基于轎車撞擊的跨線橋中墩波形護(hù)欄改進(jìn)方案分析

王智釩， 王銀輝,， 羅征， 朱奇挺

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院， 重慶 400074；2.浙江大學(xué) 寧波理工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院， 浙江 寧波 315100；3.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院， 浙江 寧波 315100)

隨著高速公路網(wǎng)線的不斷完善，高速公路線路相互交叉及與普通公路交叉的情況日益增多，為跨越較寬的既有高速公路，往往將跨線橋的中墩設(shè)置于下穿公路中央分隔帶內(nèi)，城市高架橋也一般將橋墩設(shè)置于地面道路的中央分隔帶內(nèi)。這種方式雖能節(jié)約用地和建造成本，但對公路運(yùn)營帶來一定安全隱患。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，車輛撞擊高速公路跨線橋中墩事故已成為高速公路發(fā)生頻率較高的交通事故類型之一，不僅造成嚴(yán)重人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，還嚴(yán)重影響高速公路交通和結(jié)構(gòu)安全。高速公路車輛越出路外撞擊跨線橋中墩事故與防撞護(hù)欄性能密切相關(guān)，在不斷提高汽車安全性能的基礎(chǔ)上，提升高速公路跨線橋中墩防護(hù)波形護(hù)欄的防撞性能十分重要。

1 問題的提出

大量研究表明，波形護(hù)欄防撞性能與其結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)參數(shù)密切相關(guān)。劉建勛等在原護(hù)欄的基礎(chǔ)上建立雙條波形防護(hù)欄，通過仿真分析驗(yàn)證，雙條護(hù)欄的防撞性能有很大提升。田東翔從立柱間距入手開展優(yōu)化研究，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)減小立柱間距可提高護(hù)欄的防撞性能，但間距太小會(huì)導(dǎo)致車體撞擊時(shí)加速度過大，威脅乘員生命安全。Borovin?ek M.提出立柱上增加鋼條、防阻塊上增加鋼條和兩波形梁板波峰處增加鋼纜3種波形梁護(hù)欄改造方案，CAE 仿真分析發(fā)現(xiàn)立柱上增加鋼條可對車輛起到良好的導(dǎo)向作用。閆書明等通過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)與有限元仿真，分析護(hù)欄梁板高度和結(jié)構(gòu)剛度對波形梁護(hù)欄防護(hù)性能的影響，發(fā)現(xiàn)同時(shí)提高防護(hù)梁高度和增加防護(hù)梁板對大客車和小客車撞擊都能有很好的防護(hù)作用。Faller R. K.等提出防護(hù)橫梁安裝高度對防護(hù)欄防撞性能的影響很大。但針對跨線橋中墩防護(hù)的研究成果還不多，規(guī)范關(guān)于跨線橋的防撞設(shè)施也未有明確規(guī)定。

當(dāng)前常用高速公路A級(jí)波形護(hù)欄在發(fā)生車輛碰撞時(shí)會(huì)通過產(chǎn)生較大變形耗能降低車輛速度，并撥轉(zhuǎn)車輛行進(jìn)方向。這種護(hù)欄形式簡單移植于跨線橋中墩處，由于護(hù)欄距離橋墩較近，可產(chǎn)生的橫向變形有限，會(huì)導(dǎo)致車輛撞擊中墩，威脅跨線橋結(jié)構(gòu)安全，同時(shí)無法達(dá)到對車輛和司乘人員的保護(hù)作用。因此，需對跨線橋中墩位置防撞護(hù)欄進(jìn)行特定需要的防撞性能提升研究，優(yōu)化出合理可行的防撞措施。

該文提出立柱加密波形梁護(hù)欄、雙層梁板波形梁護(hù)欄、立柱加密-雙層梁板波形護(hù)欄3種優(yōu)化方案，展開轎車撞擊下數(shù)值分析，對比分析不同優(yōu)化方案下護(hù)欄系統(tǒng)的最大橫向變形、車輛碰撞后加速度及車輛動(dòng)能曲線時(shí)程，提出適用于跨線橋中墩防護(hù)的較優(yōu)護(hù)欄改進(jìn)方案。

2 跨線橋中墩處護(hù)欄的防護(hù)目的

如前所述，由于跨線橋橋墩位于道路中央分隔帶內(nèi)，該區(qū)段防護(hù)欄必須從保護(hù)橋墩和保護(hù)車輛兩個(gè)角度予以考慮，其防護(hù)目的在于：

(1) 護(hù)欄允許變形小。JTG B01-2003《公路工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，針對不同設(shè)計(jì)速度，高速公路中央分隔帶寬度一般值為2～3 m。對于內(nèi)設(shè)置橋墩的中央分隔帶護(hù)欄，由于與橋墩之間空隙較小，波形梁板和立柱的變形幅度受到限制。因此，需限制護(hù)欄的最大橫向位移，以免車輛在動(dòng)能尚未較大消耗前撞擊橋墩。

(2) 護(hù)欄緩沖功能良好。由于護(hù)欄允許變形小，要求護(hù)欄系統(tǒng)總體上能在較小的橫向位移下消耗更多撞擊能量。但單純增大護(hù)欄系統(tǒng)剛度，會(huì)導(dǎo)致失控車輛碰撞護(hù)欄時(shí)產(chǎn)生過大加速度而威脅乘員生命安全。根據(jù)JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均應(yīng)小于200 m/s2。

(3) 護(hù)欄阻擋、導(dǎo)向功能良好。為防止失控車輛穿越、翻越、沖出護(hù)欄后撞擊中間帶內(nèi)橋墩，要求護(hù)欄具有良好的阻擋功能，能引導(dǎo)失控車輛在撞擊護(hù)欄后回到行車道內(nèi)，且不發(fā)生漂移、翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。根據(jù)JTG B05-01-2013，車輛駛出駛離點(diǎn)后的輪跡經(jīng)過圖1所示導(dǎo)向框時(shí)不得越出直線F。碰撞車型為小轎車時(shí)，導(dǎo)向駛出框的A、B參數(shù)分別見式(1)、式(2)。

圖1 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的車輛輪跡導(dǎo)向駛出框

A=2.2+Vw+0.16VL=4.6 m

(1)

B=10 m

(2)

式中：Vw為車輛總寬，取1.7 m；VL為車輛總長，取4.4 m。

(4) 護(hù)欄耗能大。當(dāng)失控車輛撞擊中央分隔帶內(nèi)橋墩時(shí)，要求中墩防護(hù)欄具有耗能大的特點(diǎn)，能最大程度吸收車輛的動(dòng)能，防止車輛剩余動(dòng)能過大，撞擊橋墩時(shí)對橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞。

3 優(yōu)化方案及仿真分析模型

3.1 3種波形梁護(hù)欄改進(jìn)優(yōu)化方案

針對內(nèi)設(shè)跨線橋中墩的中央分隔帶防護(hù)欄，為達(dá)到上述防護(hù)目的，以JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中A級(jí)波形護(hù)欄為基礎(chǔ)，提出3種改進(jìn)優(yōu)化方案(見圖2)開展數(shù)值模擬分析。

圖2 護(hù)欄改進(jìn)方案

方案一：立柱加密護(hù)欄。在護(hù)欄其他尺寸參數(shù)不變的情況下增大立柱密度，從立柱間距4 m加密為立柱間距2 m。

方案二：雙層梁板護(hù)欄。在護(hù)欄其他尺寸參數(shù)不變的情況下，在原有三波形梁板下增加一層兩波形梁板，從而加大波形梁板高度。

方案三：立柱加密-雙層梁板護(hù)欄。在護(hù)欄其他尺寸參數(shù)不變的情況下，增大立柱密度的同時(shí)，在原有三波形梁板下增加一條兩波形梁板，即上述兩方案的疊加。

3.2 仿真模型建立

根據(jù)JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對半剛性護(hù)欄實(shí)車碰撞條件的規(guī)定，設(shè)置初始碰撞條件如下：碰撞車輛選取1.5 t小轎車，車輛初始速度100 km/h，碰撞角度(車輛行駛方向與護(hù)欄的夾角)為20°。根據(jù)文獻(xiàn)[10]，護(hù)欄跨數(shù)達(dá)到7跨(每跨4 m)時(shí)，護(hù)欄系統(tǒng)有足夠精度來模擬不間斷連續(xù)護(hù)欄系統(tǒng)。建立9跨護(hù)欄模型，每跨4 m，全長36 m；同時(shí)建立18跨立柱加密護(hù)欄模型，每跨2 m，全長36 m。三波形梁護(hù)欄參照A級(jí)帶防阻塊護(hù)欄建模，梁板尺寸為506 mm×85 mm，壁厚3 mm；兩波形梁板尺寸為310 mm×85 mm，壁厚3 mm；圓管立柱外徑140 mm，壁厚4.5 mm，立柱地上高度950 mm，地下埋深1 400 mm；防阻塊尺寸為196 mm×178 mm×400 mm，壁厚4.5 mm。

采用聯(lián)合建模求解技術(shù)，利用UG繪制波形梁護(hù)欄幾何模型，導(dǎo)入Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格劃分和材料屬性定義，然后交由LS-DYNA進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果采用Hyperview進(jìn)行處理。波形梁板、防阻塊和立柱均選用彈塑性材料*MAT _PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY(24號(hào))，材料密度7.85ⅹ103kg/m3，彈性模量206 GPa,屈服應(yīng)力235 MPa，泊松比0.3。護(hù)欄各部件屬性均選用*SECTION_SHELL殼單元，有限元求解積分采用Belytschko-Tsay殼單元算法，面內(nèi)單點(diǎn)積分，剪切因素取5/6。

3.3 仿真模型簡化

車輛撞擊波形梁護(hù)欄是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，通過有限元仿真實(shí)現(xiàn)完全精確模擬受到很多因素和條件的限制。因此，在盡可能反映碰撞特性和達(dá)到精度要求的前提下作適當(dāng)簡化。

鑒于波形梁板在防阻塊位置處通過高強(qiáng)螺栓拼接，且實(shí)際碰撞變形中一般不會(huì)出現(xiàn)連接螺栓斷裂的情況，波形梁板采用一體式建模，并對320 mm長連接段作加厚處理，以模擬實(shí)際連接段梁板重疊引起的梁板加厚。為避免建立螺栓復(fù)雜實(shí)體單元導(dǎo)致計(jì)算時(shí)長大幅增加，在波形梁板預(yù)留螺栓孔位置建立rigid剛性連接，并在2個(gè)螺栓孔之間建立Beam單元，按高強(qiáng)螺栓賦予材料屬性。

立柱與土基的相互作用較復(fù)雜，根據(jù)文獻(xiàn)[12]，碰撞過程中立柱的最大彎矩發(fā)生在地表以下約400 mm處，且彎曲位置與柱徑、埋深無關(guān)。因此，建模時(shí)在地表以下約400 mm處給立柱施加全約束，以簡化立柱與土基的相互作用。

4 轎車撞擊護(hù)欄數(shù)值模擬結(jié)果分析

通過建立1.5 t小轎車以初始速度100 km/h、角度20°撞擊標(biāo)準(zhǔn)A級(jí)護(hù)欄及上述3種優(yōu)化方案的護(hù)欄數(shù)值模型，開展撞擊模擬分析，從護(hù)欄橫向變形、車輛碰撞后最大加速度、護(hù)欄阻擋、導(dǎo)向功能及能耗等方面進(jìn)行對比分析。

4.1 護(hù)欄變形對比分析

小轎車撞擊護(hù)欄主要分為5個(gè)階段(見圖3)，以小轎車撞擊標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄為例，分別為車頭角位撞擊護(hù)欄(0～0.10 s)、一側(cè)車身擦過護(hù)欄(0.10～0.16 s)、車尾撞擊護(hù)欄(0.16～0.21 s)、車頭遠(yuǎn)離護(hù)欄(0.21～0.33 s)、車輛駛回行車道(0.33～0.4 s)。

數(shù)值模型以車輛初速度方向?yàn)閤軸，垂直于車輛初速度方向并朝向道路側(cè)為y軸，通過提取護(hù)欄在x和y軸方向的位移，按s=xsin20°-ycos20°計(jì)算，得到護(hù)欄垂直于行車道路方向的橫向位移s。各種防護(hù)欄在轎車撞擊下立柱頂部最大橫向位移節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線對比見圖4。

圖3 小轎車撞擊標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄的全過程

圖4 各方案立柱最大橫向位移時(shí)程曲線對比

受立柱加密的影響，各方案靠近撞擊點(diǎn)第2、3根立柱頂部處的最大橫向位移發(fā)生點(diǎn)距離撞擊點(diǎn)的縱向距離(見表1)不同。立柱和欄板上最大橫向位移見表2。

表1 立柱頂部最大位移點(diǎn)距撞擊點(diǎn)的縱向距離 m

表2 護(hù)欄最大位移 mm

由圖4和表1、表2可知：1) 在小轎車撞擊下，與標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄相比，增設(shè)梁板護(hù)欄后立柱最大位移減小10%，梁板最大位移減小20%；立柱加密后立柱和梁板最大位移均減少25%；同時(shí)采用立柱加密和增設(shè)梁板，立柱和梁板的最大位移減少45%。從護(hù)欄的最大橫向位移來看，加密立柱和增設(shè)欄板均有較佳的效果。2) 在小轎車撞擊下，護(hù)欄立柱較大橫向位移一般出現(xiàn)于第1、2根立柱，第3根立柱橫向位移相對較小，故轎車撞擊下護(hù)欄變形較大區(qū)域基本為第1～3根立柱之間，即對于立柱未加密護(hù)欄，影響較大區(qū)域?yàn)橹磷矒酎c(diǎn)0～9 m區(qū)域，而立柱加密護(hù)欄基本在0～5 m區(qū)域。3) 標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄被撞擊后，由于車頭撞擊，第1根立柱率先出現(xiàn)較大位移(0.1 s時(shí))，待車尾撞擊時(shí)(0.2 s前后)第2根立柱也出現(xiàn)較大位移，且第1根立柱同時(shí)出現(xiàn)二次峰值，故標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄變形從車頭撞擊到車尾撞擊持續(xù)增大。4) 增設(shè)護(hù)欄梁板對于第1根立柱橫向位移的影響不大，僅第二次峰值略有提前(提前到0.18 s左右)。但第2根立柱的橫向位移大幅度減小，最大值出現(xiàn)于0.13 s左右，其原因在于車尾的二次撞擊沒有導(dǎo)致第2根立柱變形增大?？梢?，增設(shè)護(hù)欄梁板可使車輛撞擊后能量更快消耗。5) 加密立柱可同時(shí)減小第1、2根立柱的橫向位移，撞擊后第1根立柱最大位移出現(xiàn)時(shí)間提前，位移大幅減小，其原因在于立柱加密后護(hù)欄整體剛度得到大幅提高。6) 同時(shí)采取立柱加密和增設(shè)梁板措施后，護(hù)欄變形大幅減小，護(hù)欄變形區(qū)域也大幅縮小，基本不出現(xiàn)二次峰值，即護(hù)欄變形主要由車頭撞擊引起，車尾撞擊不再導(dǎo)致護(hù)欄變形增大。

4.2 最大加速度對比分析

分別提取車輛上乘員位置附近的最大加速度在x、y方向的分量，通過換算得到沿行車道縱、橫向的最大加速度，結(jié)果見表3。

表3 車輛最大加速度 m/s2

由表3可知：立柱加密護(hù)欄的縱向最大加速度為311 m/s2，大于規(guī)范限值200 m/s2。可見，立柱加密提高了護(hù)欄系統(tǒng)的整體剛度，在車輛撞擊護(hù)欄時(shí)使車輛產(chǎn)生較大的加速度，會(huì)威脅乘員的安全，故單純依靠增加立柱密度來提高護(hù)欄防護(hù)性能不合理。而增設(shè)護(hù)欄梁板是有效的改進(jìn)措施，乘員縱、橫向最大加速度均減小，可起到非常好的緩沖效果。

4.3 護(hù)欄阻擋功能評(píng)價(jià)

圖5為標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄和雙層梁板護(hù)欄在撞擊后的位移云圖。

圖5 標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄和雙層梁板護(hù)欄在撞擊后的位移云圖

由圖5可知：標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄梁板的最大位移發(fā)生在波形梁板下緣，雙層梁板護(hù)欄梁板的最大位移發(fā)生在下層兩波形梁板上。小轎車碰撞標(biāo)準(zhǔn)三波形梁護(hù)欄時(shí)，僅有波形梁板下緣兩波與小轎車車頭上半部分發(fā)生碰撞，說明標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄對于小轎車碰撞發(fā)揮的防護(hù)能力有限，僅有一半梁板參與發(fā)揮阻擋功能。原梁板下方增設(shè)一層梁板，一方面護(hù)欄抗側(cè)彎剛度增大，減小了護(hù)欄變形；另一方面梁板與車頭接觸面增大，使車頭撞擊梁板區(qū)域擴(kuò)大，梁板與車頭和車身接觸摩擦面積增大，從而增大撞擊后的能量損耗。

在小轎車分別與3種改進(jìn)護(hù)欄碰撞過程中，均未出現(xiàn)車輛翻越、騎跨、下鉆等護(hù)欄防護(hù)失效的現(xiàn)象，護(hù)欄及其脫離構(gòu)件也沒有侵入車輛乘員艙對乘員安全造成威脅，說明3種改進(jìn)護(hù)欄的阻擋功能滿足規(guī)范要求。

4.4 護(hù)欄導(dǎo)向功能評(píng)價(jià)

以小轎車碰撞立柱加密-雙層梁板護(hù)欄為例，如圖6所示，車輛撞擊護(hù)欄后，以車輛輪跡與護(hù)欄碰撞前迎撞面最內(nèi)邊緣的地面投影線的交點(diǎn)即駛離點(diǎn)為基點(diǎn)作一個(gè)長為10 m、寬為4.6 m的長方形，即為導(dǎo)向駛出框。

圖6 立柱加密-雙層梁板護(hù)欄的車輛導(dǎo)向駛出框

數(shù)值模擬結(jié)果顯示：小轎車分別與3種改進(jìn)護(hù)欄碰撞后駛出駛離點(diǎn)，輪跡經(jīng)過導(dǎo)向駛出框，且均沒有越出直線F，說明3種改進(jìn)護(hù)欄的導(dǎo)向功能滿足規(guī)范要求。

4.5 護(hù)欄耗能對比分析

在對3種改進(jìn)優(yōu)化護(hù)欄進(jìn)行車輛碰撞數(shù)值模擬分析中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄與立柱加密護(hù)欄會(huì)出現(xiàn)不同程度的立柱阻絆車輪的現(xiàn)象(見圖7)。

圖7 立柱阻絆車輪示意圖

由于立柱加密后護(hù)欄整體剛度有所提高，在車輛碰撞過程中立柱變形減小，立柱彎折角度小，使波形梁板下緣至地面的這段立柱幾乎全部參與阻絆車輪。而標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄，因?yàn)榱⒅谲囕v碰撞過程中變形較大，立柱彎折角度大，只有靠近地面部分的立柱對車輪產(chǎn)生阻絆作用。盡管立柱對車輪的阻絆作用能明顯降低車輛動(dòng)能，如圖8所示，標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄、立柱加密護(hù)欄的動(dòng)能曲線分別在0.2和0.13 s時(shí)發(fā)生陡降，但會(huì)使車輛失控出現(xiàn)漂移、翻車等現(xiàn)象，對乘員造成二次傷害。

圖8 各類護(hù)欄的動(dòng)能曲線

由圖8可知：雙層梁板護(hù)欄與立柱加密-雙層梁板對車輛動(dòng)能的消耗能力較接近，前者的耗能能力略大于后者。立柱加密后護(hù)欄系統(tǒng)剛度增加，在車輛撞擊護(hù)欄過程中護(hù)欄體系變形耗能略有下降，但降幅很小，說明在雙層梁板護(hù)欄的基礎(chǔ)上加密立柱并不能提高護(hù)欄系統(tǒng)的耗能能力。

5 結(jié)論與展望

針對現(xiàn)有跨線橋中墩防撞設(shè)施即高速公路常見A級(jí)波形護(hù)欄，提出3種改進(jìn)加固方案，通過有限元數(shù)值模擬開展小轎車對護(hù)欄的碰撞分析，得到以下結(jié)論：1) 立柱加密后護(hù)欄剛度大幅提高，對車輛的抗撞擊能力大幅提高，護(hù)欄變形明顯減小。但在增加護(hù)欄系統(tǒng)耗能的同時(shí)，會(huì)加劇立柱對車輪的阻絆作用，撞擊時(shí)乘員產(chǎn)生較大的加速度，增大對乘員的傷害。2) 增設(shè)護(hù)欄梁板既可提高護(hù)欄剛度、減小護(hù)欄變形，也可通過增大梁板與車頭撞擊和車身摩擦的接觸面提高撞擊過程中能量的持續(xù)損耗量，是較有效的改進(jìn)措施。3) 將立柱加密和增設(shè)梁板相結(jié)合，可進(jìn)一步增加護(hù)欄剛度，減小撞擊后護(hù)欄變形，防止車輛撞擊后碰撞到護(hù)欄后的橋墩，而且增設(shè)梁板可避免加密立柱對車輛的阻絆作用，防止車輛出現(xiàn)突然性的能量損耗。

綜上，立柱加密-雙層梁板護(hù)欄在滿足護(hù)欄阻擋、緩沖、導(dǎo)向功能的前提下，不僅能避免立柱阻絆車輪現(xiàn)象的出現(xiàn)，顯著減少護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形，且具有較好的耗能能力。從小轎車撞擊的角度，立柱加密-雙層梁板護(hù)欄是對跨線橋中墩防護(hù)的較優(yōu)改進(jìn)方案。

根據(jù)公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，護(hù)欄試驗(yàn)碰撞需考慮小轎車和大貨車兩方面，該文僅考慮了前者，后續(xù)將進(jìn)一步開展貨車或客車的碰撞分析，以全面完善跨線橋中墩防護(hù)波形梁護(hù)欄改進(jìn)優(yōu)化方案。