波形梁護(hù)欄加高改造設(shè)計(jì)研究

郭忠印，方國靖

(同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 201804)

1 概述

根據(jù)WHO的統(tǒng)計(jì)，道路交通事故已成為全球十大死因[1]，而我國每年約有1/3的交通死亡事故發(fā)生在車輛側(cè)碰的情況下，并呈現(xiàn)逐年上升的趨勢(shì)[2]。近年來，由于高速公路罩面等養(yǎng)護(hù)工作造成路側(cè)波形梁護(hù)欄的防護(hù)高度降低，給高速公路的行車安全帶來極大的安全隱患。因此，研究防護(hù)高度與護(hù)欄安全性能的關(guān)系，提出合適的加高改造方案具有重要的意義。

目前國內(nèi)針對(duì)防護(hù)高度與護(hù)欄安全性能關(guān)系的研究，主要采用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行粗略的評(píng)價(jià)。崔洪軍采用大客車與不同高度的護(hù)欄進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)，以舊版標(biāo)準(zhǔn)[3]評(píng)價(jià)細(xì)則檢驗(yàn)護(hù)欄的安全性能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)護(hù)欄防撞性能不能滿足規(guī)范要求的臨界高度值[4]。張宏松[5]分別采用小型客車和中型客車分別對(duì)不同高度的A級(jí)波形梁護(hù)欄進(jìn)行仿真試驗(yàn)，同樣以舊版標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)細(xì)則檢驗(yàn)護(hù)欄的安全性能，得到了護(hù)欄高度的安全范圍。潘兵宏[6]以能量守恒為基礎(chǔ)，建立了車輛與護(hù)欄碰撞的數(shù)學(xué)模型，并以車輛側(cè)翻為極限狀態(tài)，得到了高速公路中間帶護(hù)欄的推薦安裝高度。

以上研究結(jié)果表明，防護(hù)高度會(huì)嚴(yán)重影響護(hù)欄的安全性能。防護(hù)高度過低會(huì)造成大中型車輛翻越護(hù)欄，防護(hù)高度過高可能會(huì)造成小客車下鉆護(hù)欄。因此，合適的防護(hù)高度能夠有效降低碰撞事故的危害。

本文運(yùn)用Hypermsh和LS-DYNA聯(lián)合仿真方法，研究了不同高度護(hù)欄的安全性能，提出合適的加高改造方案?；谙嗨菩栽碓O(shè)計(jì)了改造立柱的縮尺模型試驗(yàn)，并通過碰撞仿真分析方法檢驗(yàn)了改造護(hù)欄的安全性能。

2 不同高度護(hù)欄的安全性能

2.1 試驗(yàn)方案的確定

根據(jù)瀝青路面養(yǎng)護(hù)規(guī)范的要求[7]，高速公路宜采用40～50 mm的罩面高度。所以以標(biāo)準(zhǔn)高度的波形梁護(hù)欄為對(duì)照，采用高度降低50、100、150、200 mm的護(hù)欄作為試驗(yàn)對(duì)象，試驗(yàn)方案如表 1所示。

表1 不同高度護(hù)欄試驗(yàn)方案Table1 Thetestschemeofdifferentheightguardrails試驗(yàn)編號(hào)防護(hù)高度降低量/mm屬性A10對(duì)照組A250試驗(yàn)組A3100試驗(yàn)組A4150試驗(yàn)組A5200試驗(yàn)組

2.2 碰撞初始條件

根據(jù)規(guī)范[8,9]關(guān)于A級(jí)波形梁護(hù)欄碰撞初始條件的規(guī)定，分別以皮卡車和中型貨車進(jìn)行仿真試驗(yàn)，初始條件如表2所示。

表2 碰撞初始條件Table2 Initialconditionsofcollision車型編號(hào)質(zhì)量/t初始速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)皮卡車X1.510020貨車Y106020

2.3 車輛與護(hù)欄碰撞仿真模型

2.3.1車輛有限元模型

車輛采用經(jīng)驗(yàn)證的有限元模型，對(duì)碰撞接觸位置加密網(wǎng)格，并通過車輛正碰試驗(yàn)的能量變化驗(yàn)證了車輛模型的有效性(見圖1、圖2)。

圖1 車輛正碰試驗(yàn)的能量變化

圖2 車輛的有限元模型

2.3.2護(hù)欄有限元模型

護(hù)欄按照標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行建模，A級(jí)波形梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表 3所示。

表3 A級(jí)波形梁護(hù)欄參數(shù)Table3 TheparametersofA-classW-beamguardrailmm波形梁板防阻塊立柱310×85×4196×178×200×4.5?140×4.5

運(yùn)用SolidWorks建立護(hù)欄的CAD模型，導(dǎo)入HyperMesh中進(jìn)行幾何清理、單元?jiǎng)澐?、材料設(shè)置等操作，從而建立護(hù)欄的有限元模型。材料參數(shù)如表 4所示。

表4 護(hù)欄的材料參數(shù)Table4 Thematerialparametersofguardrail名稱數(shù)值密度RHO/(t·mm-3)7.865E-09彈性模量E/MPa2.10E+05泊松比NU0.30屈服應(yīng)力SIGY/MPa310剪切模量ETAN/MPa1000C/(1·s-1)40.4P5

2.3.3碰撞系統(tǒng)接觸設(shè)置

輪胎與地面(rigidwall)的摩擦系數(shù)設(shè)置為0.7。護(hù)欄和車體均設(shè)置自接觸，自接觸的靜態(tài)摩擦系數(shù)和動(dòng)態(tài)摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.2。護(hù)欄和車體之間設(shè)置面對(duì)面自動(dòng)接觸，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.15[11]。汽車與護(hù)欄的碰撞耦合系統(tǒng)如圖 3所示。

圖3 汽車與護(hù)欄的碰撞耦合系統(tǒng)

2.4 仿真結(jié)果分析

2.4.1皮卡車與護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果

a.碰撞過程。

防護(hù)高度降低使得車輛與護(hù)欄碰撞接觸的位置從保險(xiǎn)杠轉(zhuǎn)移至輪胎，車輛重心高于護(hù)欄防護(hù)高度。隨著防護(hù)高度的降低，車輛發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)增大，100 mm是車輛不發(fā)生側(cè)翻的臨界值。車輛與標(biāo)準(zhǔn)高度護(hù)欄的碰撞過程如圖4所示。

(a)T=0.003 s

b.車輛重心的加速度。

防護(hù)高度降低會(huì)造成車輛與護(hù)欄的接觸面積減少，摩擦力降低導(dǎo)致車輛在縱向的加速度減小。護(hù)欄對(duì)車輛作用力點(diǎn)下移，不會(huì)影響其對(duì)車輛在橫向的支撐作用，所以車輛在橫向的加速度沒有產(chǎn)生明顯的變化。

(a)縱向加速度

c.車輛的速度變化。

碰撞結(jié)束后，車輛的速度過快將加大二次事故的風(fēng)險(xiǎn)。從對(duì)車輛縱向加速度的分析可知，隨著防護(hù)高度的降低，縱向加速度降低，則車輛的速度衰減變慢。當(dāng)車輛駛出護(hù)欄時(shí)，防護(hù)高度越低，車輛速度越大。4組試驗(yàn)的車輛速度分別提高了3.46%、7.62%、10.63%和10.31%。如圖6所示。

圖6 車輛的速度變化

2.4.2貨車與護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果

a.碰撞過程。

貨車與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞后，由于車廂的重心較高，在慣性力和橫向支撐力的綜合作用下，車輛以右后輪為支點(diǎn)發(fā)生外傾。當(dāng)防護(hù)高度過低，造成貨車的外傾角度過大，車輛就會(huì)發(fā)生側(cè)翻。貨車與標(biāo)準(zhǔn)高度護(hù)欄的碰撞過程如圖 7所示。

b.護(hù)欄的變形情況。

貨車與護(hù)欄的碰撞過程中出現(xiàn)2個(gè)波峰，分別是駛?cè)霑r(shí)車頭撞擊和駛出時(shí)車尾撞擊造成的。隨著防護(hù)高度的降低，護(hù)欄的橫向變形最大位移越小，這是因?yàn)檐囕v對(duì)護(hù)欄基礎(chǔ)的作用力距減小。如圖8所示。

(a)T=0.005 s

圖8 護(hù)欄橫向最大動(dòng)態(tài)變形量

c.車輛的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。

貨車擁有較長(zhǎng)的車身和較高的重心，這就造成車輛碰撞護(hù)欄時(shí)容易發(fā)生側(cè)翻事故，采用車輛外傾角度和輪胎抬高量可以預(yù)測(cè)車輛發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。如圖9所示。

圖9 貨車輪胎抬高量與外傾角度的變化

通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，隨著防護(hù)高度的降低，貨車的最大外傾角度增大，試驗(yàn)組的最大外傾角度分別增大7.3%和49.3%，因此護(hù)欄高度降低增大了車輛發(fā)生側(cè)翻的風(fēng)險(xiǎn)。最大外傾角度越大，車輛恢復(fù)直立狀態(tài)的時(shí)間就越長(zhǎng)。因此，防護(hù)高度降低50 mm的護(hù)欄對(duì)貨車發(fā)生側(cè)翻風(fēng)險(xiǎn)的影響比較小，而防護(hù)高度降低100 mm的護(hù)欄大大增加了貨車發(fā)生事故的風(fēng)險(xiǎn)。

2.4.3護(hù)欄的安全性能評(píng)價(jià)結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求，以阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能來評(píng)價(jià)護(hù)欄是否滿足A級(jí)防護(hù)等級(jí)的要求。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，車輛與防護(hù)高度降低150 mm和200 mm的護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)發(fā)生側(cè)翻，不滿足標(biāo)準(zhǔn)對(duì)導(dǎo)向功能的要求。

3 護(hù)欄的加高設(shè)計(jì)

3.1 加高改造方案

波形梁護(hù)欄高度不足的表現(xiàn)形式為波形梁板中心與路面的距離減小，可以通過加高立柱的方式提升護(hù)欄的防撞高度，達(dá)到改造護(hù)欄的目的。加高設(shè)計(jì)的方法為內(nèi)套管節(jié)點(diǎn)加高法：在立柱原孔位用螺栓將內(nèi)套管(φ130×6 mm)固定起到加高立柱的效果，再將外套管(φ140×4.5 mm)焊接在內(nèi)套管上，使得立柱整體美觀。加高護(hù)欄如圖10所示。

圖10 護(hù)欄加高改造方案

3.2 縮尺模型試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)改造立柱的力學(xué)強(qiáng)度，基于相似性原理設(shè)計(jì)縮尺模型試驗(yàn)。通過重力加速的擺錘正面碰撞立柱，分析立柱的力學(xué)強(qiáng)度。

3.2.1相似倍數(shù)

雷正保[12]運(yùn)用量綱分析法導(dǎo)出了彈塑性大變形結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)相似準(zhǔn)則。本文縮尺試驗(yàn)的幾何相似倍數(shù)確定為1/3，則有：CL(0)=1/3，Ct=1/3，CF(T)=1/9，Cv(t)=1，Cm(t)=1/27。見圖11。

圖11 縮尺模型試驗(yàn)

3.2.2試驗(yàn)方案

根據(jù)仿真分析的結(jié)果，在立柱底部固支的情況下，質(zhì)量為540 kg的擺錘以6 m/s的速度碰撞立柱，可造成立柱根部的破壞，立柱發(fā)生較大的橫向偏移。根據(jù)相似倍數(shù)，強(qiáng)度測(cè)試的試驗(yàn)條件為：擺錘質(zhì)量為20 kg，碰撞速度為6 m/s，碰撞位置中心距離地面高度為200 mm。試驗(yàn)方案如表5所示。

表5 試驗(yàn)方案Table5 Thetestscheme擺錘質(zhì)量/kg加高改造長(zhǎng)度/mm033(100)45(135)200(67)5C1aC2aC3aC4a10C1bC2bC3bC4b20C1cC2cC3cC4c

3.2.3試驗(yàn)結(jié)果分析

a.能量變化。

擺錘通過重力加速的方式獲取速度，容易受到摩擦作用的影響，從而引起碰撞速度的變化，使得不同試驗(yàn)的初始碰撞能量存在差異。因此，通過采集碰撞前一幀的位移計(jì)算擺錘的速度，進(jìn)而獲得擺錘的碰撞能量。通過對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相同質(zhì)量擺錘對(duì)立柱的初始碰撞能量的變化范圍在10%以內(nèi)，因此可以認(rèn)為試驗(yàn)的初始碰撞條件相同，見表6。

表6 擺錘的碰撞能量(J)Table6 Thecollisionenergyofpendulum(J)擺錘質(zhì)量/kg加高改造長(zhǎng)度/mm0334567變化范圍/%51221201271255.8102472662632597.7205295184884888.4

對(duì)于同一種類型的立柱，隨著碰撞能量的增大，立柱的能量吸收率逐漸下降。隨著碰撞能量的增大，加高立柱能量吸收率逐漸高于標(biāo)準(zhǔn)立柱。因此可以推論，對(duì)于汽車碰撞護(hù)欄的大變形問題，加高改造立柱的能量吸收率高于標(biāo)準(zhǔn)立柱。見圖12。

圖12 立柱的能量吸收率

b.擺錘的加速度。

擺錘與立柱接觸后，在立柱的反作用力下加速度急劇增大，使得擺錘減速。在5 kg的碰撞條件下，4種立柱的加速度趨勢(shì)大致相同，最大加速度的差距為12.6%；在10 kg的碰撞條件下，擺錘的最大加速度存在較大的差距；在20 kg的碰撞條件下，4種立柱加速度的變化趨勢(shì)差別明顯，最大加速度的差距超過1倍，加高立柱的加速度均小于標(biāo)準(zhǔn)立柱。因此，隨著碰撞能量的增大，立柱的加速度變化幅度增大，加高立柱的最大加速度逐漸小于標(biāo)準(zhǔn)立柱。據(jù)此可以推論，加高立柱的緩沖能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)立柱。見圖13。

(a)5 kg

3.3 改造護(hù)欄的安全性能

為了檢驗(yàn)改造方案的安全性能，分別對(duì)加高100、135、200 mm的波形梁護(hù)欄進(jìn)行碰撞仿真試驗(yàn)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的要求對(duì)加高改造護(hù)欄的安全性能進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，3組試驗(yàn)護(hù)欄均能滿足A級(jí)防護(hù)水平的要求。

3 結(jié)語

a.護(hù)欄防護(hù)高度降低100 mm是車輛發(fā)生側(cè)翻的臨界狀態(tài)。防護(hù)高度降低100 mm以上的波形梁護(hù)欄將嚴(yán)重影響高速公路的行車安全。

b.加高改造立柱的能量吸收率和緩沖能力優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)立柱，加高改造護(hù)欄滿足A級(jí)波形梁護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)，該結(jié)論對(duì)提高路側(cè)安全具有一定指導(dǎo)意義。