高速公路半剛性護欄設計及碰撞仿真研究

艾峰

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

[關鍵詞]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被人們充分認識，對護欄的系統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的不斷發展，數值分析方法漸漸成為了碰撞分析的重要方法之一，通過數值分析能夠方便的進行參數化設計和結構優化設計。本文的研究內容是“半剛性護欄的防撞性能評價與優化設計”，通過有限元分析方法對鋼護欄的沖擊動力響應特性進行研究，最終實現該半剛性護欄的防撞優化設計。本文嚴格按照施工圖尺寸建立一段鋼護欄有限元模型，并對結構尺寸做參數化設計，通過改變相關參數求得不同結構尺寸下的沖擊動力效應特性，最終確定一個最優結構尺寸。

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）米連續鋼構，橋面設鋼護欄，該鋼護欄為前后兩片加勁鋼板和頂板構成封閉箱體，在箱內每隔2m設置一道橫隔板，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動力學彈塑性殼體單元shell模擬鋼板構件；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約束，箱體內每隔2m設置一道橫隔板；將汽車模擬為沖擊質量塊，質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量塊前后兩端形狀按轎車保險杠外形給出。沖擊質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，滑動摩擦系數取為0.15；采用單點積分，用結構體積粘性值控制沙漏。

（三）材料參數

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

（四）鋼護欄系統有限元模型

為了保證分析的精確性，本小節選定了3個計算長度分別為：4m、6m、8m，采用原設計截面參數，分別建立了有限元模型，沖擊質量塊取為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特性曲線。根據計算結果6m和8m差別很小，這說明8m鋼護欄模型已經有足夠精度來模擬鋼護欄系統，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構優化

（一）碰撞計算與結果分析

汽車與防撞護欄的碰撞是極其復雜的事件，事故發生時汽車的速度通常很高，事故非常劇烈，從而導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《公路交通安全設施設計規范》，規范規定了不同的防撞等級，本文中的防撞護欄設計等級為SB級。根據規范規定本文使用了以下兩個評價指標：

1. 汽車剛體質心加速度峰值aq—汽車剛體質心加速度峰值aq的大小和汽車所受的沖擊力大小直接相關，也直接關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，防撞護欄設置在行車道邊緣，護欄體系結構失效極有可能引起汽車沖出護欄，掉落到橋下行車道，引發嚴重的二次事故。

基于以上2個評價指標，并根據第二節的計算分析，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成的組合結構相當于剛性柱，為橫向撞擊力的主要承力構件。

（二）鋼護欄防撞性能結構優化

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，計算過程中當某一個參數變化時其他參數保持為原設計數值。根據計算結果，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變影響較大。厚度越大，撞擊力Fc越大，最大應變越小。t3、t4厚度變化對結構撞擊性能指標的影響不明顯。

2. 拋開厚度因素，根據計算結果，橫隔板間距對結構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變越小。當橫隔板間距為1m時，護欄底面約束點最大應變為0.527×10-3<1×10-3，即護欄底面約束點撞擊全程均處于彈性階段；當橫隔板間距為4m時，護欄底面約束點最大應變為4.92×10-3<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，但還未達到破壞應變。

3. 通過本節的計算分析得出結論如下：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構相當于剛性柱，變形較小；迎撞面板相當于柔性防阻塊，變形較大，結構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，面板厚度調整為8mm，面板加勁肋厚度調整為6mm。第四，頂板厚度調整為8mm。

（三）優化結果的數值驗證

為了對比優化后結構與原設計結構的撞擊特性，特建立了優化后的護欄模型，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，優化后護欄體系的撞擊性能和原設計結構差別非常小。在減少了大量的材料用量的情況下，結構的撞擊動力學性能基本沒有差別，上面章節中的結構優化是成功的。

3 結語

基于分析結果，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構優化，并對優化結果進行了數值驗證，證實了優化結果的有效性，本文的分析過程和優化結果可作為類似護欄體系設計的一般性參考。