基于碰撞仿真的新型裝配式護(hù)欄防護(hù)性能

宋旭明 潘鵬宇 榮亞威 唐冕

(中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075)

近年來，快速發(fā)展的交通運(yùn)輸系統(tǒng)也帶來了日益嚴(yán)重的交通安全問題，大量數(shù)據(jù)表明安裝護(hù)欄后由車輛失控引起的墜橋事故明顯減少。

護(hù)欄的功能主要是阻擋碰撞能量小于或者等于設(shè)計防護(hù)能量的車輛并導(dǎo)正其行駛方向?；炷羷傂宰o(hù)欄在與車輛碰撞中，變形小，而且可有效阻擋車輛駛出道路外，但是當(dāng)車輛與護(hù)欄的碰撞角度較大時，容易造成較大的碰撞力和加速度，對乘車人員和護(hù)欄本身帶來較大傷害；另一方面，目前護(hù)欄的設(shè)計與研發(fā)較少考慮橋梁護(hù)欄的特殊性，如護(hù)欄處橋面板通常為懸挑結(jié)構(gòu)，而道路護(hù)欄則安裝在堅實路基上，裝配式護(hù)欄和現(xiàn)場澆筑護(hù)欄在邊界條件上也有不同等等，這些差異會影響護(hù)欄受撞擊時的受力狀態(tài)，比如橋面板破壞而影響護(hù)欄的性能。因此，在橋梁護(hù)欄的計算過程中考慮橋面板的協(xié)同受力是有必要的。此外，研發(fā)新型護(hù)欄，在保證護(hù)欄阻擋效果的同時，適當(dāng)降底混凝土護(hù)欄剛度，提高護(hù)欄緩沖吸能效果有利于提升車乘人員的安全保障。

一直以來，國內(nèi)外眾多學(xué)者致力于不斷提升護(hù)欄的防撞性能。2001年Bank等[1]研究了一種利用新型復(fù)合材料變形以對車輛碰撞進(jìn)行吸能的新型護(hù)欄。2006年Borovinsk等[2]基于CAE仿真分析對波形梁護(hù)欄進(jìn)行了改造優(yōu)化，結(jié)果表明在立柱上增加一個鋼條可以提高碰撞過程中護(hù)欄對車輛的導(dǎo)向作用。2009年張鵬等[3]通過改造F型混凝土剛性護(hù)欄截面形式，將F型混凝土護(hù)欄橫截面中心挖空形成新型IF型混凝土護(hù)欄，并采用LS-DYNA數(shù)值模擬證明了新型護(hù)欄具有更加良好的防撞性能。2013年金秀娜[4]對A型護(hù)欄的多個參數(shù)展開研究，從護(hù)欄的損害性、吸能性以及導(dǎo)向性3個方面對其進(jìn)行了優(yōu)化，同時提出兩種防阻塊優(yōu)化結(jié)構(gòu)。2019年單成林等[5]提出鋼-聚氨酯夾層結(jié)構(gòu)，有限元分析結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具有良好的吸能緩沖效果和防撞性能。孫勝江等[6]提出連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料(BFRP)護(hù)欄，在LS-DYNA中進(jìn)行車輛撞擊護(hù)欄仿真分析，結(jié)果表明BFRP護(hù)欄比鋼制梁柱式護(hù)欄具備更好的吸能緩沖效果，防撞性能更佳。

目前關(guān)于裝配式護(hù)欄防撞性能研究較少，本文中提出了一種新型裝配式護(hù)欄設(shè)計方案。選取泡沫混凝土作為新型護(hù)欄緩沖塊材料，并在單坡型混凝土護(hù)欄迎撞面嵌入該緩沖塊實現(xiàn)護(hù)欄優(yōu)化，考慮橋面板協(xié)同受力，通過HyperWorks軟件與LS-DYNA建立并求解小型汽車和40 t大型貨車與新、舊兩種護(hù)欄的碰撞仿真模型，驗證新型裝配式護(hù)欄改造方案提高護(hù)欄防撞性能的可行性，為剛性護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計、緩沖塊材料選取提供新思路。

1 橋面板和護(hù)欄碰撞仿真理論介紹

1.1 橋面懸臂板計算方法

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2017)在橋梁護(hù)欄的設(shè)計計算中借鑒了美國規(guī)范，基于屈服線理論提出了汽車碰撞荷載下橋面懸臂板的設(shè)計方法[7]。屈服線理論是一種極限荷載的分析方法。屈服線指的是鋼筋混凝土板上的一條破壞裂縫，沿著這條裂縫的所有鋼筋均已屈服且發(fā)生塑性旋轉(zhuǎn)。該理論廣泛運(yùn)用于多類板構(gòu)件，可得到裂縫處構(gòu)件的承載能力。

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》規(guī)定，對于鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土護(hù)欄，碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段和端部的基于屈服線理論的分析方法如圖1所示。

圖1 屈服線理論的分析方法[1]Fig.1 Analysis method of yield line theory[1]

根據(jù)屈服線理論可推導(dǎo)碰撞發(fā)生于不同部位時護(hù)欄對橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rw。

(1)發(fā)生點為護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段：

(1)

屈服線發(fā)生的臨界長度Lc應(yīng)為:

(2)

(2)碰撞發(fā)生點為護(hù)欄端部或伸縮縫處：

(3)

式中:Ft為作用于混凝土護(hù)欄頂部的橫向荷載;H為護(hù)欄有效高度;Lc為屈服線破壞模式臨界長度;Lt為碰撞荷載分布縱向長度;Rw為護(hù)欄總的橫向承載力；Mw為護(hù)欄關(guān)于其豎向軸彎曲承載力矩；Mb為護(hù)欄頂部除Mw外的橫梁附加彎曲承載力矩；Mc為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎曲承載力矩。

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2017)補(bǔ)充規(guī)定支撐混凝土護(hù)欄的橋面板的設(shè)計主要需要考慮3個極限狀態(tài)[6]，分別是：

狀態(tài)Ⅰ：橋面懸臂板可提供抗彎抗載能力Ms，與式(4)規(guī)定的拉力T同時作用，應(yīng)超過護(hù)欄根部的Mc。軸向每延米的拉力T可表示為：

(4)

狀態(tài)Ⅱ：以橋面板的懸臂部分為基礎(chǔ)對承受豎向荷載的橋面懸臂板進(jìn)行設(shè)計。

狀態(tài)Ⅲ：根據(jù)現(xiàn)行《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》(JTG D60—2015)規(guī)定的作用于懸臂梁上的汽車荷載以可變荷載組合，按承載能力極限狀態(tài)驗算[8]。

目前我國規(guī)范基于汽車碰撞力作用下的橋面板設(shè)計步驟如下：

(1)根據(jù)已確定的護(hù)欄等級、尺寸與配筋計算獲得護(hù)欄總的橫向承載能力Rw，屈服線破壞模式的臨界長度Lc，護(hù)欄根部的抗彎承載力Mc；

(2)根據(jù)Rw與Lc，基于式(4)得到拉力T；

(3)進(jìn)行極限狀態(tài)Ⅰ下的橋面懸臂板設(shè)計，將拉力T與護(hù)欄根部的抗彎承載力M組合，取單位長度的橋面懸臂板進(jìn)行拉彎構(gòu)件的承載能力極限狀態(tài)設(shè)計；

(4)進(jìn)行極限狀態(tài)Ⅰ下配筋設(shè)計，以豎向碰撞力為偶然荷載，對橋面板進(jìn)行承載能力極限狀態(tài)碰撞設(shè)計。

1.2 非線性顯式有限元分析理論

車輛與護(hù)欄碰撞過程中，車輛與被撞結(jié)構(gòu)一般均發(fā)生了大變形。這一過程極為復(fù)雜，在有限元計算中通常由兩種方法描述，一種是Lagarange(拉格朗日)坐標(biāo)即質(zhì)點坐標(biāo)系描述，此方法以變形體的初始坐標(biāo)作為自變量；另一種是Eular(歐拉)即流動坐標(biāo)描述，此方法的自變量為參考構(gòu)型的瞬時坐標(biāo)。碰撞過程中常采用Lagerange法來描述物體運(yùn)動與變形，并建立運(yùn)動微分方程。根據(jù)體系的變形體應(yīng)變能、外力勢能與總動能建立能量泛函，結(jié)合能量泛函與駐值條件即可求得動力系統(tǒng)的定解條件與控制方程，即Hamilton能量變分原理[9]。

在LS-DYNA中建立有限元模型進(jìn)行非線性顯式動力學(xué)分析碰撞過程時，存在多種能量的相互轉(zhuǎn)換。本文在計算過程中不考慮阻尼能，整個過程滿足等式：總能量=動能+內(nèi)能+沙漏能+滑移界面能。由于影響 LS-DYNA所建立的有限元模型的因素很多，仿真計算模型可能并不滿足上述等式，即使?jié)M足上述等式，其中某些能量也可能不滿足條件，需要通過多次參數(shù)調(diào)試，以保證結(jié)果的可靠性。當(dāng)模型滿足碰撞過程中最大沙漏能不大于總能量的10%時，即可初步確定該模型的可靠性[10]。

2 新型裝配式護(hù)欄構(gòu)造特點

2.1 新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式

混凝土剛性護(hù)欄在保有較好的阻擋性能的同時在導(dǎo)向性能與緩沖性能方面相對半剛性護(hù)欄和柔性護(hù)欄有所欠缺，本文結(jié)合目前國內(nèi)外推廣運(yùn)用的剛性護(hù)欄提出了新型裝配式護(hù)欄。

新型護(hù)欄由橋面懸臂板、預(yù)制混凝土護(hù)欄節(jié)段和梯形緩沖塊組成。護(hù)欄節(jié)段內(nèi)留有灌漿預(yù)留孔道和灌漿預(yù)留槽口，橋面懸臂板有預(yù)埋鋼筋，護(hù)欄與懸臂板通過卡榫加以嵌固，外露鋼筋深入預(yù)留槽口后對槽口進(jìn)行灌漿即可實現(xiàn)護(hù)欄節(jié)段與橋面懸臂板的緊密連接。新型護(hù)欄無需經(jīng)過搭?，F(xiàn)澆等繁雜工序，施工方便快捷。

新型裝配式護(hù)欄采用摩擦型緩沖塊(泡沫混凝土)代替剛性混凝土部分截面，緩沖塊與護(hù)欄直接通過低摩擦材料連接，車輛撞擊護(hù)欄時，緩沖塊產(chǎn)生壓縮變形并與護(hù)欄混凝土塊之間發(fā)生摩擦滑移，耗散吸收碰撞能量，降低乘員在碰撞過程中的加速度以提升車乘安全性能，也可有效減小橋面懸臂板在車輛碰撞條件下承受的碰撞荷載，從而提高橋梁的安全性。

新型護(hù)欄尺寸參考現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》中HA級單坡型路側(cè)混凝土護(hù)欄(后文稱舊護(hù)欄)，為保證新型護(hù)欄導(dǎo)向性，迎撞面坡度采用HA級單坡型護(hù)欄形式，護(hù)欄背面混凝土材料加厚以彌補(bǔ)緩沖塊對護(hù)欄截面的削弱，橋面板與護(hù)欄之間采用螺栓以及預(yù)留錨固鋼筋的方式連接。圖2為原有單坡型護(hù)欄和新型裝配式護(hù)欄橫截面的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 護(hù)欄橫截面尺寸(單位：cm)Fig.2 Section dimension of guardrail(Unit:cm)

2.2 新型護(hù)欄配筋設(shè)計

新型護(hù)欄基于HA級單坡型護(hù)欄的截面進(jìn)行優(yōu)化，部分截面以緩沖塊代替，根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》進(jìn)行設(shè)計。

截面Ⅰ—Ⅰ為緩沖塊頂部對應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面Ⅱ—Ⅱ為緩沖塊底部對應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面Ⅲ—Ⅲ為護(hù)欄底部截面，這3個控制截面每延米配筋如表1所示，鋼筋為直徑16 mm或20 mm的HRB400鋼筋。

表1 新型護(hù)欄控制截面配筋1)Table 1 Reinforcement of new type guardrail control section

1)鋼筋數(shù)量(9/6)表示直徑16 mm鋼筋數(shù)量為9根，直徑20 mm 鋼筋數(shù)量為6根。

如圖3所示為新型護(hù)欄的構(gòu)造鋼筋與受力鋼筋橫截面布置圖。擬定新型裝配式護(hù)欄迎撞面每延米擬采用10根直徑20 mm的鋼筋，根部每延米布置5根直徑20 mm的鋼筋。

圖3 新型護(hù)欄橫截面配筋圖(單位：cm)Fig.3 Reinforcement of new guardrail section(Unit:cm)

3 碰撞仿真數(shù)值模型

3.1 汽車模型及驗證

為分析新型裝配式護(hù)欄防撞性能，選取小型客車和40 t大型貨車兩種車型作為碰撞仿真試驗車輛。相關(guān)車輛模型均符合《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05—01—2013)[11]車輛相關(guān)要求。汽車模型見圖4。

圖4 車輛仿真實驗有限元模型Fig.4 Finite element models of test vehicle

在碰撞仿真分析中，為保證分析中所采用車輛模型的可靠有效，在碰撞分析前對選取的車輛有限元模型進(jìn)行正碰試驗加以驗證。在距離車輛保險杠前20 cm處設(shè)置一道剛性墻，車輛以50 km/h的速度垂直撞擊該剛性墻。地面與被碰撞的剛性墻均采用LS-DYNA中提供的剛性墻(RIGID-WALL)來模擬。

圖5所示為兩種車型有限元正碰實驗圖，碰撞過程中車輛部件變形合理，未發(fā)生單元畸變與穿透，仿真實驗碰撞效果基本合理。經(jīng)過分析，對于小型客車和40 t大型貨車，碰撞模型沙漏能分別為系統(tǒng)初始總能量的2.07%、4.97%，小于規(guī)定值10%，故正碰試驗的結(jié)果可靠，可用于進(jìn)一步仿真分析。

圖5 車輛正碰實驗Fig.5 Frontal collision test

通過Hyperview后處理軟件生成車輛與護(hù)欄碰撞過程的能量曲線，經(jīng)過分析，車輛與護(hù)欄碰撞過程中的沙漏能均小于總能量的10%，仿真效果良好。圖6為小型客車碰撞新型護(hù)欄過程的能量變化曲線。

圖6 碰撞能量曲線Fig.6 Energy curves of collision

3.2 護(hù)欄材料

在顯式動力學(xué)仿真時采用了分離式模型，分離式模型雖收斂較慢，但可更精確的計算橋面懸臂板混凝土和鋼筋的受力情況。

相對子彈或者爆炸等高速沖擊而言，車輛碰撞屬于混凝土結(jié)構(gòu)低速沖擊分析問題，選用了MAT159(CSCM模型)模擬混凝土，該本構(gòu)模型考慮了混凝土材料的硬化、損傷及應(yīng)變率相關(guān)性，適合于研究車輛碰撞問題。

護(hù)欄-橋面懸臂板模型中的鋼筋采用MAT3進(jìn)行模擬，并采用軟件中的*CONSTRIAINED-LAG RANGE-IN-SOLID關(guān)鍵字連接兩種材料。

采用泡沫混凝土作為新型護(hù)欄緩沖塊材料，緩沖塊與護(hù)欄之間的摩擦系數(shù)取為0.1。泡沫混凝土的多孔結(jié)構(gòu)使其具備了較高的減震耗能性能，目前被廣泛應(yīng)用于各類結(jié)構(gòu)物的抗爆炸與耐沖擊的防護(hù)工程中[12-13]。泡沫混凝土采用LS-DYNA中提供的可壓扁泡沫材料本構(gòu)模型。該本構(gòu)模型與應(yīng)變率相關(guān)，單向壓扁時泊松比取值為零，彈性模量取為常數(shù)且應(yīng)力為彈性效應(yīng)。泡沫混凝土的力學(xué)參數(shù)見表2[14]。

表2 泡沫混凝土材料參數(shù)Table 2 Material parameters of foam concrete

3.3 護(hù)欄-橋面懸臂板模型控制要點

車輛和護(hù)欄的碰撞過程十分復(fù)雜,判斷車體各接觸面的接觸發(fā)生方向尤為困難。本文中選用自動接觸，能自動確定殼單元的接觸面方向。汽車自身采用自動單面接觸，汽車與護(hù)欄之間采用自動面-面接觸。

圖7為護(hù)欄橋面板動力學(xué)LS-DYNA有限元模型，護(hù)欄和橋面懸臂板之間共節(jié)點。采用SOLID164單元模擬護(hù)欄以及橋面懸臂板的混凝土，鋼筋采用BEAM161單元模擬，模型順橋向長度為40 m。試驗車輛與新型裝配式防撞護(hù)欄發(fā)生碰撞，懸臂板根部內(nèi)側(cè)地面采用剛性墻模擬，剛性墻的摩擦系數(shù)與懸臂板地面摩擦系數(shù)保持一致，懸臂板根部固結(jié)。小型客車與護(hù)欄碰撞模型如圖7所示。

圖7 車輛-護(hù)欄整體模型Fig.7 Vehicle-guardrail overall model

4 數(shù)值計算結(jié)果分析

為研究新型裝配式護(hù)欄的防撞性能，以HA級單坡型護(hù)欄為對比對象，進(jìn)行小型客車和40 t大型貨車碰撞護(hù)欄模擬實驗。

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》對于HA等級護(hù)欄的試驗碰撞條件，兩種車輛碰撞角度均為20°，小型客車碰撞速度為100 km/h，40 t大貨車為65 km/h。通過非線性顯式動力學(xué)有限元軟件LS-DYNA進(jìn)行碰撞數(shù)值分析，從護(hù)欄導(dǎo)向性、車輛乘員位置加速度、結(jié)構(gòu)碰撞力這3個方面來分析新型護(hù)欄的安全防護(hù)性能。

4.1 碰撞過程軌跡

4.1.1 小型客車運(yùn)行軌跡

通過圖8可知，小型客車在0.02 s時與新型護(hù)欄發(fā)生碰撞，在0.10 s車頭開始轉(zhuǎn)向且在0.20 s時車頭已完成轉(zhuǎn)向并駛離護(hù)欄，此時車尾處在和護(hù)欄平行的位置，最后在0.40 s時小客車整體完成轉(zhuǎn)向并駛離護(hù)欄，車尾在整個過程中變形不顯著，碰撞軌跡顯示車尾也并未與護(hù)欄有明顯接觸，說明小型客車在車頭轉(zhuǎn)向后車尾未與護(hù)欄發(fā)生較大撞擊。整個轉(zhuǎn)向脫離過程迅速，車輛沒有發(fā)生翻越護(hù)欄現(xiàn)象，護(hù)欄狀態(tài)良好。

圖8 小型客車碰撞軌跡Fig.8 Trajectory of the car collision

Hyperview給出小型客車與新舊兩種護(hù)欄碰撞的質(zhì)心高度變化曲線和車輛行駛角度曲線，如圖9、圖10所示。不難看出，小型客車與新型裝配式護(hù)欄的碰撞過程中，車輛與護(hù)欄在0.40 s內(nèi)完成碰撞與轉(zhuǎn)向，順利駛出護(hù)欄，駛出角為10°左右，與單坡型護(hù)欄碰撞的駛出角為5°左右，新型護(hù)欄對失控小型客車仍有較好的導(dǎo)向能力；與新型護(hù)欄的碰撞中，車輛質(zhì)心上升高度峰值較舊護(hù)欄略高，整體來看，新、舊護(hù)欄對小型客車的導(dǎo)向性能差別不大。

圖9 小型客車質(zhì)心高度曲線Fig.9 Curves of car centroid height

圖10 小型客車行駛角度曲線Fig.10 Curves of car driving angle

4.1.2 40 t大型貨車運(yùn)行軌跡

如圖11所示為不同時間節(jié)點40 t大型貨車與新型裝配式護(hù)欄的碰撞軌跡，可以看出，車輛在0.10 s時開始轉(zhuǎn)向，在0.80 s時車頭完成轉(zhuǎn)向并順利駛出護(hù)欄，在1.00 s時車輛尾部由于甩尾而導(dǎo)致護(hù)欄與車輛發(fā)生輕微二次碰撞，而后沿著幾乎平行于護(hù)欄的方向行駛，并且期間車輛無翻轉(zhuǎn)、騎越或沖出護(hù)欄的現(xiàn)象，整個過程中，新型裝配式護(hù)欄以及橋面板能承受40 t大型貨車的碰撞而未發(fā)生明顯破壞。從碰撞行駛軌跡可看出新型裝配式護(hù)欄可有效避免失控車輛沖出道路，具有良好的阻擋和導(dǎo)向功能。

圖11 大型貨車碰撞軌跡Fig.11 Trajectory of the truck collision

圖12、圖13分別給出40 t大型貨車與新舊兩種護(hù)欄碰撞的質(zhì)心高度變化曲線和車輛行駛角度曲線。易看出，40 t貨車與兩種護(hù)欄碰撞的駛出角度均為2°左右，兩種護(hù)欄發(fā)生碰撞后的車輛行駛角度隨時間變化規(guī)律近似，說明新型護(hù)欄在剛度降低后仍具備良好的導(dǎo)向性。

圖12 大型貨車質(zhì)心高度曲線Fig.12 Curves of truck centroid height

圖13 大型貨車行駛角度曲線Fig.13 Curves of truck driving angle

車輛與新型護(hù)欄的碰撞中質(zhì)心最大上升高度比HA級單坡型護(hù)欄大，但兩者的上升高度值均較小，為13～15 cm；在0.7～1.1 s，貨車與護(hù)欄發(fā)生二次碰撞，與HA級單坡型護(hù)欄碰撞時的質(zhì)心上升高度明顯大于新型護(hù)欄。另一方面，在40 t貨車與舊護(hù)欄碰撞的1.1 s后，車輛質(zhì)心高度仍有上升趨勢，說明新型護(hù)欄具有更好的導(dǎo)向性能。

4.2 乘車安全性

車輛碰撞過程中的加速度是直接評價駕駛員行駛安全性的一個重要指標(biāo)，若是護(hù)欄的吸能緩沖效果好，能使車輛碰撞時速度變化更慢，就能夠更好地保證車乘安全?！豆纷o(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定駕駛員位置處的縱向(順橋向)、橫向加速度均應(yīng)小于20g。

分別討論小型客車和40 t大型貨車與護(hù)欄碰撞的情況，提取車輛駕駛座位置處的加速度進(jìn)行分析。

4.2.1 小型客車加速度

圖14是小型客車與新、舊護(hù)欄發(fā)生碰撞后駕駛員位置處的橫向加速度和縱向加速度時程曲線。

圖14 小型客車碰撞過程加速度曲線Fig.14 Acceleration curves during car collision

汽車與舊護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的橫向加速度峰值為16.032g，新護(hù)欄則是10.66g，與新型護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的橫向加速度明顯減小，減小比率為33.5%，其吸能緩沖效果得到體現(xiàn)；汽車與舊護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的縱向加速度峰值為15.515g，新護(hù)欄則是16.136g，略大于舊護(hù)欄，但兩者差別不大；小型客車與新舊兩種護(hù)欄碰撞的縱橫向加速度都小于20g，符合規(guī)范要求。

4.2.2 40 t大型貨車加速度

圖15是40 t大型貨車與新、舊護(hù)欄發(fā)生碰撞后駕駛員位置處的橫向加速度和縱向加速度時程曲線。

圖15 大型貨車碰撞過程加速度曲線Fig.15 Acceleration curves during truck collision

從橫向加速度曲線可以看出，與新護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的加速度基本上全程小于舊護(hù)欄。汽車與舊護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的橫向加速度峰值為17.659g，新護(hù)欄則是6.917g，降低了60.8%；汽車與舊護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的縱向加速度峰值為6.011g，新護(hù)欄則是5.847g，略小于舊護(hù)欄；在1.1～1.2 s，大型貨車由于甩尾使得縱橫向加速度皆增大且出現(xiàn)峰值，對駕駛員的安全有較大影響，新型護(hù)欄可有效降低加速度峰值；40 t大型貨車與新舊兩種護(hù)欄碰撞的縱橫向加速度都小于20g，符合規(guī)范要求。新型護(hù)欄與大型貨車碰撞體現(xiàn)了較好的安全防護(hù)性能。

4.3 護(hù)欄與橋面板安全性

車輛撞擊護(hù)欄時碰撞力的大小影響護(hù)欄和橋面板安全，建立新舊兩種護(hù)欄與橋面板的動力耦合模型，求解后對比兩種車型產(chǎn)生的縱橫向碰撞力分量，可以對新型裝配式護(hù)欄的安全性進(jìn)行評價。

4.3.1 小型客車碰撞力

圖16分別給出了小型客車撞擊護(hù)欄時對護(hù)欄-橋面板系統(tǒng)產(chǎn)生的橫向和縱向碰撞力時程曲線。不難看出，撞擊新護(hù)欄產(chǎn)生的縱橫向碰撞力分量峰值均小于舊護(hù)欄，其中縱向碰撞力分量減小的更為明顯。新護(hù)欄工況下產(chǎn)生橫向碰撞力峰值為227.9 kN，縱向碰撞力峰值為80.0 kN，較舊護(hù)欄工況分別減小13.7%和49.2%。

圖16 小型客車碰撞過程碰撞力曲線Fig.16 Curves of impact force during car collision

4.3.2 40 t大型貨車碰撞力

圖17分別給出了40 t大型貨車撞擊護(hù)欄時對護(hù)欄-橋面板系統(tǒng)產(chǎn)生的縱橫向碰撞力分量時程曲線。

圖17 大型貨車碰撞過程碰撞力曲線Fig.17 Curves of impact force during truck collision

易知，撞擊新護(hù)欄產(chǎn)生的縱橫向碰撞力分量峰值均小于舊護(hù)欄，其中縱向碰撞力峰值在0.4～0.6 s時間段內(nèi)減小幅度很大。新護(hù)欄工況下產(chǎn)生的橫向碰撞力峰值為1 706.4 kN，縱向碰撞力分量為502.4 kN，較舊護(hù)欄工況分別減小17.5%和34.5%。

5 結(jié)論

經(jīng)過上述對碰撞仿真模擬結(jié)果的分析，得到以下結(jié)論：

(1)適當(dāng)降低單坡型混凝土護(hù)欄剛度，在護(hù)欄迎撞面嵌入部分泡沫混凝土材料來改善導(dǎo)向性和提高車乘安全性是可行的。

(2)分析車輛撞擊過程運(yùn)行軌跡，在相同的碰撞初速度和行駛角度下，新型裝配式防撞護(hù)欄受到小型客車碰撞時仍具有較好的導(dǎo)向性和阻擋功能，和舊護(hù)欄差別不大；在40 t大型貨車撞擊時，新型裝配式防撞護(hù)欄體現(xiàn)出更好的導(dǎo)向性。

(3)兩種車型碰撞新舊兩種護(hù)欄產(chǎn)生的縱向加速度差別不大；新型裝配式防撞護(hù)欄受到兩種實驗車輛撞擊時，車輛橫向加速度減小效果明顯，且新型護(hù)欄可有效降低大型車甩尾的影響，能夠更好的保護(hù)乘車人員的安全；與新型護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的加速度均小于規(guī)范容許值。

(4)無論是小型客車還是40 t大型貨車撞擊護(hù)欄，新型裝配式護(hù)欄均能在一定程度上減小碰撞力峰值，其中縱向碰撞力峰值減小效果更為明顯，達(dá)到緩和沖擊，吸收能量，降低對橋梁和結(jié)構(gòu)損害的目的。

(5)基于碰撞仿真數(shù)值計算的新型裝配式護(hù)欄設(shè)計方案可為實車碰撞實驗提供參考,并通過實車碰撞驗證其防撞效果。