高速公路半剛性護欄設(shè)計及碰撞仿真研究

艾峰

[摘 要]文章結(jié)合工程實例，對重慶萬州至湖北利川高速公路（重慶段）的半剛性護欄設(shè)計及碰撞仿真實驗進行了總結(jié)和分析。

[關(guān)鍵詞]高速公路；半剛性護欄；碰撞

中圖分類號：U417.12 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2016）21-0203-01

0 引言

隨著各種公路橋梁在我國的大量修建，防撞護欄的作用已經(jīng)被人們充分認識，對護欄的系統(tǒng)研究也正在逐步展開。目前護欄研究的主要方法之一是實車足尺寸碰撞試驗，這種方法能夠真實反映碰撞過程與效果，但是代價大周期長，限制了這種方法的使用。近來年隨著有限元仿真技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)值分析方法漸漸成為了碰撞分析的重要方法之一，通過數(shù)值分析能夠方便的進行參數(shù)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。本文的研究內(nèi)容是“半剛性護欄的防撞性能評價與優(yōu)化設(shè)計”，通過有限元分析方法對鋼護欄的沖擊動力響應(yīng)特性進行研究，最終實現(xiàn)該半剛性護欄的防撞優(yōu)化設(shè)計。本文嚴格按照施工圖尺寸建立一段鋼護欄有限元模型，并對結(jié)構(gòu)尺寸做參數(shù)化設(shè)計，通過改變相關(guān)參數(shù)求得不同結(jié)構(gòu)尺寸下的沖擊動力效應(yīng)特性，最終確定一個最優(yōu)結(jié)構(gòu)尺寸。

1 半剛性護欄模型

（一）半剛性護欄簡介

本文的工程背景為重慶萬州至湖北利川高速公路（重慶段）的龍駒特大橋，總長720米，主橋采用（116+220+116）米連續(xù)鋼構(gòu)，橋面設(shè)鋼護欄，該鋼護欄為前后兩片加勁鋼板和頂板構(gòu)成封閉箱體，在箱內(nèi)每隔2m設(shè)置一道橫隔板，護欄下端與鋼橋面板焊接，這種護欄是一種半剛性護欄。原設(shè)計截面主要尺寸為—迎撞面板厚度12mm，橫隔板厚度12mm，頂板厚度12mm，背板厚度12mm，迎撞面板及背板加勁肋厚度8mm。

（二）半剛性護欄有限元模型的建立

本文采用LS-DYNA作為有限元分析軟件建立有限元模型，采用3D動力學(xué)彈塑性殼體單元shell模擬鋼板構(gòu)件；因半剛性的鋼護欄底面與鋼箱梁頂面焊接，因此假定鋼護欄底面約束為固結(jié)約束，箱體內(nèi)每隔2m設(shè)置一道橫隔板；將汽車模擬為沖擊質(zhì)量塊，質(zhì)量塊尺寸參照模型轎車，長寬高分別為4920mm、1700mm、800mm。為了更好地模擬碰撞過程沖擊質(zhì)量塊前后兩端形狀按轎車保險杠外形給出。沖擊質(zhì)量塊單元采用六面體單元，單元類型為solid單元；有限元分析時采用面-面自動接觸算法，通過定義part組，定義1個接觸對，即沖擊質(zhì)量塊與鋼護欄加勁板，并定義各組的自動接觸，考慮摩檫效應(yīng)，滑動摩擦系數(shù)取為0.15；采用單點積分，用結(jié)構(gòu)體積粘性值控制沙漏。

（三）材料參數(shù)

鋼護欄采用雙線性隨動強化彈塑性模型，沖擊質(zhì)量塊定義為無約束剛體。根據(jù)設(shè)計圖紙，鋼護欄材料為Q235C，材料參數(shù)分別為密度7.8t/m3，彈性模量為206Gpa，泊松比為0.27，屈服應(yīng)力為235Mpa，強化模量258Gpa，沖擊質(zhì)量材料參數(shù)分別為密度7.8t/m3，彈性模量為155Gpa，泊松比為0.3。

（四）鋼護欄系統(tǒng)有限元模型

為了保證分析的精確性，本小節(jié)選定了3個計算長度分別為：4m、6m、8m，采用原設(shè)計截面參數(shù)，分別建立了有限元模型，沖擊質(zhì)量塊取為2.5t，撞擊速度為40km/h，在垂直撞擊條件下求得各自動力效應(yīng)特性曲線。根據(jù)計算結(jié)果6m和8m差別很小，這說明8m鋼護欄模型已經(jīng)有足夠精度來模擬鋼護欄系統(tǒng)，因此以后的計算均采用8m半剛性鋼護欄模型。

2 半剛性護欄汽車碰撞分析與結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（一）碰撞計算與結(jié)果分析

汽車與防撞護欄的碰撞是極其復(fù)雜的事件，事故發(fā)生時汽車的速度通常很高，事故非常劇烈，從而導(dǎo)致材料和部件的嚴重失效及汽車改向。為了評價防撞護欄的防撞性能，參考最新《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》，規(guī)范規(guī)定了不同的防撞等級，本文中的防撞護欄設(shè)計等級為SB級。根據(jù)規(guī)范規(guī)定本文使用了以下兩個評價指標：

1. 汽車剛體質(zhì)心加速度峰值aq—汽車剛體質(zhì)心加速度峰值aq的大小和汽車所受的沖擊力大小直接相關(guān)，也直接關(guān)系到車中乘客的安全，加速度峰值aq越大則沖擊力越大。

2. 碰撞能量Qh—對于本文中的橋梁，防撞護欄設(shè)置在行車道邊緣，護欄體系結(jié)構(gòu)失效極有可能引起汽車沖出護欄，掉落到橋下行車道，引發(fā)嚴重的二次事故。

基于以上2個評價指標，并根據(jù)第二節(jié)的計算分析，取8m長防撞護欄建立有限元模型。撞擊點選擇在護欄兩塊橫隔板中央面板的中點，分別算得汽車剛體質(zhì)心加速度-時間曲線、護欄體系碰撞能量-時間曲線、護欄底面反力-時間曲線。

通過計算可以看出，護欄體系橫向碰撞力主要由橫隔板承受。以上的計算分析證明本文中研究的護欄體系為半剛性護欄，迎撞面板為主要耗能部件，橫隔板與前后面板構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)相當(dāng)于剛性柱，為橫向撞擊力的主要承力構(gòu)件。

（二）鋼護欄防撞性能結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1. 首先以板件厚度t1、t4、t5為X軸，以汽車撞擊加速度aq為Y軸，求得汽車撞擊加速度峰值aq-板件厚度t變化曲線和護欄碰撞能量Q-板件厚度t變化曲線，計算過程中當(dāng)某一個參數(shù)變化時其他參數(shù)保持為原設(shè)計數(shù)值。根據(jù)計算結(jié)果，迎撞面面板厚度t1、迎撞面面板加勁肋厚度t5對防撞護欄的撞擊力和護欄底最大應(yīng)變影響較大。厚度越大，撞擊力Fc越大，最大應(yīng)變越小。t3、t4厚度變化對結(jié)構(gòu)撞擊性能指標的影響不明顯。

2. 拋開厚度因素，根據(jù)計算結(jié)果，橫隔板間距對結(jié)構(gòu)撞擊性能的影響較大。橫隔板間距越大，撞擊力Fc越小，護欄底面約束點最大應(yīng)變越大；橫隔板間距越小，撞擊力Fc越大，護欄底面約束點最大應(yīng)變越小。當(dāng)橫隔板間距為1m時，護欄底面約束點最大應(yīng)變?yōu)?.527×10-3<1×10-3，即護欄底面約束點撞擊全程均處于彈性階段；當(dāng)橫隔板間距為4m時，護欄底面約束點最大應(yīng)變?yōu)?.92×10-3<10×10-3，即護欄底面約束點在撞擊的某些時刻進入了塑性階段，但還未達到破壞應(yīng)變。

3. 通過本節(jié)的計算分析得出結(jié)論如下：橫隔板間距越大則護欄越趨近于柔性護欄，橫隔板間距越小則護欄越趨近于剛性護欄。對于本文中原設(shè)計的護欄（D=2m）可以歸類于半剛性護欄，橫隔板與前后面板的組合結(jié)構(gòu)相當(dāng)于剛性柱，變形較??；迎撞面板相當(dāng)于柔性防阻塊，變形較大，結(jié)構(gòu)的橫向撞擊力主要由橫隔板承受，背板對于護欄體系的防撞性能作用不大。基于以上結(jié)論，保持護欄體系為半剛性護欄的分類不變，對原護欄體系做如下優(yōu)化：第一，保持橫隔板間距2m不變，將橫隔板厚度減少為8mm。第二，背板在橫隔板左右200mm處厚度保持為8mm，其余區(qū)段均改為厚度為4mm左右的裝飾性鋼板，取消背板加勁肋。第三，面板厚度調(diào)整為8mm，面板加勁肋厚度調(diào)整為6mm。第四，頂板厚度調(diào)整為8mm。

（三）優(yōu)化結(jié)果的數(shù)值驗證

為了對比優(yōu)化后結(jié)構(gòu)與原設(shè)計結(jié)構(gòu)的撞擊特性，特建立了優(yōu)化后的護欄模型，在相同的撞擊條件下，求得汽車剛體加速度峰值aq= 184.0m/s，護欄體系撞擊能量Qh=288.8KJ，原設(shè)計汽車剛體加速度峰值aq=182.0m/s，護欄體系撞擊能量Qh=224 KJ，從該2項指標對比可以看出，優(yōu)化后護欄體系的撞擊性能和原設(shè)計結(jié)構(gòu)差別非常小。在減少了大量的材料用量的情況下，結(jié)構(gòu)的撞擊動力學(xué)性能基本沒有差別，上面章節(jié)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是成功的。

3 結(jié)語

基于分析結(jié)果，確定了該類護欄體系為半剛性護欄，然后對護欄體系進行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并對優(yōu)化結(jié)果進行了數(shù)值驗證，證實了優(yōu)化結(jié)果的有效性，本文的分析過程和優(yōu)化結(jié)果可作為類似護欄體系設(shè)計的一般性參考。