山區(qū)公路險要路段路側(cè)護(hù)欄的優(yōu)化設(shè)計

吳 中，余 佳，孔令香，施金金

（河海大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，江蘇 南京 210089）

據(jù)中國統(tǒng)計局資料顯示，每年死于交通事故的人數(shù)接近十萬.道路交通安全事故已成為中國一個不得不正視的問題.而山區(qū)公路由于其特殊的地形，存在著不少安全隱患.山區(qū)公路中，臨河和臨谷等險要路段比例較大，一旦車輛在這些險要路段沖出路外，后果不堪設(shè)想.也因此山區(qū)公路事故死亡率一直居高不下.

著重對山區(qū)公路險要路段軟弱路基處的路側(cè)護(hù)欄進(jìn)行研究，可使用非線性有限元軟件LS－DYNA［1］仿真計算汽車與護(hù)欄的碰撞過程.使用該軟件求解單元的離散方式時，大多采用拉格朗日坐標(biāo)下離散求解方法.此方法不受時間、場地限制并可針對各種結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化計算出沖撞的反應(yīng)，可模擬不同初始碰撞條件的碰撞過程，從而利用少量經(jīng)費，設(shè)計出防護(hù)功能好、性價比高的護(hù)欄，這對山區(qū)公路安全具有重要意義，為以后護(hù)欄的研究工作提供一定的理論基礎(chǔ)和設(shè)計依據(jù).

1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

山區(qū)公路險要路段路側(cè)護(hù)欄的設(shè)計［2］主要是在土路肩寬度有限的情況下使護(hù)欄固定生根，從而防止車輛沖破護(hù)欄墜落路外危險地段，造成嚴(yán)重的傷害.由于間斷式混凝土護(hù)欄成本低，能夠很好地解決行車噪聲、路內(nèi)空氣流動和路面積水等問題，因此山區(qū)公路建設(shè)設(shè)計方案采用間斷式混凝土護(hù)欄.本研究重點是解決山區(qū)公路險要路段軟弱路基處路側(cè)護(hù)欄的設(shè)計問題，是在F型護(hù)欄的基礎(chǔ)之上考慮護(hù)欄的固定問題，本設(shè)計方案為：在F型護(hù)欄基礎(chǔ)之上加底座，底座設(shè)置3個孔（護(hù)欄迎撞面兩個孔，安裝鋼筋混凝土樁（帶樁帽）；另一側(cè)一個孔，安裝混凝土樁）.護(hù)欄迎撞面的墻體與F型護(hù)欄相同，另一側(cè)采用兩個三角形肋板，以起到支撐作用.護(hù)欄設(shè)計為兩種型式，兩種型式中非迎撞面混凝土樁的設(shè)置都相同，頂部與護(hù)欄底座上表面平齊，迎撞面鋼筋混凝土樁的樁帽設(shè)置不同：型式一樁帽設(shè)置于護(hù)欄底座以上，如圖1所示；型式二樁帽頂部與護(hù)欄底座上平面平齊，如圖2所示.

護(hù)欄上的3個孔主要用于安裝混凝土樁，迎撞面的樁使用鋼筋混凝土樁，要求其具有良好的抗拉及抗剪能力；另一側(cè)使用混凝土樁，當(dāng)護(hù)欄受到車輛撞擊時主要承受壓力及剪力.底座和樁的用途是使護(hù)欄受撞擊［3］時的受力點由險要路段路肩邊緣向道路方向轉(zhuǎn)移，避免了力的集中，能夠使護(hù)欄發(fā)揮更好的防護(hù)效果.

圖1 護(hù)欄型式一簡圖Fig.1 Guardrail type sketch 1

圖2 護(hù)欄型式二簡圖Fig.2 Guardrail type sketch 2

2 整體碰撞模型建立

碰撞模型使用卡車自重約為5.012t，配重2.875t，總重約7.887t.總高度約為3335mm總寬度約為2380mm，總長度約為8580mm.模型中采用殼單元，單元厚度為4.3mm，采用24號材料 MAT－PIECEWISE－LINEAR－PLASTICITY.駕駛室外殼及車門采用殼單元，單元厚度為1mm采用24號材料［4］.發(fā)動機采用體單元，使用1號＊MAT－ELASTIC材料.懸架采用殼單元，單元厚度為7.3mm，采用24號材料.車廂采用殼單元［5］，單元厚度1.7mm，選用24號材料.車輪組件包括車輪、車軸以及其他眾多零部件，它的主要作用就是引導(dǎo)車輛的行駛方向，維持車輛行駛的穩(wěn)定.其中：輪胎胎面采用殼單元，單元厚度為20 mm；胎側(cè)采用殼單元，單元厚度為10mm，胎面和胎側(cè)均選用1號材料.輪輞采用殼單元，單元厚度為5mm，選用24號材料.碰撞模型體系中，路面采用剛性材料，土路肩采用彈塑性材料.護(hù)欄迎撞面樁采用鋼筋混凝土樁，通過護(hù)欄底座上的孔嵌入到路基中，頂部在護(hù)欄底座上現(xiàn)澆混凝土樁帽樁身直徑300mm，長度800mm；樁帽直徑340 mm，長度60mm.非迎撞面的樁采用混凝土樁，直徑300mm，長度400mm.車輛在道路上行駛時發(fā)生偶然事故后，駕駛?cè)硕紩扇∷捎烷T、制動和轉(zhuǎn)向等措施降低車速，因此可取設(shè)計車速的60%～80%作為碰撞速度的參考值.山區(qū)公路多為低等級公路，本研究設(shè)置車輛碰撞的初始速度為40 km／h.初始碰撞角度設(shè)置為15°.碰撞模型體系中路側(cè)護(hù)欄采用間斷式剛性混凝土護(hù)欄，本研究中共畫出6段護(hù)欄，為以后分析方便，此處對護(hù)欄段進(jìn)行編號，從右到左依次為第1～6段，如圖3所示.共進(jìn)行8組碰撞試驗，試驗具體情況見表1.

圖3 車輛碰撞整體模型Fig.3 Vehicle collision overall model

表1 碰撞試驗分組Table 1 Crash test packet

本次碰撞仿真計算的模擬條件為：

1）模擬汽車與護(hù)欄的首次碰撞，對于車輛與后續(xù)車輛可能發(fā)生的二次碰撞不作考慮.

2）對車輛直接施加重力場.

3）充分考慮碰撞過程中摩擦的影響，不考慮空氣阻力的影響.

4）考慮碰撞過程中車輛與混凝土樁接觸部位可能出現(xiàn)的破壞，但由于護(hù)欄采用剛體，不變形，因此不做考慮，但對車輛與護(hù)欄的碰撞力進(jìn)行分析.

5）假設(shè)車輛在碰撞前、后，車內(nèi)駕駛?cè)宋床扇∪魏未胧ū热纾簞x車和轉(zhuǎn)向等），任由車輛在初始設(shè)定的條件下做自由碰撞運動.

3 碰撞結(jié)果分析

碰撞仿真實驗的計算主要在LS－DYNA中進(jìn)行，計算完成后使用LS－PREPOST對結(jié)果進(jìn)行分析，可分別得到8組仿真模擬實驗的結(jié)果.從車輛行駛軌跡、模型體系位移、車輛行駛速度變化、車輛與護(hù)欄碰撞力、能量轉(zhuǎn)化和車輛損壞等指標(biāo)［6］得出第7組實驗中護(hù)欄為最優(yōu)模型，分析結(jié)果見表2.

表2 碰撞結(jié)果整理Table 2 Collision results

前4組試驗中鋼筋混凝土樁帽設(shè)置于護(hù)欄底座以上，經(jīng)車輛接觸過的樁帽均有不同程度的刮傷，且車輛都發(fā)生了變形，并伴有不同程度的甩尾.雖然樁帽對車輛起到一定的絆阻作用能夠使車輛速度降低，但是因更換混凝土樁極不方便，所以型式一被排除.第5組試驗中，車輛與護(hù)欄發(fā)生強烈碰撞，護(hù)欄位移大，路肩變形嚴(yán)重，車輛損壞嚴(yán)重，駕駛室加速度峰值在8組試驗中居首位，這樣對駕駛?cè)藭斐珊艽蟮膫Γ響?yīng)排除.第6組試驗中，所有傷害指數(shù)都很小，但是，車輛未能爬升到護(hù)欄底座上，護(hù)欄并沒有起到很好的導(dǎo)向作用.第7，8組試驗中，車輛最終都恢復(fù)到正常行駛方向，第7組試驗中車輛與護(hù)欄接觸力峰值比第8組試驗中的大，但駕駛室加速度峰值、車輛與樁的接觸力峰值以及塑性變形峰值均比第8組試驗中的小，從經(jīng)濟性能考慮，第7組試驗中護(hù)欄模型的護(hù)欄段間隔為200mm，第8組試驗中的護(hù)欄模型的護(hù)欄段間隔為100mm，第7組試驗更加節(jié)省原材料，因此，第7組試驗中的護(hù)欄為最佳方案.

3.1 車輛行駛軌跡

實驗組中最優(yōu)模型的第7組試驗中車輛行駛軌跡如圖4所示，車輛于0.02s碰撞到第2個護(hù)欄段并順利爬上護(hù)欄底座，第0.26s碰撞第3個護(hù)欄，第0.58s右前輪壓上第4個護(hù)欄，第0.64s右后輪碰撞第2個護(hù)欄段并順利爬上底座，第0.96s右后輪前行至第3個護(hù)欄，第1.02s右前輪壓上第5個護(hù)欄段，車輛逐漸遠(yuǎn)離護(hù)欄墻體，恢復(fù)正常行駛方向.

圖4 第7組車輛行駛軌跡行程Fig.4 Vehicle trajectory travel diagram of test 7

3.2 模型體系位移情況

從第7組試驗中X，Y方向位移可以看出，車輛一直在前行，沒有出現(xiàn)被絆阻而停止前進(jìn)的情況，可見護(hù)欄導(dǎo)向作用良好.在Y方向上，車頭的位移比車廂的大.在Z方向上，試驗開始時前輪爬上護(hù)欄底座，車頭的位移增大，隨后左前輪向車輛外側(cè)傾斜，車輛整體向路面方向傾倒，位移減小到0，然后反方向增加.車廂在1s時由負(fù)值升為0并繼續(xù)增加，此時后輪爬升上護(hù)欄底座.從合成位移來看，車頭及車廂的位移一致，護(hù)欄未發(fā)生移動.

3.3 車輛加速度變化

為了進(jìn)一步了解車輛行駛規(guī)律，分別對車輛的車頭、駕駛室及車廂進(jìn)行加速度的分析，三者的部局編號為車頭117號，駕駛室116號，車廂55號.第7組試驗中車輛加速度曲線如圖5所示.從合成速度曲線來看，車輛3個部分曲線的走向一致，開始時降低，后來逐漸達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài).從合成加速度曲線來看，第7組試驗中車頭的加速度明顯高于其他兩者的，其峰值達(dá)到50m／s2，駕駛室的加速度僅次于車頭的，其峰值達(dá)到32.379m／s2車廂的加速度最小，其峰值為25.7m／s2.

圖5 第7組試驗合成加速度曲線Fig.5 Synthetic acceleration curve of test 7

3.4 汽車與護(hù)欄碰撞力分析

第7組試驗中車輛與樁發(fā)生4次接觸，第0.14s發(fā)生第一次接觸，第0.46s發(fā)生第二次接觸，該次接觸持續(xù)時間極短，接觸力極小，第0.66s發(fā)生第三次接觸并于第0.70s達(dá)到接觸力最大值29083N，第0.86s發(fā)生第四次接觸.車輛與護(hù)欄的接觸力曲線較為平緩，第0.66s達(dá)到最大值105549N，第1.18s之后車輛與護(hù)欄的接觸力變?yōu)?N.碰撞力曲線如圖6所示.

圖6 第7組試驗時間與接觸力曲線Fig.6 Time and contact force curve of test 7

3.5 碰撞過程能量轉(zhuǎn)化

碰撞過程中，能量轉(zhuǎn)化情況反映出車輛碰撞護(hù)欄的劇烈程度，同時能夠反映出車輛和護(hù)欄等對碰撞能量的吸收情況［7］，可以檢測護(hù)欄對車輛撞擊時的緩沖能力以及車輛變形對碰撞結(jié)果的影響.隨著時間的推移，各個試驗中動能都在不斷減小，各組試驗降低值排序依次為：第1組、第5組、第2組、第4組、第3組、第6組、第8組和第7組.這說明第7組實驗中護(hù)欄起到很好的防護(hù)作用，其能量轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖7所示.

圖7 第7組試驗?zāi)芰孔兓疽釬ig.7 Energy change of test 7

3.6 碰撞模型體系損壞情況

第7組試驗中護(hù)欄經(jīng)車輛碰撞后位置未發(fā)生變化，車輛未變形.從等效應(yīng)力［8］結(jié)果看出，車輛后輪差速器等效應(yīng)力較大，其最大值為304.983 MPa.從塑性應(yīng)變結(jié)果可知，塑性應(yīng)變主要發(fā)生在與車輛接觸的鋼筋混凝土樁樁帽位置，但是由于樁帽與護(hù)欄底座平齊，因此發(fā)生的塑性變形很小，其最大值僅0.14.

4 結(jié)論

本研究以碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)分析.從車輛行駛軌跡可以清楚看出車輛在護(hù)欄的導(dǎo)向作用下是否恢復(fù)正常行駛方向.從而驗證了優(yōu)化后的剛性混凝土護(hù)欄即F型護(hù)欄可行.對比所有試驗結(jié)果，結(jié)合護(hù)欄選擇原則，得出了護(hù)欄設(shè)計中最合理的方案為第7組試驗中的方案—間斷式混凝土護(hù)欄.從而使護(hù)欄在受到車輛撞擊時能夠?qū)⑹芰c從軟弱路肩靠近山谷處向道路方向轉(zhuǎn)移，確保護(hù)欄即使受到車輛劇烈撞擊也不會墜落山谷造成巨大傷害.底座上樁的設(shè)置能夠使護(hù)欄增加抗平移能力，同時護(hù)欄迎撞面一側(cè)鋼筋混凝土樁帽的設(shè)置能夠使護(hù)欄避免發(fā)生傾覆現(xiàn)象.鋼筋混凝土樁樁帽與護(hù)欄底座保持水平，沒有突出部分，車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時樁帽不會有很大程度的損壞，不需要經(jīng)常更換，減小了后期維護(hù)費用.護(hù)欄間距為200mm，車輛與護(hù)欄接觸時不會卡在護(hù)欄段之間而造成劇烈碰撞.護(hù)欄底座距離路面100mm，失控車輛能夠順利爬升到護(hù)欄底座上，護(hù)欄能夠有效地起到導(dǎo)向作用，使車輛恢復(fù)正常行駛方向.但本研究碰撞模型體系中沒有設(shè)置假人模型，只能以駕駛室的加速度側(cè)面反映出碰撞對駕駛?cè)说挠绊?，故加入假人模型的仿真建模值得深入研?

（References）：

［1］Livermore Software Technology Coporation.LS－DYNA theoretical manual［M］.［s.l.］：Livermore Software Technology Coporation，2007.

［2］交通部公路科學(xué)研究所.JTJ 074—94，高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，1999.（Research Institute of Highway，Ministy of communication.JTJ 074—94.Highway traffic safety facilities design and construction specifications［S］Beijing：China Communications Press，1999.（in Chinese））

［3］沈偉明，盧文勝，王國平.型鋼立柱波形梁護(hù)欄撞擊試驗研究［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2000（4）：33—37.（SHEN Wei－ming，LU Wen－sheng，WANG Guo－ping.Section steel column of guardrail crash test research［J］Structural Engineers，2000（4）：33—37.（in Chinese）

［4］趙海鷗.LS－DYNA動力分析指南［M］.北京：兵器工業(yè)出版社，2003.（ZHAO Hai－ou.LS－DYNA dynamic analysis guide［M］.Beijing：Weapon Industry Press 2003.（in Chinese））

［5］何濤，楊競，金鑫，等.ANSYS10.0／LS－DYNA 非線性有限元分析實例指導(dǎo)教程［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.（HE Tao，YANG Jing，JIN Xin.ANSYS10.0／LS－DYNA nonlinear finite element analysis instance guidance tutorial［M］.Beijing：China Machine Press，2007.（in Chinese））

［6］雷正保.山區(qū)公路混凝土護(hù)欄碰撞特性仿真分析［J］.交通運輸工程學(xué)報，2007，7（1）：85—92.（LEI Zheng－bao.Characteristic simulation analysis of the mountain highway concrete barrier collision［J］Traffic and Transportation Engineering，2007，7（1）85—92.（in Chinese））

［7］雷正保.定墩長間斷式直道混凝土護(hù)欄的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)［J］.交通運輸工程學(xué)報，2008，8（4）：110—115（LEI Zheng－bao.The optimal structural parameters of the fixed pier long intermittent straight concrete barrier［J］.Traffic and Transportation Engineering 2008，8（4）：110—115.（in Chinese））

［8］張鵬，周德源.基于 ANSYS／LS－DYNA的護(hù)欄沖擊模擬分析精度研究［J］.振動與沖擊，2008，27（4）147—163.（ZHANG Peng，ZHOU de－yuan.Guardrail impact simulation based on ANSYS／LS－DYNA analysis accuracy［J］.Vibration and Shock，200827（4）：147—163.（in Chinese））