車輛撞擊中央分隔帶開口活動護欄仿真分析及安全性能評估

史 良，趙英培，薛鵬濤，胡 鋒

(1.河南省交通運輸廳公路管理局，河南 鄭州 450001；2.河南省交通科學技術研究院有限公司，河南 鄭州 450001;3.河南光彩集團發展有限公司，河南 鄭州 450000;4.河南交院工程技術集團有限公司博士后創新實踐基地，河南 鄭州 471000)

0 引言

隨著國民經濟發展和人們生活水平的提高，我國公路系統發展迅速，公路里程已經達到423.75萬km，然而交通安全事故也在逐年上升。在公路交通事故中，有將近1/3的死亡事故是發生在車輛與護欄的碰撞過程中[1]。交通事故給國家和人民帶來了巨大的經濟損失和人員傷亡損失，高速公路交通安全問題已成為全社會關注的一個重點問題[2]。

國內外大量學者對車輛撞擊護欄進行了豐富的研究[3-4]。王安宇[5]通過數值模擬研究了梁柱式防撞護欄的抗撞性能，研究發現由于橫梁采用空心圓管會導致局部變形過大，使護欄的導向作用大大降低。陳林等[6]采用LS-DYNA有限元程序研究了低等級混凝土護欄在大型箱式卡車撞擊下的防護性能。Rohde等[7]對具有減震器和防撞護欄的橋墩防護系統結構進行了4次實體車碰撞試驗。雷正保等[8]建立了車輛﹑假人和護欄碰撞數值仿真模型，研究發現半剛性護欄具有較好地抵抗重型車輛側翻的能力。應聃等[9]研究了波浪型隔離欄在不同車輛類型﹑撞擊速度和撞擊角度下的動態響應。胡煜文等[10]建立了車輛撞擊護欄動力仿真模型，分析了A類防撞等級的F型混凝土護欄和單坡型混凝土護欄的抗撞擊性能。從以上研究可以看出，對于中央分隔帶開口活動護欄這類新穎結構形式的研究尚屬空白，且缺少對車輛撞擊護欄安全性能的評價。

本研究通過LS-DYNA有限元程序建立車輛撞擊中央分隔帶開口護欄有限元模型，分別對橋梁護欄進行小型客車、大型客車和大型貨車的有限元仿真碰撞模擬，對車輛和護欄安全性能進行研究分析，驗算護欄等級是否能夠達到SB級。

1 車輛-護欄撞擊有限元模型

1.1 顯式動力分析基本理論

研究車輛與橋梁護欄的碰撞過程是一個高度非線性的問題，許多因素的改變都會影響著撞擊的最終結果，在碰撞過程中很可能出現結構某部位發生嚴重的屈曲、壓潰等破壞。顯式積分算法適用于汽車碰撞護欄類的瞬態非線性大變形問題，非線性變形體動力學方程如公式(1)所示[11-12]。

(1)

1.2 護欄模型

本研究設計的中央分隔帶開口護欄防護等級為SB級(四級)，設計防護能量280 kJ[13-14]。如圖1所示，中央分隔帶開口護欄主要由立柱、防阻塊、波形梁板、縱梁、上下支臂和支腿組成，立柱每隔3 m 布置1個，波形梁板每隔9 m使用連接鋼管連接。護欄結構參數如表1所示。

表1 護欄結構參數

圖1 護欄結構(單位：mm)

建立圖2護欄有限元模型，BFI型防阻塊與波形板之間通過連接板以共節點的方式連接；BFI型防阻塊與上支臂之間通過螺栓連接，來保證碰撞時BFI型防阻塊能夠發生局部的轉動變形；立柱與上下套螺栓采用梁單元模擬，護欄除螺栓外的鋼材結構均采用殼單元模擬。鋼材材料本構模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY分段線性塑性模型，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼材靜屈服強度為235 MPa，分別為40.4和5.0，失效應變設為0.12[17-18]，該本構通過定義應力應變曲線來表現與應變率的相關性[19-20]。

圖2 護欄有限元模型

筒之間設置自動面面(ASTS)接觸[15-16]；護欄開口連接段，加勁板與護欄通過共節點的方式連接。

1.3 車輛模型

根據SB級護欄防護等級和高速公路行駛車輛常見類型[13]，本研究將所有車輛簡化為小型汽車、大型客車和大型貨車3種類型。表2給出了碰撞車輛參數，撞擊角度為沿護欄與車輛行駛方向的夾角。

表2 車輛參數

圖3給出了車輛有限元模型，每種車輛模型包括車頭﹑車廂和車架等結構部件。車輛主體結構采用殼單元剛性材料，即把剛體內節點的自由度都耦合到剛性體的質量中心，可以縮減顯式分析的計算時間。通過改變車廂重力密度的方法來達到控制汽車質量效果，并且通過這種方式還可以讓質量均勻分布，而不是集中于某個節點，這樣更符合實際受荷情況。車輛自身設置全局的自動單面接觸，剛性焊接部件之間設置剛性連接。小型客車﹑大型客車和大型貨車分別有27萬，27萬，6.9萬個單元。

圖3 車輛有限元模型

2 車輛撞擊護欄全過程分析

中央分隔帶開口護欄碰撞點，包括中央分隔帶開口護欄中點和沿試驗車輛行車方向距離中央分隔帶開口護欄終點2 m的位置處。每個碰撞點分別包括：碰撞點位于標準梁段和碰撞點為開口連接段。故小型客車﹑大型客車和大型貨車每種車型4種計算工況，共計12種計算工況，計算工況見表3，分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程圖

表3 碰撞工況

2.1 小型客車撞擊護欄分析

圖5給出了小型客車撞擊護欄不同位置下最終運動狀態，可以看出，小型客車體積較小，主要撞擊護欄縱梁和波形梁板下部分，最終小型客車順利駛離護欄，護欄具有良好的導向能力。撞擊過程中小型客車并未發生阻絆、穿越現象，護欄及其附屬構件未侵入駕駛限界。

圖5 小型客車不同撞擊點下位移時程曲線

中分帶開口活動護欄良好的導向性主要依靠各部件在撞擊過程中的變形吸能能力，圖5給出了不同撞擊點下護欄位移時程。小型客車撞擊標準梁段中點﹑距離標準梁段2 m﹑開口連接段中點和距離開口連接段2 m下，波形梁板產生的位移均最大，分別為180，213，178 mm和209 mm；其次為縱梁，最大位移約為155～200 mm，BFI型防阻塊、上下支臂、上下套筒、立柱和支腿的最大位移均在50 mm以內。

小型客車重心處加速度時間歷程曲線如圖6所示。圖6(a)為小型客車撞擊護欄標準梁段中點時的加速度時程曲線，小型客車乘員碰撞后縱向和橫向加速度分量在間隔10 ms內平均絕對值的最大值分別為152 m/s2和174 m/s2，均小于200 m/s2。根據車輛重心處加速度數據可得乘員碰撞處速度縱向和橫向分量的絕對值分別為8.9 m/s和8.3m/s，均小于12 m/s。同樣可以從圖6(b)～(d)看出，縱向和橫向加速度絕對值的最大值均小于200 m/s2，乘員碰撞處速度縱向和橫向分量的絕對值也均小于12 m/s。因此可以得出，小型客車在碰撞橋梁護欄時，乘員碰撞加速度和碰撞后速度均符合《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)[14]的要求。

圖6 加速度時程曲線

2.2 大型客車撞擊護欄分析

從圖7中可以發現，大型客車撞擊護欄不同位置時，大型客車輛外觀附屬結構較少，不易受到護欄與車輛撞擊的阻絆作用，能較快地返回正常行駛軌跡，在0.5 s左右大型客車撞擊護欄過程基本完成。

圖7 不同撞擊點車輛最終運動狀態

圖8給出了大型客車撞擊下護欄各部件位移時程曲線。大型客車撞擊標準梁段中點﹑距離標準梁段2 m﹑開口連接段中點和距離開口連接段2 m下形梁板產生的位移最大，分別為441，425，445 mm和437 mm；其次為BFI型防阻塊，最大位移約為204～290 mm，上下套筒在撞擊過程中產生的最大位移約為200 mm，縱梁、立柱、上下支臂和支腿產生的最大位移均在100 mm以內。

圖8 大型客車不同撞擊點下位移時程曲線

2.3 大型貨車撞擊護欄分析

圖7中給出了不同撞擊點下大型貨車最終運動狀態，大型貨車由于車頭體積較大，車廂體積較小，在撞擊過程中主要車頭撞擊護欄，在護欄的導向作用下最終進入正常行駛狀態，而車廂較少碰撞到護欄。大型貨車撞擊護欄約在0.5 s左右撞擊過程基本完成。大型貨車撞擊護欄過程中，車輛未發生阻絆、穿越現象，護欄及其附屬構件未侵入駕駛限界。

圖9給出了大型貨車撞擊下護欄各部件位移時程曲線。大型貨車撞擊標準梁段中點、距離標準梁段2 m﹑開口連接段中點和距離開口連接段2 m下形梁板產生的位移最大，分別為192，191，197 mm和207 mm，其次為BFI型防阻塊，最大位移約為150 mm以內，其次為縱梁和上下套筒，上下支臂、立柱和支腿最大位移在50 mm以內。

圖9 大型貨車不同撞擊點下位移時程曲線

3 中央分隔帶開口活動護欄安全性能評價

通過以上車輛撞擊護欄結果分析，將結果匯總于表4。中央分隔帶開口活動護欄在小型客車﹑大型客車和大型貨車的撞擊下，具有較好的阻擋功能﹑導向功能。在小型客車撞擊下，乘員橫向和縱向碰撞速度最大分別為10.3 m/s和8.7 m/s，均小于200 m/s2，均小于12 m/s；乘員碰撞后橫向和縱向加速度最大分別為176 m/s2和174 m/s2，均小于200 m/s2，由此可得小型客車撞擊下護欄具有良好的緩沖功能。綜合以上分析，本研究建立的中央分隔帶開口活動護欄安全性能滿足SB防護等級要求。

表4 護欄分析結果

續表4

4 結論

本研究建立了車輛撞擊中央分隔帶開口活動護欄數值仿真模型，并采用顯式動力有限元方法分析評估了小型客車﹑大型客車和大型貨車下橋梁護欄的安全性能，主要結論如下。

(1)小型客車﹑大型客車和大型貨車撞擊護欄后均能返回正常行駛路徑，撞擊過程中車輛并未發生阻絆、穿越現象，護欄及其附屬構件未侵入駕駛限界。

(2)波形梁板在車輛的撞擊下產生較大變形，在撞擊過程中具有較好的變形吸能能力。

(3)小型客車撞擊護欄后，乘員碰撞速度的橫向與縱向分量均小于12 m/s；乘員碰撞后加速度的橫向與縱向分量均小于200 m/s2，滿足護欄緩沖功能要求。

(4)綜合評價橋梁護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能符合SB級護欄安全性能的要求。