城市橋梁新型橋側混凝土護欄的碰撞分析

閆 書 明

(北京中路安交通科技有限公司，北京，100071)

城市橋側護欄是指設置于橋梁上的護欄，其目的是為了防止失控車輛越出橋外，具有使行駛車輛不能突破、下穿、翻越橋梁以及美化橋梁建筑的功能。我國城市道路橋側護欄的相關設計標準尚在制定中，目前大多城市橋側護欄均參考高速公路的相關規(guī)范進行設計[1]。由于城市道路與高速公路設計有著較大不同，其護欄結構與安全防護性也有較大變化，故需專門優(yōu)化其安全防護性能。為此，本文以某城區(qū)高架橋為例，設計出一種城市橋梁新型橋側混凝土護欄的最優(yōu)結構，并采用有限元仿真與碰撞試驗相結合的方法對其進行安全防護性能分析，以期為城市高架橋橋側護欄的開發(fā)與評價提供依據(jù)。

1 碰撞條件與評價標準

1.1 碰撞條件

車型、車重、車速和碰撞角度分別為護欄碰撞條件的4大因素。根據(jù)相關規(guī)定，公路結構形式的護欄應分別采用小型車輛和大型車輛同時進行安全評價，小型車輛碰撞護欄主要評價車內乘員的安全性和碰撞后車輛運行軌跡，大型車輛碰撞護欄主要評價護欄防撞能力和碰撞后護欄最大動態(tài)變形量。其中大型車的防撞能量、車重、車速和碰撞角度的關系式為

(1)

式中：w為護欄的防撞能量，kJ；m為碰撞車輛的車重，kg；v為碰撞速度，m/s；α為碰撞角度，(°)。

通過式(1)計算，可得護欄的防撞能量，根據(jù)護欄防撞能量就可確定護欄的防撞等級[1-2]，因此確定合理的碰撞條件是開發(fā)與評價護欄的基礎。

某城區(qū)高架橋為雙向六車道，設計速度為60 km/h。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，該高架橋的85%為防護目標，其橋側護欄最高設計防撞等級為SB級，防撞能量為280 kJ[1]。但是依托工程向南跨越膠濟鐵路既有線和正建的客運專線，一旦事故車輛穿越橋側護欄，不但有可能發(fā)生車輛砸傷橋下行人或車輛的惡性二次事故，還有可能發(fā)生砸壞鐵路或火車的特大事故，因此有必要進一步提高橋側護欄的防撞等級，以消除或降低該類事故的發(fā)生。

基于以上分析，取橋側護欄的設計防撞等級為SS級，防撞能量為520kJ，該規(guī)范所規(guī)定為國內橋側護欄的最高等級。表1為該等級護欄的碰撞條件[1-2]。

表1 碰撞條件

1.2 評價標準

根據(jù)國內外橋側護欄的相關規(guī)范[2-4]，其安全評價標準如下：車輛碰撞過程中不發(fā)生騎跨、穿越、翻越護欄現(xiàn)象；碰撞過程中，護欄脫離組件及碎片不能侵入駕駛室內，阻擋駕駛員視線；車輛駛出角度應小于碰撞角度的60%，碰撞后不發(fā)生橫轉掉頭等現(xiàn)象；小客車車體重心處最大沖擊加速度不超過20g；橋側護欄最大動態(tài)變形量不大于500 mm。

2 橋側混凝土護欄

圖1為某高架橋橋側混凝土護欄結構示意圖。由圖1可看出，該結構與高速公路橋梁護欄有明顯不同，需要對其安全性能進行分析和評價。

圖1 某高架橋橋側混凝土護欄結構示意圖

3 安全防護性能評價

3.1 分析方法

高架橋橋側護欄的研究開發(fā)主要有理論計算、碰撞試驗和計算機仿真3種方法。相關高速公路護欄規(guī)范已給出護欄碰撞力計算公式，可對護欄強度進行初步驗算，但護欄的安全防護性能不僅包括護欄的強度指標，還包括動態(tài)變形、車輛姿態(tài)、乘員風險等多種指標，顯然基于理論計算進行護欄安全防護性能評價是不完善的。碰撞試驗通過在專用場地1∶1建立試驗護欄模擬段，采用具有一定代表性的主流車型進行碰撞分析，雖具有可靠客觀的優(yōu)點，但也存在試驗費用高且周期長的缺點。計算機仿真方法在護欄開發(fā)領域的應用日趨成熟，但其可靠性需要通過碰撞試驗數(shù)據(jù)進行檢驗[5-10]。

某組合式護欄通過碰撞試驗驗證對小客車形成良好防護，其混凝土墻體坡面與橋側混凝土護欄相同，由此建立小客車碰撞的組合式護欄和橋側護欄模型，一是驗證仿真模型的可靠性，二是對橋側護欄的小客車碰撞安全指標進行評價，三是對混凝土坡面對小客車沖擊加速度的影響進行分析。某景觀混凝土護欄通過碰撞試驗，驗證能夠有效防護SS級520 kJ的碰撞能量，由此建立大客車碰撞的混凝土護欄和橋側護欄模型，一是驗證仿真模型的可靠性，二是對橋側護欄的大客車碰撞安全指標進行評價，三是對混凝土墻體強度對大客車防護能力的貢獻進行分析。

3.2 碰撞模型

3.2.1 車輛模型

按車輛實際尺寸建立車輛模型。由于車身結構主要是薄壁金屬件，單元類型以擅長大變形的四邊形單點積分殼單元為主。為獲得良好單元，控制四邊形單元翹屈度小于15°，長寬比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，三角形單元的數(shù)量在5%以內，碰撞區(qū)域最小特征長度控制在5 mm左右。車身各部分主要采用點焊連接，車門和車體通過鉸接點單元連接。通過試驗獲得車輛的材料屬性，采用Cowper-Symons模型來考慮材料的應變率效應。輪胎胎壓通過試驗測定，小型車輪胎胎壓取0.3 MPa，大型車胎胎壓取0.8 MPa。采用基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決邊界非線性問題[8]。 圖2為利用HYPERMESH軟件建立的車輛模型。

(a) 小客車試驗模型 (b) 小客車有限元模型

(c) 大客車試驗模型 (d) 大客車有限元模型

圖2車輛模型

Fig.2Vehiclemodels

3.2.2 護欄模型

組合式護欄上部為半剛性護欄，下部為剛性護欄，采用四邊形殼單元和六面體進行模擬?；炷磷o欄為剛性護欄，采用六面體進行模擬。護欄材料屬性通過試驗獲得，通過Cowper-Symons模型考慮材料應變率效應[8]。圖3為利用HYPERMESH軟件建立的護欄模型。

(a)組合式護欄試驗模型 (b)組合式護欄有限元模型

(c) 景觀護欄試驗模型 (d) 景觀護欄有限元模型

(e)橋側混凝土護欄有限元模型

3.3 碰撞分析

3.3.1 小客車碰撞分析

根據(jù)表1提供的碰撞條件，對橋側混凝土護欄和組合式護欄進行小客車碰撞分析。圖4為小客車碰撞護欄軌跡圖。由圖4可看出，通過分別截取t=0 s、t=0.1 s、t=0.2 s、t=0.3 s時刻車輛碰撞兩種護欄的仿真圖像，可得小客車碰撞護欄軌跡，然后與實車試驗結果進行對比。通過對比發(fā)現(xiàn)，車輛碰撞組合式護欄行駛軌跡仿真結果與試驗結果相符合，駛出角度仿真結果為7°，試驗結果為6.6°，從車輛行駛軌跡和駛出角度方面驗證了仿真模型的準確性。車輛碰撞橋側護欄軌跡圖與組合式護欄一致，碰撞后車輛安全駛離護欄，沒有發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護欄的現(xiàn)象，碰撞后小客車能夠恢復到正常行駛姿態(tài)，車輛駛出角度為7°，從而滿足車輛的評價標準。

(a)組合式護欄碰撞試驗

(b) 組合式護欄碰撞仿真

(c) 橋側混凝土護欄碰撞仿真

圖5為采用有限元仿真方法進行橋側混凝土護欄和組合式護欄仿真試驗后得到的車輛變形圖。通過與實車試驗對比發(fā)現(xiàn)，車輛碰撞側前端變形明顯，其他部位沒有明顯變形，碰撞組合式護欄仿真結果與試驗結果相符合，且驗證了仿真模型的可靠性。

(a) 試驗車輛 (b) 仿真車輛

圖5小客車碰撞后變形圖

Fig.5Deformationofcaraftercollision

圖6為仿真試驗分別測得的小車碰撞橋側混凝土護欄和組合式護欄的重心加速度曲線與實車試驗加速度傳感器測得的重心加速度曲線對比結果。由實車試驗對比結果可知，由于碰撞過程的高度非線性，車輛碰撞組合式護欄沖擊加速度仿真結果與試驗結果線性相關尚未符合，但基本一致，沖擊加速度最大值試驗結果為17.8g，沖擊加速度仿真結果為17.4g，誤差為1.7%。小客車碰撞橋側混凝土護欄沖擊加速度曲線與碰撞組合式護欄沖擊加速度曲線仿真結果完全一致，沖擊加速度最大值為17.4g。

圖6 小客車加速度仿真和實測曲線對比

由以上分析可知，小客車碰撞護欄仿真結果和試驗結果相符合，且驗證了仿真模型的可靠性；小客車碰撞橋側混凝土護欄的各項指標均滿足評價標準；小客車碰撞組合式護欄與橋梁護欄的各項指標均一致，表明混凝土坡面是影響小客車安全性能的最關鍵因素。

3.3.2 大客車碰撞分析

根據(jù)表1提供的碰撞條件，對橋側混凝土護欄和景觀護欄進行大客車碰撞分析。圖7為大客車碰撞護欄軌跡圖，采用有限元仿真方法進行橋側混凝土護欄和組合式護欄仿真試驗，通過截取與小客車相同時刻車輛碰撞兩種護欄的仿真圖像，得到大客車碰撞護欄的行駛軌跡過程。由圖7可看出，車輛碰撞景觀護欄行駛軌跡仿真結果與試驗結果一致，駛出角度仿真結果為1.7°，試驗結果為2.9°，從車輛行駛軌跡和駛出角度方面驗證了仿真模型準確性；車輛碰撞橋側護欄軌跡圖與景觀護欄一致，碰撞后車輛安全駛離護欄，沒發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護欄現(xiàn)象，碰撞后大客車能夠恢復到正常行駛姿態(tài)，車輛駛出角度為1.7°，從而滿足車輛的評價標準。

(a) 景觀護欄碰撞試驗

(b) 景觀護欄碰撞仿真結果

(c) 橋側混凝土護欄碰撞仿真結果

圖8為大客車碰撞后車輛變形圖。由圖8可看出，大客車碰撞車側變形明顯，其他部位沒有明顯變形，碰撞景觀護欄仿真結果與試驗結果相一致，從大客車變形角度驗證了仿真模型的可靠性。大客車碰撞橋側混凝土護欄與碰撞景觀護欄車輛變形完全相同。景觀護欄最大動態(tài)變形試驗結果和仿真結果、橋側混凝土護欄最大動態(tài)變形仿真結果均小于100 mm，從而滿足車輛評價標準。

(a) 試驗車輛 (b) 仿真車輛

圖8大客車碰撞后變形圖

Fig.8Deformationofbusaftercollision

由以上分析可知，大客車碰撞護欄仿真結果與試驗車輛結果相符合，且驗證了仿真模型的可靠性；大客車碰撞橋側混凝土護欄的各項指標均滿足車輛評價標準；大客車碰撞景觀護欄與橋側混凝土護欄的各項指標均一致，表明混凝土強度是影響大客車安全性能的最關鍵因素。

4 依托工程

某高架橋工程的起點位于零點立交，終點與互通立交北側高架橋直接連接，主線跨越某城區(qū)，全長9.5 km，全部為高架橋梁，橋面寬25 m，雙向六車道，主線設計速度為60 km/h，如圖9所示。

(a) 配筋 (b) 護欄

圖9工程護欄

Fig.9Barrierview

5 結論

(1)新型橋側混凝土護欄結構能夠有效防護車輛，碰撞后小客車能夠恢復到正常行駛姿態(tài)，車輛駛出角度為7°，小客車碰撞橋側混凝土護欄沖擊加速度最大值為17.4g。大客車碰撞橋側混凝土護欄與碰撞景觀護欄車輛變形完全相同。景觀護欄最大動態(tài)變形試驗結果和仿真結果、橋側混凝土護欄最大動態(tài)變形仿真結果均小于100 mm，大客車碰撞后駛出角度為1.7°，大客車碰撞后護欄最大動態(tài)變形小于100 mm。

(2)混凝土坡面是影響小客車緩沖保護性能的主要因素，混凝土墻體強度是影響大客車防撞性能的主要因素。

(3)新型橋側混凝土護欄的各項指標均滿足車輛的評價標準，其防撞等級達到SS級，且成功應用于依托工程。

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