高性能可移動鋼護(hù)欄設(shè)計及碰撞仿真研究

周磊生 于浩 李月祥 徐俊德 夏永生

摘 要： 依托經(jīng)實車碰撞試驗驗證、防護(hù)等級滿足A級的高性能金屬護(hù)欄，開發(fā)了一種安裝拆移簡便、具備良好復(fù)用性和回收性、可作為永久或臨時綜合利用的高性能可移動鋼護(hù)欄。在不改變原有護(hù)欄的受力結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，優(yōu)化護(hù)欄的安裝、連接細(xì)部構(gòu)造，在護(hù)欄的底部設(shè)置活動滾輪，便于轉(zhuǎn)運(yùn)。運(yùn)用有限元軟件對優(yōu)化后的護(hù)欄進(jìn)行碰撞仿真模擬，驗證其防護(hù)性能仍滿足A級。

關(guān)鍵詞： 鋼護(hù)欄; 可移動; 數(shù)值模擬; 防撞性能

中圖分類號： ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：

Study on Design of Movable Steel Guardrail with High Performance and

Collision Simulation

ZHOU Leisheng1， YU Hao1， LI Yuexiang1， XU Junde2， XIA Yongsheng3

（1. Qilu Transportation Development Group， Jinan 250100; 2. Guangdong Communication

Planning & Design Institute Co. Ltd.， Guangzhou 510000; 3. Shanghai Qichan Transportation

Facilities Engineering Co. Ltd.， Shanghai 201499）

Abstract： A movable metal guardrail was developed based on an existed guardrail which has been verified up to standard of Grade A in protection level by real vehicle crash test. The new movable guardrail could be utilized comprehensively as permanent or temporary facilities with many merits including convenience of installation and removal， and good crashworthiness， reusability and recycling. The structure of guardrail connection parts was optimized retaining the original stressed structure. The wheel combination was installed at the bottom of the guardrail， which made the guardrail movable as a temporary facility. A collision simulation experiment of the optimized guardrail was conducted based on finite element model （FEM） to ensure that meet Grade A.

Key words： Steel guardrail; Movability; Numerical simulation; Crashworthiness

0 引言

近年來，我國高速公路建設(shè)速度較快，高速公路路網(wǎng)已接近完善，新建道路已漸漸趨向于飽和。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量的日益增加，高速公路路網(wǎng)出現(xiàn)了局部交通量飽和甚至擁堵，高速公路將迎來較多的改擴(kuò)建工程[1]。高速公路改擴(kuò)建工程通常是在不封閉交通的情況下進(jìn)行的，高速的交通流和復(fù)雜的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境容易誘發(fā)交通事故和交通擁堵，因此，施工作業(yè)區(qū)需設(shè)置完善的交通安全保障措施[2]。目前，我國公路作業(yè)區(qū)隔離設(shè)施主要以水馬、交通錐、水泥隔離墩為主，只有警示或者硬隔離的作用，基本不具備防撞性能，在發(fā)生交通事故時保護(hù)不了行駛車輛及施工區(qū)內(nèi)的工作人員，其碰撞解體后的拋灑物更有可能造成較大的二次事故[3]。國外部分在用的公路施工區(qū)隔離護(hù)欄，雖具備一定的防撞性能，但安裝時需對道路路面進(jìn)行錨固，造成較大路面損毀，難以符合工程的需求。為此開發(fā)一種防撞性能好、安裝拆移簡便、對既有道路損害較少、具備良好復(fù)用性和回收性、可作為永（久）臨（時）綜合利用功能的隔離護(hù)欄顯得尤為必要。

1 高性能可移動鋼護(hù)欄設(shè)計

本研究依托經(jīng)實車碰撞試驗驗證、防護(hù)等級滿足A級的、已開發(fā)成功的高性能金屬護(hù)欄進(jìn)行二次開發(fā)。已有高性能金屬護(hù)欄的主要技術(shù)原理為：采用以人文寬容性設(shè)計為本的技術(shù)原理：一警示，二緩沖，三吸能，四攔截。雖然該護(hù)欄作為永久設(shè)施具備較好性能與適用性，但作為臨時護(hù)欄存在以下問題：（1）節(jié)段間采用強(qiáng)連接，螺栓數(shù)量多，拆裝較為費(fèi)時;（2）節(jié)段較長，拆卸、運(yùn)輸對機(jī)具要求較高;（3）錨栓設(shè)置密集，且打入深度較大，會對路面產(chǎn)生一定的破損?；谏鲜鰡栴}，本研究在不改變原有護(hù)欄受力結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，保證其具備A級以上的防護(hù)性能，優(yōu)化其底部構(gòu)造，設(shè)置活動滾輪，使護(hù)欄便于拆卸、轉(zhuǎn)運(yùn)，具有較好的重復(fù)利用率，有利于節(jié)能環(huán)保。

1.1 快速安裝拆卸結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)

本項目護(hù)欄擬采用套管拼接方式。拼接套管的尺寸可根據(jù)橫梁的尺寸確定，但應(yīng)保證其能夠套入橫梁內(nèi)，且與橫梁內(nèi)壁的間隙應(yīng)控制在2～4 mm范圍內(nèi)。本護(hù)欄考慮減少護(hù)欄安裝過程中橫梁拼裝工作量、方便施工，擬將拼接螺栓數(shù)量設(shè)置為6個（每側(cè)各3個），護(hù)欄頂部設(shè)置了4個短螺栓（每側(cè)各2個）。底座采用連接板連接，每段標(biāo)準(zhǔn)梁設(shè)置3根立柱，立柱與橫梁和底座采用螺栓連接。在永久使用時，標(biāo)準(zhǔn)梁兩端有地腳螺栓可以和地面進(jìn)行固結(jié);作為臨時使用時，在標(biāo)準(zhǔn)梁中間擬設(shè)置兩個強(qiáng)度高的地面連接錨桿30×160 mm，需要移動護(hù)欄時，可將錨桿頭切除或拔出。

1.2 快速移動結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)

在不改變已有護(hù)欄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在每節(jié)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段兩端距離端部1.5 m處各設(shè)置一組滾輪，由兩個輪子組成一組，每組都具有轉(zhuǎn)向功能，使得護(hù)欄具有可移動性。輪組通過連接板與護(hù)欄底座螺栓相連，在護(hù)欄鍍鋅完成后再安裝輪組。每組輪子通過旋轉(zhuǎn)絲杠可以上下調(diào)節(jié)，當(dāng)護(hù)欄需要移動時旋轉(zhuǎn)絲杠，將輪子頂出護(hù)欄底座，直接在路面上推走即可。移動到指定位置后，反方向旋轉(zhuǎn)絲杠，將輪子提升，護(hù)欄落地，標(biāo)準(zhǔn)段連接即可重新使用。護(hù)欄總高900 mm，底座高385 mm，截面呈幾字形;橫梁為C型，通過400 mm長C型套管進(jìn)行連接。護(hù)欄移動輪升降方式見圖1。

1.3 整體結(jié)構(gòu)研究與開發(fā)

將移動護(hù)欄的底座設(shè)計為弧形幾字，形成一定的坡度，使兩側(cè)具有良好的卸力弧度，并且緊貼地面，在車輛的沖擊下，能夠有效吸收碰撞能量，校正車輪，護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段長6 000 mm，底座寬600 mm，高900 mm[4]。安裝護(hù)欄時，在端部采用鯊魚嘴造型段，配置專用的連接板可與波形梁護(hù)欄或者新澤西護(hù)欄連接，并且每節(jié)標(biāo)準(zhǔn)段都留有孔位，可以安裝防滲水鉚釘與路面進(jìn)行固定。每標(biāo)準(zhǔn)段安裝了兩組輪組，輪組和護(hù)欄靠螺栓來連接，可以很方便的拆卸和安裝。護(hù)欄正常使用時，輪組隱藏在護(hù)欄底座內(nèi)，不與地面接觸。

綜上所述，護(hù)欄增加輪組，結(jié)構(gòu)沒有變化，輪組在護(hù)欄內(nèi)，對防撞能力的影響可以忽略，本設(shè)計具有如下優(yōu)點：（1）優(yōu)越的防撞性能;（2）使用壽命長：產(chǎn)品采用整體加工，整體熱浸鍍鋅或者鍍鋅噴塑的處理方式，壽命可以達(dá)到15年以上。（3）安裝養(yǎng)護(hù)方便：安裝過程簡單，無需提前預(yù)埋。不破壞橋梁路面。養(yǎng)護(hù)便捷，輕微撞損無需更換，嚴(yán)重撞損則更換相應(yīng)破損節(jié)即可。（4）周轉(zhuǎn)利用率高：活動節(jié)下面帶有隱藏滾輪，通過特殊裝置可將滾輪降下，從而可以方便挪動周轉(zhuǎn)。

2 高性能可移動鋼護(hù)欄碰撞仿真評價

隨著計算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，計算機(jī)仿真模擬在研究公路護(hù)欄碰撞方面得到廣泛應(yīng)用。通過計算機(jī)仿真模擬汽車與護(hù)欄實際碰撞過程，可以獲取更詳細(xì)的碰撞數(shù)據(jù)，為護(hù)欄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐，碰撞仿真具有成本低、重復(fù)性好等優(yōu)點，已經(jīng)成為實車碰撞前的必經(jīng)程序[5]。本文基于LS-DYNA及Hypermesh軟件進(jìn)行碰撞仿真及分析。在Hypermesh軟件中進(jìn)行前處理，在LS-DYNA中進(jìn)行計算以及后處理。通過拆解車輛，建立了符合國家規(guī)范的車輛有限元模型，在碰撞試驗與仿真模擬對比的基礎(chǔ)上，積累了大量的碰撞參數(shù)，以此來調(diào)整模型，使得計算機(jī)碰撞仿真更接近與真實情況，能夠有效的指導(dǎo)護(hù)欄產(chǎn)品的優(yōu)化[6]。

2.1 仿真模型

本次模擬仿真的鋼結(jié)構(gòu)護(hù)欄總長度近72 m，由12節(jié)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段連接組成，每隔18 m即3節(jié)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段，在此標(biāo)準(zhǔn)段中間左右兩側(cè)設(shè)置兩根30×160 mm錨桿，與地面連接，護(hù)欄三維模型見圖3。有限元模型見圖4，護(hù)欄主體采用殼單元，螺栓采用梁單元，護(hù)欄有限元模型單元數(shù)量41萬，地錨螺釘?shù)囊欢巳s束，參考我國車輛的特點及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，建立了車輛模型，車輛撞擊護(hù)欄位置在護(hù)欄順行車方向1/3處[7]。

2.2 參數(shù)校核

基于有限元方法的仿真模型只有經(jīng)過參數(shù)校核才能達(dá)到科學(xué)可靠的效果。通過多次與試驗比對校核，不斷調(diào)整模型的參數(shù)，使仿真結(jié)果滿足精度要求，圖5為已開發(fā)的高性能金屬護(hù)欄仿真與試驗結(jié)果對比圖。由圖5可以看出碰撞仿真結(jié)果與試驗結(jié)果有很好的吻合，因此，采用該模型的參數(shù)能夠精確的模擬高性能可移動護(hù)欄的碰撞結(jié)果[8]。

2.3 碰撞條件及評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)交通運(yùn)輸部2013.12.01發(fā)布實施的《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）進(jìn)行碰撞仿真的評價，表1為A級護(hù)欄碰撞條件。

對護(hù)欄的碰撞評價標(biāo)準(zhǔn)主要分為三個方面：阻擋功能、緩沖功能、導(dǎo)向功能。其中導(dǎo)向功能的要求是車輛輪跡符合導(dǎo)向駛出框見圖6，即不能超越直線F，參數(shù)A和B按照不同的車型選值。

2.4 A級護(hù)欄碰撞仿真

本研究分別進(jìn)行了小型客車、中型客車、中型貨車的A級護(hù)欄碰撞仿真實驗，護(hù)欄擺放在硬質(zhì)地面上，基礎(chǔ)每18 m即3個護(hù)欄之間，用地錨固定一次。

（1） 小型客車碰撞仿真

小客車重量為1.5 t，碰撞速度100 km/h，小客車碰撞過程的行駛狀態(tài)見圖7，碰撞過程中姿態(tài)正常，無絆阻，能夠順利導(dǎo)出。護(hù)欄和小客車碰撞后變形見圖8，模擬結(jié)果可以直觀的看出護(hù)欄碰撞后較最初位置的變形情況，小客車主要是保險杠和碰撞側(cè)面發(fā)生變形。小客車導(dǎo)向駛出框示意圖見

圖9，由標(biāo)準(zhǔn)中公式可以計算出允許小型客車橫向偏移為4.71 m，仿真結(jié)果為2.9 m，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。仿真數(shù)據(jù)經(jīng)處理后，可以得出司乘人員頭部碰撞時刻t*=0.134 s，乘員碰撞后加速度x方向為19.3 m/s2，y方向為62.4 m/s2，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值200 m/s2，見表2;乘員碰撞速度x方向為4.9 m/s，y方向為6.1 m/s，小于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的最大值12 m/s。小客車撞能夠滿足規(guī)范要求[9]。

（2） 中型客車碰撞仿真

中型客車重量為10 t，碰撞速度為60 km/h，碰撞過程中車輛行駛姿態(tài)正常，玻璃破碎，行駛無絆阻，可以順利導(dǎo)出。護(hù)欄和中型客車碰撞后的變形情況見圖12，客車導(dǎo)向駛出框示意圖見圖13，由標(biāo)準(zhǔn)中公式可以計算出允許中型客車橫向偏移為7.64 m，仿真結(jié)果為4.65 m，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3） 中型貨車碰撞仿真

中型貨車為10噸、2軸整體式貨車，碰撞速度為60 km/h，碰撞過程無絆阻，導(dǎo)出順利。護(hù)欄和中型貨車碰撞后的變形見圖14，車輛尾部處碰撞護(hù)欄位移最大;中型貨車導(dǎo)向駛出框見圖15，由標(biāo)準(zhǔn)中公式可以計算出允許中型貨車橫向偏移為7.82 m，仿真結(jié)果為5.20 m，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

一般護(hù)欄的評價除了阻擋、導(dǎo)向、緩沖功能項目以外，還有四項需要記錄的護(hù)欄及車輛變形的相關(guān)指標(biāo)，這四項紀(jì)錄指標(biāo)規(guī)范上不作硬性規(guī)定，但是在具體項目要求上需要考慮。也就是說護(hù)欄的碰撞主要是保護(hù)路面上的車輛，對于護(hù)欄的損壞、及對護(hù)欄背后物體的保護(hù)，視項目的具體情況而定，高性能可移動鋼護(hù)欄仿真結(jié)果如表2所示，根據(jù)以上對仿真結(jié)果的分析評價，本項目護(hù)欄作為公路施工隔離的臨時護(hù)欄，能夠滿足A級護(hù)欄的標(biāo)準(zhǔn)，而且作為高速公路施工區(qū)臨時護(hù)欄使用，護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值W僅為1 m左右，能夠有效的利用路面施工空間[10]。

3 總結(jié)

本研究依托經(jīng)實車碰撞試驗驗證、防護(hù)等級滿足A級的高性能金屬護(hù)欄進(jìn)行二次開發(fā)，開發(fā)出一款防撞性能好、安裝拆移簡便、對既有道路損害較少、具備良好復(fù)用性和回收性的高性能可移動鋼護(hù)欄，并通過計算機(jī)模擬碰撞試驗，對新型移動護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計方案進(jìn)行驗證，保證安全防護(hù)性能滿足要求，作為臨時護(hù)欄，可以周轉(zhuǎn)使用，節(jié)能環(huán)保，降低使用成本;并可作為隔離設(shè)施永久利用。該護(hù)欄的研發(fā)應(yīng)用，補(bǔ)充和完善了我國高速公路改擴(kuò)建施工區(qū)的防護(hù)體系，具有良好的發(fā)展前景和廣大的經(jīng)濟(jì)社會效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 聶鵬飛，丁亞碧，趙兵，等.高速公路改擴(kuò)建工程地基拓寬段力學(xué)響應(yīng)分析[J].公路，2019，64（2）：39-44.

[2] 盧建，金生斌.高速公路改擴(kuò)建中既有中小跨徑橋梁處置方案[J].公路，2019，64（2）：142-146.

[3] 胡源. 高速公路二次事故成因及其預(yù)防對策研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2017.

[4] 陳濤， 吳靈生， 田東翔， 等. 高速公路波形梁護(hù)欄安全性評價[J]. 長安大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2017（6）：92-98.

[5] 范慕輝， 劉巧會， 孫兆巖，等. 高速公路中央分隔帶活動護(hù)欄碰撞仿真[J]. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報， 2016， 45（1）：27-30.

[6] 伊政. 高速公路波形梁護(hù)欄碰撞仿真研究及其優(yōu)化[D]. 長沙：湖南大學(xué)， 2014.

[7] 孔文， 張鐵柱， 趙紅，等. 基于HyperWorks和LS-DYNA的客車碰撞仿真分析[J]. 青島大學(xué)學(xué)報（工程技術(shù)版）， 2015， 30（4）：101-104.

[8] 李南云. 基于HYPERMESH和LS-DYNA的高速弓網(wǎng)動力學(xué)建模及仿真[D]. 長沙：中南大學(xué)， 2014.

[9] 韓海峰，皮振新，李新偉.新型梁柱式鋼護(hù)欄研發(fā)與防撞性能試驗研究[J].中外公路，2016，36（5）：323-326.

[10] 聶賢海， 李雷， 張建華. 基于仿真分析的SB級旋轉(zhuǎn)式護(hù)欄與A級波形梁護(hù)欄過渡段研究[J]. 公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版）， 2018， 14 （3）：47-50.

（收稿日期： 2019.09.17）

作者簡介：周磊生（1984-），男，萊蕪人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：從事公路工程項目管理工作。

于浩（1983-），男，聊城人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：交通運(yùn)輸管理。

李月祥（1987-），男，濱州人，中級工程師，研究方向：工程檢測及項目管理工作。

徐俊德（1981-），男，廣東三水人，工程碩士，路橋高工，研究方向：交通安全設(shè)施設(shè)計。

夏永生（1985-），男，塘沽人，本科，工程師，研究方向：交通空防技術(shù)研究。文章編號：1007-757X（2020）02-0109-05