高速公路中央分隔帶活動護欄碰撞仿真

范慕輝，劉巧會，孫兆巖，郄彥輝，崔洪軍

（1.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401）

高速公路中央分隔帶活動護欄碰撞仿真

范慕輝1，劉巧會1，孫兆巖1，郄彥輝1，崔洪軍2

（1.河北工業(yè)大學 機械工程學院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學 土木工程學院，天津 300401）

提出了一種企口式剛性混凝土活動護欄結構，可安裝在高速公路分隔帶開口處．基于現(xiàn)行規(guī)范要求，建立了相應的顯式有限元仿真模型并利用LS-DYNA軟件進行了實尺寸車輛模型與活動護欄的非線性碰撞仿真計算．結果表明：該活動護欄滿足160 kJ碰撞能量的Am級的防撞等級要求；各項碰撞安全性能指標均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求；隨碰撞角度的增大，車體重心3向加速度并非線性增大，而是縱向加速度基本不變、橫向加速度先增大后減小、而豎向加速度線性增加的變化規(guī)律．

活動護欄；碰撞仿真；防護能力；碰撞角度

0 引言

高速公路中央分隔帶開口是維持高速公路正常運營的必需設計，在開口處設置活動護欄對于交通事故救援及車輛疏導至關重要[1-6]．但目前國內(nèi)常用的插拔式、推拉式和填充式3種中央分隔帶開口活動護欄的防護能力明顯不足，經(jīng)常發(fā)生車輛穿越活動護欄與對向車輛相撞的惡性二次事故[4-5]．如：2004年7月25日寧連高速公路一輛大貨車穿越活動護欄，與對向行駛的小轎車迎面相撞，5人當場死亡；2008年10月4日在開陽高速公路圣堂路段，一輛小轎車穿越活動護欄，導致3車相撞，3死6傷；2009年3月27日在滬昆高速公路江西段，一輛客車穿越活動護欄，導致3車相撞，20死11傷；2010年11月14日在滬渝高速公路黃黃段，一輛半掛車穿越活動護欄造成3車相撞側翻，多人受傷．因此研究開發(fā)具有高防護能力的高速公路中央分隔帶活動護欄，具有較大的工程和社會價值．

在滿足活動護欄移動靈活、開啟安裝方便的前提下，為提高其防護能力，人們開展了大量的研究工作．如：王宏偉[4]、梁亞平[5]等研究開發(fā)了防撞能力達93 kJ的鏈式混凝土活動護欄；侯德藻[6]等人研究開發(fā)了組合型波形板活動式鋼護欄；閆書明[7-9]等人研究開發(fā)了在鋼管內(nèi)嵌預應力鋼索組合式活動護欄等．但是上述活動護欄在便捷性、經(jīng)濟性和防護安全性能方面上仍有不足之處．

本研究提出了一種剛性混凝土企口式活動護欄，在滿足中央隔離帶活動護欄開啟和移動便捷性的前提下，具有160 kJ的防撞能力和導向能力，能有效阻止車輛穿越護欄，防止惡性交通事故發(fā)生．為驗證活動護欄的安全性，以現(xiàn)行國家行業(yè)標準和規(guī)范為依據(jù)，利用LS-DYNA軟件強大的非線性計算能力，對活動護欄的防撞能力以及各項安全性能指標進行模擬驗證[9-10]．

1 剛性混凝土企口式活動護欄結構設計

剛性混凝土企口式活動護欄具有160 kJ的防撞能力，即高速公路中央分隔帶 Am級防撞等級，其高度為810mm，每節(jié)長度為2000mm，節(jié)與節(jié)之間縱向連接采用企口式連接．每節(jié)護欄均用2根高度可調(diào)螺桿與地面預埋螺母形成螺紋連接，以保證護欄的防護能力；同時每節(jié)護欄安裝2個升降的萬向輪結構，以保證護欄的活動性．當萬向輪升起不與地面接觸時，護欄放在隔離帶上并與地面通過螺栓連接到一起，此時護欄具有防撞和導向能力；當松開護欄與地面的螺栓連接，萬向輪下降頂起護欄時，方便護欄推走，實現(xiàn)中央隔離帶開口的目的．剛性混凝土企口式活動護欄的結構設計如圖1所示．

圖1 活動護欄結構示意圖Fig.1 Structure design ofmovablebarrier

2 碰撞條件和評價標準

參照國家相關標準和行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，Am級剛性活動護欄在封閉時應與固定護欄具有完全相同的防護能力，其相應的車輛碰撞條件如表1所示．

表1 碰撞條件Tab.1 Impactconditions

剛性混凝土活動護欄的評價標準包括[1,6]：

1）能夠阻止車輛穿越、翻越、騎跨活動護欄并對車輛進行導向，碰撞后的車輛駛出角度應小于駛入角度的60%；

2）在碰撞過程中，車輛不發(fā)生偏轉、翻轉、掉頭等現(xiàn)象；

3）在碰撞過程中車輛重心3向加速度10ms間隔平均值的最大值都小于等于20倍重力加速度；

4）護欄的最大動態(tài)變形量不大于100mm．

3 數(shù)值模擬驗證

3.1 活動護欄的力學性能

剛性活動護欄由鋼筋混凝土構成，其中：鋼筋材質(zhì)為HRB335鋼，質(zhì)量密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2×105MPa，屈服強度為335MPa，抗拉強度極限為455MPa，泊松比0.3，伸長率26.5%；混凝土材料的強度等級為C40，質(zhì)量密度2.45×103kg/m3，彈性模量為3.25×104MPa，抗壓強度極限為19.1MPa，抗拉強度極限為1.71MPa，泊松比0.2．

3.2 護欄模型的建立

仿真計算時，活動護欄的總長度按12節(jié)計、長度為24m，護欄的兩端處理為固定端約束，即約束端面所有節(jié)點的自由度．根據(jù)設計圖紙和鋼筋混凝土材料的力學性能參數(shù)，建立了顯式非線性的有限元分析數(shù)值模型．為提高計算精度，對仿真車輛模型與護欄接觸碰撞區(qū)域的6節(jié)護欄進行了網(wǎng)格加密處理，如圖2所示．

3.3 碰撞的車輛模型

為了確保碰撞模擬的準確性，本次模擬采用彈塑性本構關系建立大客車和小轎車的數(shù)值模型，模型的整體尺寸和行駛系統(tǒng)均通過拆解車輛按實際尺寸構建[11-15]．

圖2 活動護欄的有限元局部模型Fig.2 Part FEmodelofmovablebarrier

大客車車體的長、寬、高分別為11 300mm、2 420mm、3 300mm，總質(zhì)量為10 t．通過網(wǎng)格劃分建立了大客車的彈塑性有限元模型，如圖3所示，其中節(jié)點48592個、單元40850個．

圖3 大客車有限元模型Fig.3 FEAmodelof thebus

小轎車的長、寬、高分別為4600mm、1630mm、1340mm，總質(zhì)量為1.5 t．通過網(wǎng)格劃分建立了小轎車的彈塑性有限元模型，如圖4所示，其中節(jié)點26770個、單元28 771個．

圖4 小車的有限元模型Fig.4 FEAmodelof the car

3.4 系統(tǒng)坐標系和接觸條件設置

在仿真過程中，忽略路面的變形，把路面做剛性處理．碰撞系統(tǒng)坐標系以車輛行駛方向為縱向（x軸），車體寬度方向為橫向（y軸），垂直地面向上為豎向（z軸），并且3個坐標軸之間符合右手法則．

本次仿真過程中的接觸類型均采用自動接觸，共定義5個接觸對，即：1）車輛自身接觸；2）車輪與路面間；3）車輛與護欄間；4）護欄與路面間；5）企口式護欄間．

3.5 模擬仿真計算結果

3.5.1 大客車碰撞仿真結果

與活動護欄發(fā)生碰撞后，大客車沒有發(fā)生穿越、翻越和騎跨活動護欄現(xiàn)象；碰撞后大客車未發(fā)生偏轉、翻轉、掉頭等現(xiàn)象，仍然保持正常的行駛姿態(tài)；碰撞后大客車的駛出角度為9.6°，小于駛入角度20°的60%；活動護欄的最大動態(tài)變形量為76mm，小于允許值100mm；碰撞后大客車車體基本保持完整，僅前保險杠脫落，其重心處x、y、z 3個方向的加速度10ms平均值分別為18.1 g、17.1 g、11.1 g均小于20倍重力加速度．上述模擬碰撞結果均滿足現(xiàn)行標準和規(guī)范的要求，表明剛性混凝土企口式活動護欄對大客車具有良好的防護和導向能力[1-3,6-15]．碰撞過程中車體重心3方向加速度10ms間隔平均值隨時間變化曲線如圖5所示．

圖5 車體重心節(jié)點X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值曲線Fig.5 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of busatgravity center

3.5.2 小轎車碰撞仿真結果

小轎車與活動護欄發(fā)生碰撞后未出現(xiàn)穿越、翻越、騎跨、下穿活動護欄情況；碰撞后小轎車未發(fā)生橫轉、翻轉和掉頭現(xiàn)象，能夠保持正常的行駛姿態(tài)；小轎車的駛出角度為10.3°，小于駛入角度20°的60%；活動護欄的最大動態(tài)變形量為61 mm，小于允許值100 mm；碰撞后未發(fā)生部件脫落現(xiàn)象，車輛保持完整，車體重心處x、y、z3向加速度10ms平均值的最大值分別為18.6 g、17.7 g、15.4 g，均小于20倍重力加速度．碰撞結果均滿足相關規(guī)范的要求，表明活動護欄對小轎車具有良好的防護能力和導向作用．碰撞過程中車體重心3方向加速度10ms平均值隨時間變化曲線如圖6所示．

3.5.3 不同碰撞角度對車輛運行軌跡的影響

考慮到高速公路上交通事故的多樣性，事故車輛會以不同角度與活動護欄發(fā)生碰撞，選取10°、15°、20°、25°、30°5種不同角度，研究在大客車以不同碰撞角度和活動護欄發(fā)生碰撞過程中，車體重心加速度的變化情況，如圖7所示．

由圖7中車輛重心3向加速度10ms平均值隨大客車碰撞角度的變化曲線可以看出：X方向即車輛行進方向的加速度幾乎不受碰撞角度改變的影響；Y方向即車寬方向的加速度隨碰撞角度的增大并不是線性增大關系，而是先增大到碰撞角度為20°時，取極值后再隨碰撞角度的增加而減小的變化規(guī)律；Z方向即車高方向隨著碰撞角度增大而線性增加的關系，這是因為隨碰撞角度的增加，車輛爬升護欄的高度增加，因此Z方向亦增大．

圖6 小轎車車體重心節(jié)點X，Y，Z 3方向10ms平均加速度曲線Fig.6 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of caratgravity center

圖7 X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值隨大客車碰撞角度變化曲線Fig.7 Averageacceleration in 10ms curveof busatgravity center changed with the impactangle

4 結論

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的評價標準，利用顯式非線性有限元軟件LS-DYNA，對剛性混凝土活動護欄的防撞能力及各安全性能指標進行了模擬碰撞試驗，證明活動護欄不僅能滿足Am級防撞等級的防護要求[10]，還具有移動靈活、開啟和安裝方便等特點．

1）剛性混凝土企口式活動護欄采用了方便拆裝的分段式結構；段與段之間通過企口連接成整體，每段通過螺桿與地面預埋螺母形成固定連接，保證其防撞能力．每段安裝2個高度可調(diào)的萬向輪，在旋轉出螺紋連接的立柱后，每節(jié)活動護欄可以方便推走．

2）剛性混凝土企口式活動護欄對2種車輛均具有較好的防護和導向能力．

3）剛性混凝土企口式活動護欄對于車輛乘員具有良好的安全保護：車輛重心處x，y，z加速度10ms平均值均小于20倍重力加速度，符合標準及規(guī)范要求．

4）在初始碰撞速度（60 km/h）不變的情況下：縱向（x方向）加速度受碰撞角度的影響不大；橫向（y方向）加速度隨碰撞角度增大先增加后減小，且在碰撞角度為20°時取極值；豎向（z方向）加速度峰值隨著碰撞角度的增大而線性增加．

[1]交通部公路科學研究院．JTG/T F83*01-2004，高速公路護欄安全性能評價標準 [S]．北京：人民交通出版社，2004．

[2]交通部公路科學研究院．JTGD81-2006，公路交通安全設施設計細則 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[3]交通部公路科學研究院．JTGD81-2006，公路交通安全設施設計規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[4]王宏偉，賈日學，王彥卿，等．滬寧高速公路安全體系和中分帶開口護欄研究 [J]．現(xiàn)代交通技術，2006，5（5）：95-98．

[5]梁亞平，馬亮，閆書明．新型鏈式混凝土防撞活動護欄開發(fā) [J]．特種結構，2011，28（5）：87-90，100．

[6]侯德藻，李勇，楊曼娟，等．高速公路組合型波形板活動式鋼護欄開發(fā) [J]．公路交通科技，2011，28（9）：136-141．

[7]閆書明，白書鋒．鋼管預應力索防撞活動護欄開發(fā) [J]．交通運輸工程學報，2010，10（2）：41-45．

[8]閆書明．防撞活動護欄碰撞分析 [J]．武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2013，37（5）：1046-1050．

[9]閆書明，白書鋒，于海霞．中央分隔帶護欄開口處事故分析與解決方案 [J]．公路，2010，1（1）：196-201．

[10]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．

[11]魏彬．新型高度可調(diào)節(jié)公路防撞護欄研究 [D]．天津：河北工業(yè)大學，2012．

[12]邰永剛，張紹理，高水德．高防護等級鋼護欄改造方案研究 [J]．公路工程，2009，34（2）：140-143．

[13]邰永剛．組合式橋梁護欄防撞性能仿真與試驗 [J]．交通運輸工程學報，2010，10（1）：94-100．

[15]崔洪軍，崔姍，邢小高，等．護欄高度變化對防撞能力影響研究 [J]．重慶交通大學學報（自然科學版），2015，34（1）：84-90．

[責任編輯 田 豐 夏紅梅]

Impactsimulation ofmedianmovablebarrierson expressways

FANMuhui1，LIU Qiaohui1，SUN Zhaoyan1，QIEYanhui1，CUIHongjun2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300130,China;2.SchoolofCivilEngineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

A new type of rigid concretemovablebarrier to installat the opening ofmedianwasdeveloped.Based on the requirementofcurrentspecification,theexplicitfiniteelementmodelofmovablebarrierwassetup andwasused forsimulation ofnonlinear impactprocessof the full-scalevehiclewith themovablebarrierby the FEA software,LS-DYNA.The resultshows that the impactenergy of themovable barrierexceeded 160 kJ,which couldmeet the Am impactgrade;all of the safety performance parametersof themovablebarriermeetwith the requirementsof the currentspecification;with the increase of impactangle,the accelerations of vehicle center of gravity in three directionsare notcorrespondingly increased,but longitudinalacceleration basically constantacceleration,lateralacceleration increased linearly,and vertical acceleration increased firstand then decreased with the variation.

movable barrier;finiteelementanalysis;protection capability;impactangle

U417

A

1007-2373(2016)01-0027-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.005

2015-06-02

河北省自然科學基金（E2013202228）

范慕輝（1960-），女（漢族），教授，博士．

：郄彥輝（1976-），男（漢族），副教授，博士．

數(shù)字出版日期：2016-02-27數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160227.1609.004.htm l