基于仿真模擬的雙層雙波護欄升級改造

胡 健,張浩浩,王 坤

(江蘇現代路橋有限責任公司,江蘇 南京 210049)

0 引 言

近年來我國交通運輸行業得到了飛速的發展,在交通量逐年增大的同時,交通事故也不斷增多,嚴重威脅了駕乘人員的人身安全,造成了大量的經濟損失,部分嚴重的交通事故往往還伴隨著惡劣的社會影響。交通事故中占比較高的一類是路側交通事故,路側交通事故在占比較高的同時,帶來的后果往往也較為嚴重,而護欄對于減輕路側交通事故的危害起到了重要的作用[1]。國內對于護欄進行了較多的研究,研究對象包括混凝土護欄、薄梁護欄、纜索護欄等,從護欄的結構、端頭設計及截面參數等角度開展研究,研究方式包括有限元模擬、實車碰撞試驗等[2-5]。

為進一步強化高速公路交通安全運營保障能力,各高速公路管養單位相繼對所管養路段道路沿線的交通安全設施進行改造升級。然而在對交通設施進行改造升級時,將所有的防護等級較低的護欄進行更換,將會大大提高養護的成本,并在一定程度上造成浪費[6]。在對護欄進行改造升級時,如果能對原有的護欄設施進行一定的改造與利用,而非簡單的更換,使其滿足相關規范要求,既可以減少養護工程的工作量,還可以降低養護成本,對道路的運營影響也較小[7-8]。因此,對現有護欄進行提質升級改造的研究具有重要價值。

為了提高波形護欄的防護能力,使其更容易通過更換部件完成升級,波形護欄的各組件應實現模塊化。李慧珍[9]通過研究給出了一些護欄改造方案,分別針對路側波形梁護欄防撞擊能量為93、160、280 kJ和中分帶波形梁護欄在防撞擊能量為93、160 kJ五種工況,對于高速公路的護欄改造具有一定的參考價值。陳岳峰等[10]通過有限元模擬和材料性能試驗,對護欄的實際防護能力、防護等級需求、護欄適用性等方面開展評價,結合評估結論與護欄的技術現狀對護欄的改造升級提出了一些對應的改造措施。王敏等[11]建立了有限元模型,分別模擬大客車、半掛車在與波形護欄發生碰撞時不同波形護欄的阻攔效果,根據結構分析為現有的護欄改造方案提供一定的依據。雷正保等[12]對永吉高速公路護欄進行了優化設計,有效解決了車輛爬上、越過、翻越、內側翻車的問題,為護欄優化設計提供了一種有效、可行的設計思路。基于此提出一種雙層雙波的護欄提升改造技術,采用經實車碰撞試驗校核的仿真有限元模型,建立防護等級達到A級(160 kJ)的車輛-護欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護欄”碰撞過程,計算分析護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能以及變形相關指標,為雙層雙波護欄提升改造提供依據和參考。

1 改造提升方案

沈海高速某段路側波形梁護欄改造采用雙層雙波護欄。下層護欄板為既有波形梁護欄保持不動,即4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm護欄板、Φ140 mm×4.5 mm×1 850 mm立柱、立柱間距4 m、300 mm×70 mm×4.5 mm托架。上層護欄板及拼接螺栓利用中分帶拆除的護欄構件,護欄板型號為4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm,新打入立柱Φ140 mm×4.5 mm×2 650 mm,新打入立柱間距4 m,增設A型防阻塊178 mm×200 mm×3 mm。雙層雙波護欄板橫梁中心距迎撞面處的路面高度分別為56 cm、96 cm。

該雙層雙波護欄設計的試驗護欄相似。試驗護欄是對《公路交通安全設施施工技術規范》(JTG/T 3671—2021)帶防阻塊的A級波形梁護欄的提升改造,改造技術要點為:加密立柱,在相鄰立柱之間新增Φ114 mm×4.5 mm,Φ114 mm×4.5 mm立柱打入深度為1.1 m,在原護欄板上方增設4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm護欄板,新增護欄板與原護欄板的中心間距為40 cm,新增立柱與新增護欄板和原護欄板均采用178 mm×200 mm×3 mm防阻塊連接。經實車碰撞試驗驗證,試驗護欄防護等級能夠達到《公路交通安全設施設計細則》(JTG/T D81—2017)的A級(160 kJ)。

路側波形梁雙層雙波改造護欄與試驗護欄的主要區別是:

(1)路側波形梁雙層雙波改造護欄下層護欄板通過托架與立柱連接,試驗護欄下層護欄板通過防阻塊與立柱連接。

(2)路側波形梁雙層雙波改造護欄加高立柱與下層護欄板未連接,試驗護欄加高立柱與下層護欄板連接。

選用計算機模擬與實車碰撞試驗相結合的方法,對雙層雙波改造護欄在發生碰撞時的防護等級進行驗證。采用經實車碰撞試驗校核的仿真有限元模型,建立試驗護欄和雙層雙波改造護欄的車輛-護欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護欄”碰撞過程,計算護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能以及變形相關指標,分析雙層雙波改造護欄與試驗護欄防護性能的差異,從而判斷雙層雙波改造護欄防護等級能夠達到《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2017)的A級(160 kJ)[13]。

2 碰撞系統有限元模型

2.1 車輛模型

按車輛實際尺寸建立有限元模型,車身結構主要是薄壁金屬構件,單元類型主要為四邊形單點積分殼單元,這種單元具有良好的變形性能,根據車輛與護欄的碰撞接觸情況,選用不同的單元特征長度以劃分車輛的不同部位,這種措施可以有效地提高計算的精度和效率。車身薄壁金屬構件采用多線性、彈塑性、各向同性硬化材料,采用Cowper-Symons模型來考慮應變率效應,輪胎根據其特性選定彈性材料進行模擬,此外利用剛性實體材料搭建發動機、懸架及制動系統模型。根據相關檢測數據確定小型車與大型車的輪胎胎壓分別為0.3和0.8 MPa。全車各部件之間連接方式使用點焊進行連接,在可以活動的部位,如車門和車體之間選用可以活動的鉸接點單元進行連接。

2.2 鋼材模型

在進行仿真時不考慮Q235鋼材應變率,即其應變率為0。車輛與護欄發生碰撞的過程為一種動態沖擊過程,在發生動態沖擊過程中材料會出現沖擊硬化現象,因此需要獲取材料的沖擊硬化參數來保證仿真的精度。采用Hopkinson壓桿沖擊試驗得到的應力應變曲線,將其作為考慮應變率的材料仿真參數。

在LS-DYNA模型中,鋼材采用Mat24材料模擬,將以上材料參數輸入鋼護欄仿真模型后,通過實車碰撞試驗結果對比校核驗證仿真參數的準確性和可靠性。

2.3 改造護欄有限元模型

改造護欄有限元模型中的護欄板、防阻塊、拖架均采用shell單元模擬,材料為Mat24(即彈塑性材料MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)。拼接螺栓和連接螺栓均采用梁單元模擬,將立柱折彎點設置在路面以下13 cm位置處。護欄設置長度為70 m,護欄板兩端固結。

2.4 碰撞條件

在模擬碰撞時利用關鍵字*RIGIDWALL_PLANAR定義輪胎與地面的接觸,摩擦系數取0.7,通過*LOAD_BODY_Z給碰撞系統施加重力加速度,通過*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分別定義碰撞車輛內部、復合材料護板內部自接觸;通過*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定義車輛與護欄接觸,由于車輛與PU泡沫剛度相差較大,設定參數soft=1[14]。

將護欄模型導入車輛模型之后,車輛碰撞護欄有限元模型通過碰撞速度、碰撞角度、接觸以及調整碰撞點的設置進行確定。

根據相關規定,A級(160 kJ)護欄的碰撞條件為1.5 t小型客車、10 t中型客車、10 t中型貨車分別以100、60、60 km/h行駛速度20°撞擊各護欄[15],如表1所示。

表1 A級(160 kJ)試驗碰撞條件

3 改造護欄仿真模擬分析

3.1 小型客車碰撞

1.5 t小型客車碰撞護欄仿真計算結果如圖1～圖4所示。車輛與護欄發生碰撞后,未發生穿越、騎跨護欄,護欄構件未出現侵入駕駛員位置的現象;以車輛重心的加速度作為計算參數,可以得到發生碰撞時成員的縱向和橫向分量分別為OIVx=5.84 m/s和OIVy=6.04 m/s,發生碰撞后加速度縱向和橫向分量分別為ORAx=96 m/s2和ORAy=68 m/s2;發生碰撞后車輛未出現翻車、橫轉、掉頭現象,位移輪跡滿足導向駛出框要求,經檢驗1.5 t小型客車碰撞護欄結果滿足檢驗標準要求。

圖1 小型客車行駛姿態

圖2 小型客車輪跡

圖3 小型客車碰撞后護欄變形損壞形態

圖4 小型客車碰撞后護欄變形指標

3.2 中型客車碰撞

10 t中型客車碰撞護欄仿真計算結果如圖5～圖8所示。車輛碰撞護欄后,沒有穿越、翻越、騎跨護欄,護欄構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙;車輛順利導出,行駛姿態正常,沒有發生翻車、橫轉、掉頭現象,車輛輪跡滿足導向駛出框要求。護欄最大橫向動態變形值D=0.70 m,護欄最大橫向動態位移外延值W=1.1 m,車輛最大動態外傾值VI=0.93 m,車輛最大動態外傾當量值VIn=1.01 m。10 t中型客車碰撞護欄結果滿足檢驗標準要求。

圖5 中型客車行駛姿態

圖6 中型客車輪跡

圖7 中型客車碰撞后護欄變形損壞形態

圖8 中型客車碰撞后護欄變形指標

3.3 中型貨車碰撞

車輛碰撞護欄后,沒有穿越、翻越、騎跨護欄,護欄構件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙;車輛順利導出,行駛姿態正常,沒有發生翻車、橫轉、掉頭現象,車輛輪跡滿足導向駛出框要求。護欄最大橫向動態變形值D=0.84 m,護欄最大橫向動態位移外延值W=0.90 m,車輛最大動態外傾值VI=0.98 m,車輛最大動態外傾當量值VIn=0.98 m。10 t中型貨車碰撞護欄結果滿足檢驗標準要求。

根據仿真模擬計算結果,在防護等級A級(160 kJ)的碰撞條件下,小型客、中型客車和中型貨車碰撞改造護欄的安全性能各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)的要求。

4 改造護欄與試驗護欄安全性能指標對比

改造護欄和試驗護欄的仿真模擬計算結果對比匯總如表2所示,主要指標包括:護欄最大橫向動態變形值、車輛最大動態外傾值、車輛輪跡、小型客車緩沖功能指標。車輛輪跡的計算結果不僅與護欄型式有關,受車輛轉向系統的影響也較大,在仿真模擬計算及試驗中均表現出一定的離散性,因此兩種護欄安全性能指標對比時主要考慮中型客車和中型貨車碰撞后的護欄最大橫向動態變形值、車輛最大動態外傾值以及小型客車碰撞后的緩沖功能指標。

表2 仿真計算結果匯總

由表2的計算結果對比可知,改造護欄的護欄最大橫向動態變形值、車輛最大動態外傾值小于試驗護欄,因此改造護欄對中型客車和中型貨車的阻擋功能指標優于試驗護欄。改造護欄的乘員碰撞后加速度小于試驗護欄,試驗護欄的乘員碰撞速度指標大于試驗護欄;對于波形梁護欄,在小型客車碰撞護欄后沒有發生絆阻、順利導出的情況下,小型客車緩沖功能均能符合評價標準規定,因此即使改造護欄的乘員碰撞速度指標大于試驗護欄,考慮到小型客車碰撞改造護欄后順利導出,認為改造護欄的緩沖功能能夠滿足評價標準要求。

5 結 論

A級(160 kJ)的碰撞條件下,小型客車、中型客車和中型貨車碰撞路側改造雙層雙波護欄,采用經實車碰撞試驗校核的仿真有限元模型,建立防護等級達到A級(160 kJ)的試驗護欄和路側波形梁護欄改造結構的車輛-護欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護欄”碰撞過程,計算分析護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能以及變形相關指標,得出以下結論。

(1)根據仿真模擬計算結果,防護等級安全性能各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)的要求。

(2)改造護欄對中型客車和中型貨車的阻擋功能指標優于試驗護欄,改造護欄的乘員碰撞后加速度指標優于試驗護欄,試驗護欄的乘員碰撞速度指標優于改造護欄,小型客車碰撞改造護欄后順利導出,綜合改造護欄和試驗護欄的安全性能對比分析,認為本項目路側波形梁護欄改造結構防護等級能夠達到《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)的A級(160 kJ)。

(3)在護欄仿真模型中模擬原護欄時,認為護欄結構尺寸、基礎以及力學性能指標等均符合建設期標準,現場實施時應對原護欄上述結構參數進行復核,并確保護欄的改造施工滿足相關標準規范的要求。