彈頭型梁柱式鋼護欄仿真評價

皮振新， 劉小勇

(北京道從交通安全科技股份有限公司， 北京 100041)

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彈頭型梁柱式鋼護欄仿真評價

皮振新， 劉小勇

(北京道從交通安全科技股份有限公司， 北京 100041)

通過橫梁、立柱結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計和合理布局，開發(fā)了一款新型的彈頭型梁柱式鋼護欄，相比同類護欄能節(jié)省材料20%以上. 按照新頒布的《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)，采用計算機仿真模擬技術(shù)，分析評價了該護欄的安全性能，結(jié)果表明，該新型護欄的安全性能能夠達到SA級防撞等級的標準.

梁柱式鋼護欄； 碰撞； 仿真； 新標準

梁柱式鋼護欄安全性能優(yōu)、質(zhì)量輕、占地少、通透美觀，特別適合大型橋梁使用[1]，在我國建設(shè)的大型橋梁已有廣泛應(yīng)用，例如上海東海大橋[2]、青島海灣大橋、港珠澳大橋[3]等，但普遍存在結(jié)構(gòu)形式一橋一樣，防撞性能良莠不齊，造價及維修養(yǎng)護成本高昂等現(xiàn)實問題. 另外，隨著新的《公路護欄安全性能評價標準》[4](JTG B05-01—2013)于2013年12月1日實施，以下簡稱“新標準”，對公路護欄的防護等級、性能指標、試驗方法等進行了完善和提升. 因此，開發(fā)一款符合新標準要求、易推廣、適合我國國情的梁柱式鋼護欄顯得很有必要.

1 研究思路

計算機仿真技術(shù)在防護設(shè)施開發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，利用仿真對新設(shè)計的護欄進行評價，能極大縮短開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)費用，有效地指導(dǎo)實車碰撞試驗[5]. 鑒于SA級梁柱式鋼護欄的應(yīng)用較為普遍，所以選取SA級防撞等級作為本次彈頭型梁柱式鋼護欄的開發(fā)目標.

首先，采用計算機輔助優(yōu)化設(shè)計手段，結(jié)合以往的研究經(jīng)驗，設(shè)計更為合理的橫梁及立柱結(jié)構(gòu)形式，并研究橫梁及立柱的總體布局，確定彈頭型梁柱式鋼護的最終結(jié)構(gòu)，然后按照新標準的要求，采用計算機仿真模擬技術(shù)對新型護欄結(jié)構(gòu)進行分析評價，驗證其安全性能.

2 梁柱式鋼護欄結(jié)構(gòu)

通過研究確定了新型護欄的結(jié)構(gòu)，如圖1，其彈頭型橫梁截面形狀、梁柱連接結(jié)構(gòu)如圖2. 護欄總高1 400 mm，其中路緣石高150 mm，橫梁中心自下而上距路面的高度別為440、740、1 040、1 340 mm，橫梁的長度為6 m，上兩根橫梁壁厚6 mm，下兩根橫梁的壁厚為4 mm，立柱為H型，間距為2 m，橫梁拼接處位于兩立柱中間. 護欄與地面通過預(yù)埋地腳螺栓的形式實現(xiàn)連接.

圖1 護欄結(jié)構(gòu)

橫梁截面的迎撞面采用半橢圓形，背面做成凹形，這樣的結(jié)構(gòu)較現(xiàn)有的矩形有更多的好處[6]. 首先由于立柱較強，小車對護欄的碰撞，主要由橫梁的自身變形來吸能，所以橢圓形迎撞面較矩形面對小車的碰撞緩沖有更好的效果. 其次背面的凹形可以加強護欄的整體剛度，增加對大車的防撞能力，并且較矩形截面減少材料用量.

圖2 橫梁截面及梁柱連接

橫梁背面焊接連接板，通過螺栓與立柱實現(xiàn)連接，且螺母設(shè)置于凹槽內(nèi)，巧妙地將螺栓布置在橫梁后面，這樣簡化了橫梁與立柱的連接，避免了碰撞時螺栓對車輛的絆阻，方便了施工、運輸，護欄整體顯得更簡潔.

橫梁之間采用套管拼接，套管內(nèi)嵌入橫梁，左右端各設(shè)置3個螺栓固定，相比于以往梁柱式鋼護欄的橫梁拼接，該拼接結(jié)構(gòu)節(jié)省了50%的螺栓數(shù)量.

立柱與地面采用地腳螺栓連接，地腳螺栓直徑為30 mm，前4后2的布局，這樣的布局可以最大限度發(fā)揮螺栓的沖擊抗拉性能.

3 仿真評價

新標準中SA級護欄的試驗碰撞條件見表1. 護欄的長度為70 m，碰撞點位于沿試驗車輛行車方向距離護欄起點1/3長度處.

表1 SA級護欄的碰撞條件

在護欄碰撞仿真過程中，材料的應(yīng)變率對碰撞的主要參數(shù)有較大影響，考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果較為一致[7]. 護欄采用Q345鋼，其考慮應(yīng)變率的應(yīng)力應(yīng)變曲線見圖3.

圖3 Q345鋼材沖擊試驗結(jié)果

3.1 小客車碰撞仿真評價

采用1.5 t小客車進行碰撞，碰撞過程如圖4，碰撞過程中小客車姿態(tài)正常，無絆阻，能夠順利導(dǎo)出. 從碰撞結(jié)果來看，護欄對小客車的防護主要是靠護欄下部的2根橫梁，如果這2個橫梁間距過大容易導(dǎo)致車輛絆阻.

圖4 小客車碰撞過程

碰撞后小客車在駛離點起10 m長度范圍內(nèi)的最大橫向位移為3.04 m，小于新標準規(guī)定的計算值4.736 m，表明小客車的輪跡滿足導(dǎo)向駛出框的要求.

護欄和車輛碰撞后的變形情況見圖5，護欄的變形主要發(fā)生在最下面橫梁碰撞點附近，護欄其他部位基本不變. 小客車變形主要是保險杠和碰撞側(cè)面.

圖5 碰撞后護欄及車輛變形

根據(jù)新標準要求，乘員碰撞后加速度應(yīng)該取乘員頭部碰撞乘員艙內(nèi)部時刻之后的最大加速度值，而乘員碰撞速度則取乘員頭部碰撞乘員艙內(nèi)部瞬間時的速度. 小客車仿真結(jié)果顯示，乘員頭部碰撞乘員艙內(nèi)部的時刻為0.083 7 s，小客車重心處碰撞加速度見圖6. 由圖可以看出橫向加速度較縱向加速度大，且峰值附近持續(xù)時間長，其最大值為124.5 m/s2，縱向加速度最大值為33.7 m/s2. 乘員碰撞速度見圖7，其橫向和縱向值分別為8.6 m/s，5.5 m/s.

圖6 小客車重心處碰撞加速度

圖7 乘員碰撞速度

3.2 大客車仿真評價

采用14 t大客車進行碰撞，碰撞過程如圖8，車輛未出現(xiàn)穿越、翻越護欄和翻車現(xiàn)象，表明護欄可以阻擋碰撞車輛.

圖8 大客車碰撞過程

大客車在駛離點起20 m長度范圍內(nèi)的最大橫向位移為3.56 m，小于新標準規(guī)定的計算值8.532 m，表明大客車的輪跡滿足導(dǎo)向駛出框的要求.

護欄和大客車碰撞后護欄和車輛變形較大，護欄變形最大位置在碰撞點附近，是由車輛尾部碰撞造成的.

3.3 大貨車仿真評價

采用25 t整體式貨車進行碰撞，碰撞過程如圖9. 車輛未出現(xiàn)穿越、翻越護欄和翻車現(xiàn)象，護欄能夠阻擋車輛. 但由于大貨車的重心較高，碰撞時車輛側(cè)傾稍大.

圖9 大貨車碰撞過程

大貨車在駛離點起20 m長度范圍內(nèi)的最大橫向位移為3.86 m，小于新標準規(guī)定的計算值8.708 m，表明大貨車的輪跡滿足導(dǎo)向駛出框的要求.

護欄和大貨車碰撞后導(dǎo)致護欄的變形和破壞最嚴重. 車輛尾部碰撞處護欄變形最大.

4 評價結(jié)論

通過對彈頭型梁柱式型鋼護欄的碰撞仿真計算與安全性能分析評價，結(jié)果表明，彈頭型梁柱式鋼護欄的安全性能能滿足SA防撞等級的要求，如表2所示.

該護欄結(jié)構(gòu)新穎、外形美觀，安全性能高，材料用量相比國內(nèi)同類護欄能節(jié)省20%的材料用量. 該新型梁柱式型鋼護欄結(jié)構(gòu)正在實施實車足尺碰撞試驗，將進一步檢驗安全性能，以完善其在實際工程中的應(yīng)用基礎(chǔ).

表2 三種車型仿真評價結(jié)果

[1] 龔妮娜. 淺談金屬梁柱式橋梁護欄[J]. 交通標準化, 2007(12): 165-125.

[2] 張劍英. 東海大橋防撞護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[D]. 上海: 同濟大學(xué), 2004.

[3] 閆書明, 方磊, 張梁, 等. 港珠澳大橋護欄碰撞試驗條件研究[J]. 城市道橋與防洪, 2011(4): 87-89.

[4] JTG B05-01-2013公路護欄安全性能評價標準[S].

[5] 閆書明. 有限元仿真方法評價護欄安全性能的可行性[J]. 振動與沖擊, 2011, 30(1): 152-156.

[6] 戚榮林, 曾志遠, 丁瑞雄, 等. 方形與圓形鋼管梁半剛性護欄防撞性能對比分析[J]. 江南大學(xué)學(xué)報, 2012, 11(5): 566-570.

[7] 王國春, 成愛國, 高暉, 等. 材料應(yīng)變率對汽車碰撞性能的研究[J]. 汽車工程, 2010, 32(6): 482-485.

The Evaluation of a Bullet-like Steel Guardrail by Computer Simulation

PI Zhen-xin, LIU Xiao-yong

(Beijing Amrd Traffic Technological Co.,Ltd.,Beijing 100041, China)

The structure optimization and better distribution of beams and posts were conducted to design a new type of bullet-like Beam-Post Steel Guardrail, which can save material over 20% compared with other similar ones. According to the new "Standard for Safety Performance Evaluation of Highway Barriers" (JTG B05-01—2013), the safety performance of the guardrail was analyzed and evaluated by computer simulation. The results show that the guardrail was verified to reachthe SA level.

Beam-Post Steel Guardrail; collision; simulation; new standard

10.13986/j.cnki.jote.2015.04.009

2014- 12- 08.

皮振新(1978—)，男，碩士研究生，研究方向為高速公路安全防護設(shè)施開發(fā). E-mail:pdzyww@sina.com.

U 491.5+9

A

1008-2522(2015)04-49-04