新型鋁合金橋梁護(hù)欄安全性能研究

沈亞超，唐鴻洋，王洪卓，李海洋，劉 鵬

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼陽(yáng)111003）

0 前言

在國(guó)家實(shí)施綠色公路建設(shè)計(jì)劃中，交通部提出了廢舊材料的循環(huán)再生利用、加強(qiáng)生態(tài)保護(hù)及突出全壽命周期成本的指導(dǎo)意見(jiàn)[1]。作為公路護(hù)欄材料，必須要考慮護(hù)欄的碰撞性能，鋁合金作為21世紀(jì)的綠色節(jié)能材料，具有輕質(zhì)、比強(qiáng)度高、吸能性能優(yōu)良、耐腐蝕和擠壓成形性好的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足新形勢(shì)下國(guó)家公路建設(shè)和綠色交通對(duì)公路護(hù)欄材料的要求[2]。

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)鋁合金公路護(hù)欄設(shè)計(jì)和安全性能進(jìn)行了初步研究。蘭興陽(yáng)等[3]提出一種高強(qiáng)鋁合金波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)，并基于材料的靜態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)護(hù)欄進(jìn)行了碰撞仿真分析，結(jié)果顯示護(hù)欄安全性能可滿(mǎn)足現(xiàn)行規(guī)范中的A級(jí)防護(hù)等級(jí)要求。王超[4]以橋梁工程改建為背景，通過(guò)理論計(jì)算和仿真結(jié)合的方法對(duì)不同立柱間距的兩種鋁合金橋梁護(hù)欄在汽車(chē)碰撞荷載下的承載能力、使用性能進(jìn)行了綜合分析，研究發(fā)現(xiàn)合理選取立柱間距，鋁合金護(hù)欄可代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼制護(hù)欄。邰永剛[5]通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的方法開(kāi)發(fā)了一種鋁合金梁柱-混凝土組合式橋梁護(hù)欄，該結(jié)構(gòu)護(hù)欄能有效防止車(chē)輛脫逸且導(dǎo)向功能良好，仿真值與試驗(yàn)值誤差率在15%左右。遺憾的是，目前在公路交通安全工程上鋁合金護(hù)欄構(gòu)件的設(shè)計(jì)仍然沿用傳統(tǒng)鋼制護(hù)欄構(gòu)件的截面形式，沒(méi)有充分利用鋁合金優(yōu)良的擠壓成形性[6-9]。

為了將鋁合金制造大截面薄壁中空擠壓制品的優(yōu)勢(shì)應(yīng)用于公路橋梁護(hù)欄并了解其所表現(xiàn)出來(lái)的碰撞性能，本文提出了一種新型鋁合金橋梁護(hù)欄，通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真的方法分析了護(hù)欄的碰撞性能，并對(duì)該護(hù)欄進(jìn)行了安全性能評(píng)價(jià)，以期為公路橋梁工程上的護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和研究提供參考。

1 護(hù)欄設(shè)計(jì)

新型公路橋梁護(hù)欄主要構(gòu)件材料采用6061鋁合金。這是一種熱處理可強(qiáng)化鋁合金，具有較高的比強(qiáng)度和良好的耐蝕性和可塑性，可制造大截面薄壁中空擠壓制品[10-13]。材料靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖1所示。護(hù)欄結(jié)構(gòu)采用梁柱式，立柱由上下兩部分大截面型材構(gòu)成，通過(guò)插接的連接方式互相鉗制形成拱形結(jié)構(gòu)。立柱型材周壁壁厚12 mm，封閉空腔間的隔斷壁厚8 mm，立柱縱向長(zhǎng)度250 mm，立柱間距1.6 m。護(hù)欄設(shè)有2根橫梁，斷面呈蜂窩狀，上橫梁外徑130 mm，下橫梁外徑140 mm，周壁壁厚8 mm，隔斷壁厚5 mm，周壁設(shè)有一條T型滑槽。立柱與橫梁之間采用T型螺栓連接固定，護(hù)欄重量約37.5kg/m，護(hù)欄結(jié)構(gòu)及構(gòu)件連接如圖2所示。

圖1 6061靜態(tài)拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

圖2 護(hù)欄構(gòu)造圖

2 碰撞仿真分析

仿真以護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段為碰撞分析對(duì)象，設(shè)置長(zhǎng)度75 m，碰撞條件如表1所示。材料屬性按6061鋁合金靜態(tài)拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置，如表2所示。對(duì)于護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)，采用小型客車(chē)檢測(cè)其緩沖功能、導(dǎo)向功能和護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D，采用中型客車(chē)和中型貨車(chē)檢測(cè)其阻擋功能、導(dǎo)向功能和護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D[14]。

表1 護(hù)欄碰撞條件

表2 材料屬性

2.1 小型客車(chē)碰撞

小型客車(chē)仿真碰撞護(hù)欄過(guò)程如圖3和圖4所示，從碰撞點(diǎn)至駛離點(diǎn)車(chē)輛的速度逐漸減緩，在車(chē)輛駛出駛離點(diǎn)后，沒(méi)有越出導(dǎo)向駛出框外線，說(shuō)明護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。車(chē)輛碰撞速度和碰撞后加速度曲線分別如圖5和圖6所示，小型客車(chē)最大縱向碰撞速度為11.3 m/s，最大橫向碰撞速度為5.5 m/s，碰撞后車(chē)輛最大縱向加速度為147.5 m/s，最大橫向加速度為126.9 m/s，均未超過(guò)護(hù)欄緩沖評(píng)價(jià)指標(biāo)。護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形發(fā)生在下橫梁位置，其值為4.5 mm；下橫梁的塑性應(yīng)變最大值為2.9%，未超過(guò)材料的斷裂伸長(zhǎng)率10%，護(hù)欄碰撞位移及塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖7和圖8所示。

圖3 小型客車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程

圖4 小型客車(chē)軌跡導(dǎo)向駛出框

圖5 小型客車(chē)碰撞速度曲線

圖6 小型客車(chē)碰撞加速度曲線

圖7 小型客車(chē)碰撞護(hù)欄位移云圖

圖8 小型客車(chē)碰撞護(hù)欄塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.2 中型客車(chē)碰撞

在中型客車(chē)仿真碰撞護(hù)欄過(guò)程中，起初車(chē)輛頭部和尾部多次循環(huán)交替碰撞護(hù)欄，末尾隨著車(chē)輛速度減慢，車(chē)輛一直刮蹭護(hù)欄向前駛進(jìn)；碰撞過(guò)程中護(hù)欄構(gòu)件之間連接狀態(tài)較好，沒(méi)有發(fā)生脫離現(xiàn)象，符合護(hù)欄的安全性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖9和圖10所示。護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形為13.2 mm，發(fā)生在上橫梁位置，其塑性應(yīng)變最大值為0.9%，遠(yuǎn)未達(dá)到材料的斷裂伸長(zhǎng)率10%，護(hù)欄碰撞位移及塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖11和圖12所示。

圖9 中型客車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程

圖10 中型客車(chē)軌跡導(dǎo)向駛出框

圖11 中型客車(chē)碰撞護(hù)欄位移云圖

圖12 中型客車(chē)碰撞護(hù)欄塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.3 中型貨車(chē)碰撞

中型貨車(chē)仿真碰撞護(hù)欄過(guò)程如圖13和圖14所示，在第一次碰撞發(fā)生后，相隔一個(gè)車(chē)長(zhǎng)距離發(fā)生了二次碰撞，最后駛離護(hù)欄，車(chē)輛經(jīng)過(guò)導(dǎo)向駛出框時(shí)沒(méi)有越出外框線，導(dǎo)向功能良好。護(hù)欄前后兩次碰撞的最大橫向動(dòng)態(tài)變形均發(fā)生在下橫梁處，其值分別為15.7 mm和8.6 mm，下橫梁超過(guò)材料斷裂伸長(zhǎng)率的塑性應(yīng)變區(qū)域較小，相應(yīng)的護(hù)欄斷裂的可能性也小。碰撞過(guò)程中護(hù)欄構(gòu)件之間保持連接狀態(tài)，沒(méi)有侵入車(chē)輛乘員艙，護(hù)欄碰撞位移及塑性應(yīng)變?cè)茍D如圖15和圖16所示。

圖13 中型貨車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程

圖14 中型貨車(chē)軌跡導(dǎo)向駛出框

圖15 中型貨車(chē)碰撞護(hù)欄位移云圖

圖16 中型貨車(chē)碰撞護(hù)欄塑性應(yīng)變?cè)茍D

2.4 安全性能評(píng)價(jià)

根據(jù)三種碰撞條件下的仿真結(jié)果評(píng)價(jià)新型鋁合金橋梁護(hù)欄的安全性能，結(jié)果如表3所示。結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)鋁合金護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的安全性能滿(mǎn)足B級(jí)防護(hù)要求。

表3 仿真評(píng)價(jià)簡(jiǎn)表

3 結(jié)論

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)新型鋁合金公路橋梁護(hù)欄進(jìn)行碰撞仿真模擬并評(píng)價(jià)其安全性能，得出如下結(jié)論：

（1）新型鋁合金橋梁護(hù)欄碰撞仿真分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段安全性能滿(mǎn)足規(guī)范中的B級(jí)防護(hù)要求，護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式可行。

（2）新型護(hù)欄防護(hù)能量仿真結(jié)果達(dá)到了70 kJ以上，說(shuō)明6061鋁合金在碰撞條件下可保持良好的強(qiáng)度和吸能性能，適宜作為公路護(hù)欄的使用材料。

（3）大截面薄壁中空且設(shè)有加強(qiáng)筋的鋁型材用于護(hù)欄拱形立柱提高了護(hù)欄的整體剛度和碰撞性能，為公路護(hù)欄立柱的選擇提供了一種新形式。

鋁合金護(hù)欄具有輕質(zhì)、防腐、免維護(hù)、循環(huán)利用率高及全壽命周期成本低的特點(diǎn)，切合綠色公路建設(shè)理念，可有效促進(jìn)公路交通安全設(shè)施持續(xù)安全健康有序地發(fā)展。