高原山區(qū)高速公路橋梁易除雪護(hù)欄設(shè)計(jì)與碰撞仿真分析

王劍波 周釗 閆紅光

摘要：文章結(jié)合雅康高速公路工程項(xiàng)目實(shí)際，設(shè)計(jì)了高原山區(qū)高速公路橋梁易除雪護(hù)欄，并運(yùn)用有限元分析軟件Hyperworks建立貨車-護(hù)欄有限元碰撞模型，同時(shí)使用LS-DYNA軟件進(jìn)行碰撞仿真分析。結(jié)果表明，該易除雪護(hù)欄在滿足西部山區(qū)高速公路橋梁段除雪便捷性的同時(shí)，能夠承受大型車輛的碰撞，且碰撞過(guò)程中車輛的前圍變形量、行駛狀態(tài)、運(yùn)行軌跡、三向加速度等指標(biāo)值滿足車內(nèi)乘員安全性的要求，為該類型護(hù)欄的應(yīng)用及推廣提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路;除雪;橋梁護(hù)欄;LS-DYNA;安全性能

中圖分類號(hào)：U412.36+6A210755

0 引言

四川雅康高速公路地處四川盆地向青藏高原爬升的梯度帶上，沿線多處高海拔地區(qū)，部分路段冬季冰雪期長(zhǎng)達(dá)4個(gè)月，且多為雨夾雪天氣，路面除雪保通難度大，且整條公路多超長(zhǎng)縱坡，橋隧比高達(dá)82%，隧道群間連接的短橋梁不便除雪車作業(yè)除雪，貨車的雪天行車氣候條件十分惡劣[1]。為降低橋梁路段車輛發(fā)生墜崖事故的風(fēng)險(xiǎn)性，在其路側(cè)均使用加強(qiáng)型鋼筋混凝土墻式護(hù)欄防護(hù)，該類型護(hù)欄高且不通透，不利于將冬季除雪外拋出路外，只能堆積在路側(cè)，不但影響道路正常通行，而且積雪融化結(jié)冰后，還會(huì)給行車帶來(lái)更大的安全隱患。可見(jiàn)，研究開(kāi)發(fā)高原山區(qū)高速公路橋梁的易除雪護(hù)欄，降低冬季除雪難度，對(duì)提高高速公路通行效率、保障行車安全具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者和單位開(kāi)展了關(guān)于高速公路路側(cè)護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)及防護(hù)安全的研究和探索。國(guó)外的研究成果中，美國(guó)國(guó)家公路與交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)（AASHTO）發(fā)布的《安全設(shè)施評(píng)價(jià)手冊(cè)》中提出了用假人直接評(píng)價(jià)護(hù)欄性能的優(yōu)劣點(diǎn)，并給出了相關(guān)建議[2];日本道路協(xié)會(huì)在《護(hù)欄的設(shè)置和說(shuō)明》提出了用車體重心加速度評(píng)價(jià)乘員碰撞護(hù)欄的風(fēng)險(xiǎn)性[3];歐盟提出了用車體三向加速度指標(biāo)體系（ASI）評(píng)價(jià)乘員碰撞護(hù)欄過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)程度[4];Ren等采用LS-DYNA有限元法建立三維道路護(hù)欄模型，從沖擊剛度和剛度、車輛乘員的安全性、碰撞能量吸收等方面評(píng)價(jià)護(hù)欄安全性[5];Plaxico等提出了有限元三維仿真模型，研究汽車與波形護(hù)欄的碰撞模擬，來(lái)替代實(shí)車碰撞試驗(yàn)評(píng)價(jià)護(hù)欄的安全性[6]。國(guó)內(nèi)的研究成果中，韓海峰等基于UC-win/Road駕駛模擬實(shí)驗(yàn)，提出了不同車速條件下護(hù)欄的防撞等級(jí)[7];崔洪軍等研究了護(hù)欄高度變化對(duì)防撞能力影響，確定了護(hù)欄防撞性能不能滿足規(guī)范要求的臨界高度值[8];康浩等分別依托滬寧高速公路護(hù)欄應(yīng)用實(shí)際，提出了路側(cè)護(hù)欄安全性評(píng)價(jià)指標(biāo)和防撞性能仿真計(jì)算方法[9];陳濤等從波形護(hù)欄的安全性評(píng)價(jià)方法方面提出了波形護(hù)欄安全性評(píng)價(jià)的三維非線性有限元仿真方法[10];龍科軍等用加速度嚴(yán)重指數(shù)為指標(biāo)評(píng)價(jià)路側(cè)安全性，根據(jù)LS-DYNA軟件分析結(jié)果確定了路側(cè)危險(xiǎn)度合理分級(jí)數(shù)和各級(jí)所對(duì)應(yīng)的ASI閾值[11];李文勇等利用HyperWorks軟件對(duì)W形護(hù)欄的貨車碰撞安全性進(jìn)行了仿真計(jì)算，提出了W形護(hù)欄在結(jié)構(gòu)上存在的不足[12];楊立偉等從波形護(hù)欄開(kāi)發(fā)應(yīng)用方面提出了適用于山區(qū)高寒地段波形梁組合式鋼護(hù)欄的設(shè)計(jì)方案[13];高云凱等采用PAM-CRASH 軟件，模擬集裝箱汽車列車與橋梁護(hù)欄的碰撞過(guò)程，評(píng)估了多種護(hù)欄的耐撞性并指導(dǎo)了護(hù)欄的設(shè)計(jì)[14];陳錫逵、馮濤等研究了山區(qū)高速公路路側(cè)防護(hù)安全度和危險(xiǎn)路段路側(cè)護(hù)欄的設(shè)置方法，建立了路側(cè)防護(hù)安全度的計(jì)算模型及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了梁柱式鋼護(hù)欄的適用性[15-16]。

本文依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范（JTG D81-2017）》，結(jié)合雅康高速公路工程項(xiàng)目實(shí)際，設(shè)計(jì)了高原山區(qū)高速公路橋梁易除雪護(hù)欄[17]，并運(yùn)用Hyperworks建立貨車-護(hù)欄有限元碰撞模型，然后使用LS-DYNA軟件進(jìn)行仿真計(jì)算分析[18-19]，得出護(hù)欄在除雪安全性、可靠性等方面的評(píng)價(jià)結(jié)論，為該類型護(hù)欄的應(yīng)用及推廣提供可靠依據(jù)。

1 易除雪護(hù)欄安全性評(píng)價(jià)仿真建模

1.1 易除雪護(hù)欄建模

在雅康高速公路工程項(xiàng)目中，大多數(shù)橋梁采用鋼筋混凝土墻式護(hù)欄，防護(hù)等級(jí)達(dá)到SA級(jí)，以防止大型車輛肇事后沖出墜落山谷。易除雪護(hù)橋梁欄設(shè)計(jì)在不破壞原鋼筋混凝土墻式護(hù)欄防護(hù)等級(jí)的基礎(chǔ)上，自其底部路面結(jié)合處開(kāi)孔，便于除雪使積雪通過(guò)除雪孔直接落入橋下，護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸見(jiàn)圖1。

圖1結(jié)構(gòu)中，N1～N6為護(hù)欄鋼筋編號(hào)，每延米護(hù)欄材料數(shù)量見(jiàn)表1。為便于人工除雪工具拋雪，設(shè)計(jì)除雪孔口徑長(zhǎng)30 cm、寬20 cm，與路面水平夾角15°貫穿護(hù)欄，各除雪孔平行間距150 cm，見(jiàn)圖2。

由于護(hù)欄骨架為鋼筋，捆扎后用C30混凝土澆筑成型，包含了鋼筋和混凝土兩種不同材料，因此在建立有限元模型時(shí)必須考慮受到材料的不均勻性因素的影響。經(jīng)過(guò)分析，本文采用分離模型對(duì)鋼筋和混凝土各自劃分成足夠小的網(wǎng)格單元進(jìn)行計(jì)算。首先用SolidWorks建立護(hù)欄三維模型，之后在HyperMesh中劃分網(wǎng)格單元，其有限元部分模型見(jiàn)圖3。

根據(jù)鋼筋混凝土護(hù)欄材料特點(diǎn)，仿真時(shí)選用LS-DYNA中MAT_111的材料類型，其關(guān)鍵字菜單見(jiàn)圖4。

圖中：RHO-材料質(zhì)量密度;G-剪切模量;SFMAX-極限強(qiáng)度;A-內(nèi)聚強(qiáng)度;B-標(biāo)準(zhǔn)化壓力硬化;C-應(yīng)變率系數(shù);N-壓力硬化指數(shù);FC-準(zhǔn)靜態(tài)單軸抗壓強(qiáng)度;T-最大拉伸靜水壓力;EPS0-準(zhǔn)靜態(tài)閾值應(yīng)變率;EFMIN-斷裂前塑性應(yīng)變量;SFMAX-標(biāo)準(zhǔn)化最大強(qiáng)度;PC-壓碎壓力;UC-破碎體積應(yīng)變;PL-鎖定壓力;UL-鎖定體積應(yīng)變;D1-傷害常數(shù);D2-傷害不變;K1-壓力常數(shù);K2-壓力常數(shù);K3-壓力常數(shù);FS-故障類型

根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T F83-01-2004》要求，護(hù)欄模型長(zhǎng)度為40 m。橋梁護(hù)欄與路基之間基本為整體澆筑，所以護(hù)欄在碰撞時(shí)視為路面以下20 cm處底部施加全約束。

1.2 貨車有限元建模

根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T F83-01-2004》要求，碰撞貨車最大總重為18 t，故本研究用貨車最大重量仿真極限碰撞條件下的護(hù)欄安全性。與護(hù)欄碰撞的大貨車模型是以東風(fēng)商用車EQ3318GFJ為原型建立，其外廓尺寸為7 700 mm×2 300 mm×2 900 mm。首先根據(jù)貨車結(jié)構(gòu)參數(shù)建立SolidWorks三維模型，對(duì)模型中發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱等質(zhì)量剛度較大的部件采用體單元建模，懸架彈簧、減震器等采用彈簧阻尼單元建模，對(duì)整車碰撞性能無(wú)明顯影響的部件則由相應(yīng)的質(zhì)量單元代替。建模完成轉(zhuǎn)為STP格式后導(dǎo)入HyperMesh軟件中劃分網(wǎng)格。為保證模型的計(jì)算精度，需要對(duì)模型中的三角形單元進(jìn)行數(shù)量控制[20]，板材殼單元的具體要求見(jiàn)表2。

貨車模型共48 033個(gè)單元，41 255個(gè)節(jié)點(diǎn)。碰撞仿真時(shí)定義整車全局接觸以及地面接觸，重力環(huán)境下完成碰撞。貨車-護(hù)欄碰撞仿真分析模型見(jiàn)圖5。

2 易除雪護(hù)欄可靠性仿真分析

2.1 仿真初始條件

易除雪護(hù)欄的可靠性評(píng)價(jià)需用貨車碰撞仿真結(jié)果進(jìn)行判斷。貨車與護(hù)欄的仿真結(jié)果與碰撞速度、碰撞夾角等初始條件關(guān)系密切。根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T F83-01-2004》對(duì)護(hù)欄碰撞試驗(yàn)條件的要求，本有限元仿真分析時(shí)取車輛碰撞初速度為80 km/h，碰撞初始角為20°。

2.2 仿真模型有效性分析

為檢查貨車與護(hù)欄碰撞模型的有效性，將有限元模型文件用LS-DYNA 軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)計(jì)算分析，仿真過(guò)程能量變化曲線如圖6所示，隨著動(dòng)能的減少內(nèi)能逐漸增加，沙漏能和界面滑移能也在規(guī)定的范圍內(nèi)，碰撞過(guò)程中總能量基本守恒，說(shuō)明該模型是有效的。

從圖6可知系統(tǒng)碰撞總能量為500 kJ，且隨著碰撞過(guò)程中總能量基本保持不變，符合能量守恒定律。碰撞過(guò)程中，界面滑移能為25.6 kJ ，占總能量的5.1%;沙漏能大小為12.5 kJ，占總能量2.5%，均在規(guī)定的能量變化范圍內(nèi)，說(shuō)明碰撞仿真計(jì)算結(jié)果是準(zhǔn)確可靠的。

2.3 形護(hù)欄與貨車碰撞結(jié)果分析

根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（JTG/T F83-01-2004》規(guī)定，護(hù)欄安全性能指標(biāo)是乘員安全性、汽車運(yùn)行狀態(tài)軌跡和護(hù)欄結(jié)構(gòu)完整性。本文通過(guò)Hypermesh 、HyperGaph 軟件對(duì)貨車-護(hù)欄碰撞進(jìn)行有限元仿真分析，并對(duì)護(hù)欄的安全性指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.3.1 車內(nèi)乘員安全性分析

車內(nèi)乘員安全性主要考慮的是前圍板變形對(duì)駕駛室的侵入量、車體加速度和車輛運(yùn)行狀態(tài)軌跡，以此來(lái)判斷碰撞對(duì)車內(nèi)乘員的傷害程度。

（1）前圍變形量分析

前圍板侵入量超過(guò)限值會(huì)傷害乘員腿部，仿真貨車在以80 km/h初速度碰撞護(hù)欄的過(guò)程中，貨車前圍最大變形量為39.3 cm，小于標(biāo)準(zhǔn)最大限值，故前圍變形量對(duì)車內(nèi)乘員無(wú)傷害，如圖7 所示。

（2）車體加速度分析

車體加速度是評(píng)價(jià)車內(nèi)乘員安全性的間接指標(biāo)，經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)及假人的各項(xiàng)指標(biāo)與車體加速度數(shù)據(jù)對(duì)比分析結(jié)果表明，當(dāng)車體3個(gè)方向加速度均值≤20 g時(shí)，不會(huì)對(duì)車內(nèi)乘員造成傷害。本仿真中，車體X、Y、Z方向最大加速度值分別為4.2 g、3.8 g、6.3 g，均小于標(biāo)準(zhǔn)限值，見(jiàn)圖8。可見(jiàn)，碰撞時(shí)對(duì)乘員造成沖擊傷害概率較小。

（3）貨車運(yùn)行狀態(tài)、軌跡分析

要確保車內(nèi)乘員安全，要求在碰撞過(guò)程中，貨車不得出現(xiàn)穿越、翻越、騎跨護(hù)欄等現(xiàn)象。為避免失控車輛侵入其他車道造成二次事故，要求碰撞后車輛駛出角度不大于碰撞初始角度的60%。貨車在與護(hù)欄碰撞的0 ms、150 ms、300 ms、450 ms時(shí)的運(yùn)行狀態(tài)及軌跡如圖9所示。

貨車沿與護(hù)欄20°夾角方向發(fā)生碰撞后，以10.2°夾角方向駛離，小于碰撞初始角度的60%，可見(jiàn)，護(hù)欄對(duì)貨車的防御和引導(dǎo)作用較好。

2.3.2 護(hù)欄防撞性能分析

橋梁用剛性護(hù)欄防撞性能好壞的指標(biāo)是護(hù)欄動(dòng)態(tài)變形量，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定極限值≤10 cm。使用HyperGaph 軟件對(duì)護(hù)欄碰撞過(guò)程的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，t=160 ms時(shí)護(hù)欄的動(dòng)態(tài)變形量達(dá)到峰值為3.35 cm，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全閾值，見(jiàn)圖10。可見(jiàn)，該橋梁易除雪護(hù)欄防撞性能良好，滿足安全使用需求。

3 結(jié)語(yǔ)

本文依托工程項(xiàng)目應(yīng)用實(shí)際，設(shè)計(jì)了山區(qū)高速公路橋梁易除雪護(hù)欄，采用Hyperworks仿真分析軟件建立了貨車-易除雪護(hù)欄碰撞有限元模型，并使用LS-DYNA 仿真計(jì)算軟件對(duì)有限元模型進(jìn)行計(jì)算，以此系統(tǒng)評(píng)價(jià)易除雪護(hù)欄的安全性、可靠性。仿真分析結(jié)果表明，易除雪護(hù)欄在滿足西部山區(qū)高速公路橋梁段除雪便捷性的同時(shí)，能夠承受大型車輛的碰撞，且碰撞過(guò)程中車輛的前圍變形量、行駛狀態(tài)、運(yùn)行軌跡、三向加速度等指標(biāo)值滿足車內(nèi)乘員安全性的要求;護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量也在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足工程實(shí)際需要。本研究為在高海拔山區(qū)高速公路橋梁段使用、推廣易除雪護(hù)欄提供了切實(shí)可靠的支撐。

參考文獻(xiàn)：

[1]袁飛云，王劍波.雅康高速長(zhǎng)下坡高橋隧比路段交通安全設(shè)施優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].交通科技，2018（5）：114-117.

[2]Manual for Assessing Safety Hardware（MASH），American Association of State Highway and Transportation Officials（AASHTO）[Z].2010.

[3]日本道路協(xié)會(huì).護(hù)欄設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)[Z].2004.