程如图5所示，其车头首先与护栏发生撞击，由于牵引车与后面半挂车之间可以相对转动，在牵引车车头撞击护栏后很快完成偏转，紧接着货箱前部与护栏发生撞击，最后是货箱尾部与护栏撞击。

图2 半挂车模型

图3 护栏模型

图4 整体车撞击护栏过程

图5 半挂车撞击护栏过程

护栏横向最大动态偏移点的位移时程曲线对比如图6所示，可以看出：整体车碰撞护栏的最大偏移量为192 mm，半挂车碰撞护栏最大偏移量为89 mm。其碰撞力时程曲线如图7所示，整体货车碰撞过程中碰撞力出现两次峰值，最大碰撞力为1 246 kN，半挂车碰撞过程出现三次峰值，最大碰撞力为852 kN。

3 碰撞能量计算公式的适用性分析

中国护栏安全评价标准JTG/T F83-01-2013《高速公路护栏安全性能评价指标》(后文简称《评价指标》)中给出了整体车辆碰撞护栏时的碰撞能量计算公式(1)，人们习惯性认为该公式也适用于半挂车车型。但由于半挂车的特殊结构，在与护栏发生碰撞时其运动特性与整体车之间存在明显差别，也因此导致惯用的整体车辆碰撞能量计算公式并不适用于半挂车。

图6 护栏位移时程曲线

图7 护栏碰撞力时程曲线

(1)

式中:E为碰撞能量;m为车辆总质量;v为碰撞速度;θ为碰撞角度。

3.1 正交试验设计

基于正交试验方法，按照中国护栏安全评价标准《评价指标》中规定的整体货车试验参数设计试验，通过对得到的试验数据进行分析，确定碰撞能量的等效评价指标，试验因素分别为：A为整体货车质量，B为碰撞速度，C为碰撞角度，具体因素水平如表1所示。

表1 试验因素水平

根据表1所示的各因素优化区间值，选用L49(36)的正交表进行49组仿真试验，试验结果如表2所示。

表2 整体货车的正交试验结果

续表2

试验号A/tB/(km·h-1)C/(°)车辆最大加速度/(×g)护栏横向最大动态偏移量/mm垂直护栏方向最大碰撞力/kN碰撞能量/kJ42185066.2624.26355.818.9743108067.5633.11362.626.984465594.8016.27262.917.144525601213.2874.99750.6150.09461040206.1322.60396.972.21476651510.0027.38641.865.514840651215.78111.351167.0281.8449660187.5731.21468.979.58

3.2 碰撞能量等效评价指标

基于表2的试验数据，将各评价指标与碰撞能量进行拟合分析如图8所示，该图直观地呈现了各个指标与碰撞能量之间的相关程度，但还不能准确得知相关程度的大小，因此借助SPSS软件的Pearson相关性分析功能进行相关性分析，得到结果如图9所示。车辆最大加速度、护栏最大横向动态偏移量及垂直护栏方向最大碰撞力与碰撞能量之间的Pearson相关性分别为0.009、0.947和0.969。这3个评价指标中, 护栏最大横向动态偏移量与垂直护栏方向最大碰撞力这两个参数都与碰撞能量具有很强的相关性，即都具有显著相关性，由于垂直护栏方向的最大碰撞力在事故后已经消失了，它本质上是一个无法用于司法鉴定的参数，显然，在司法鉴定中，采用护栏最大横向动态偏移量作为碰撞能量的等效评价指标具有可操作性，因此，该文拟将护栏最大横向动态偏移量作为碰撞能量的等效评价指标。

图8 各评价指标与碰撞能量相关性分析图

4 等效模型的建立方法

前文正交试验设计表，是根据中国护栏安全评价标准《评价指标》中规定的整体车试验参数进行试验设计得到的等效模型表，该表包含全部试验216组，可计算碰撞能量范围4～1 805 kJ。等效模型的确定方法如下：

(1) 根据事故现场，测量出护栏最大横向动态偏移量D。

(2) 再将D代入该数据表中的护栏最大横向动态偏移量列，与之前整体车的D′相减得到一个差值ΔD，然后以|ΔD|为优化指标，结合正交设计表对其进行极差与方差分析，分析结果中使|ΔD|最优的整体车试验组即为该半挂车的等效模型。

5 结论

(1) 建立车-护栏有限元碰撞分析模型，从车辆运动姿态、护栏横向最大动态偏移量、垂直护栏方向最大碰撞力等方面进行了对比分析研究。结果表明：半挂车撞击护栏时车辆与护栏之间发生3次碰撞，整体车则只与护栏发生两次碰撞，且其护栏横向最大动态偏移量和垂直护栏方向最大碰撞力都明显小于整体车。

(2) 护栏最大横向动态偏移量与垂直护栏方向最大碰撞力这两个参数都与碰撞能量具有很强的相关性，但垂直护栏方向的最大碰撞力在事故后已经消失，无法用于司法鉴定，因此，将护栏最大横向动态偏移量作为碰撞能量的等效评价指标是合适的。

(3) 研究了等效模型建立方法，即以半挂车与整体车碰撞护栏时护栏最大横向动态偏移量之差|ΔD|为优化目标，结合正交设计表对其进行极差与方差分析，使|ΔD|最优的整体车试验组即为该半挂车的等效模型。