不同車型下HA級防撞混凝土護欄碰撞仿真分析

袁旭陽

(青海省交通規(guī)劃設計研究院有限公司， 青海 西寧 810000)

在山區(qū)高架樞紐互通設計中，由于受地形限制，其轉彎半徑往往較小，運行速度較大的車輛在該類路段行駛時容易以大角度碰撞橋梁護欄，車輛很容易發(fā)生側翻墜落事故。

閆書明等針對危險路段提出了具備630 kJ防撞能力的橋梁護欄，但隨著高速公路上超載超限的大型車輛越來越多，在某些特殊危險路段630 kJ防撞能力的橋梁護欄可能不再安全。該文以某滿足760 kJ碰撞能量要求的HA級防撞橋梁護欄為研究對象，采用LS-DYNA平臺模擬分析不同車型碰撞過程，研究成果可為山區(qū)復雜高架樞紐互通護欄設計提供參考。

1 HA級鋼筋混凝土護欄結構設計參數(shù)

實踐應用表明:F形坡面護欄較單坡面具有更好的導向性和緩沖性能，因此試驗護欄選擇F形坡面的機構形式，且在護欄的頂部設置阻爬砍可有效防止車輛側翻的功能。合理的高度設計可有效增加混凝土護欄在公路上的安全儲備。綜合設計規(guī)范對護欄高度的要求，取護欄高度為1.3 m，混凝土強度為C40。確定HA級橋梁混凝土護欄結構墻體外輪廓尺寸如圖1所示。

圖1 橋梁護欄墻體外輪廓(單位：mm)

根據(jù)現(xiàn)行設計規(guī)范中關于橋梁混凝土護欄配筋強度的要求，墻體中豎筋采用直徑為16的Ⅲ級鋼筋，縱筋采用直徑為12 mm的Ⅲ級鋼筋，如圖2所示。

圖2 HA級橋梁混凝土護欄配筋圖(單位：mm)

2 有限元模型建立及驗證

基于有限元方法的計算機仿真技術可計算碰撞類復雜物理過程。在LS-DYNA中可采用拉格朗日增量動態(tài)方程描述碰撞大變形幾何非線性效應，調用顯示中心差分法即可完成對碰撞幾何非線性的模擬；對于材料非線性行為的描述采用Von Mises屈服準則；對于碰撞邊界非線性的模擬可采用罰函數(shù)法。

2.1 車輛及混凝土護欄有限元模型

根據(jù)車輛實際尺寸建立車輛有限元模型，車身結構采用計入大變形的四邊形單點積分殼單元模擬，單元翹屈度控制在15以內(nèi)，長寬比不大于4，角度控制在[45°,135°]區(qū)間；使用Cowper-Symons模型來考慮材料的應變率效應；邊界非線性問題通過設置基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決。車輛參數(shù)及有限元模型見表1及圖3。

表1 車輛類型及參數(shù)

圖3 車輛有限元模型

有限元模擬時，忽略路面變形，將路面作為剛性處理。碰撞系統(tǒng)坐標系以車輛行駛方向為x坐標，寬度方向為y坐標，z方向垂直于xy平面。

護欄混凝土部分采用Mat159號材料進行模擬，鋼筋采用彈塑性材料模擬，其應力-應變曲線根據(jù)Hopkinson壓桿沖擊試驗確定，兩者之間的連接通過設置*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID進行約束。

2.2 有限元模型驗證

通過開展實車碰撞試驗驗證有限元模型的合理性和正確性，試驗采用核定重量2 t的小車以30 km/h的速度正面撞擊HA級鋼筋混凝土護欄，觀察護欄損傷情況，并與理論計算結果進行對比(圖4)。

圖4 實車碰撞混凝土護欄試驗與模擬損傷對比

由圖4可知：實車碰撞與有限元模擬結構裂縫分布及損傷情況基本一致，兩者結果高度吻合。故可認為該有限元模型能較為精確地模擬護欄碰撞過程，從而驗證了有限元模型的正確性和合理性。

3 仿真模擬結果分析

分別建立小客車、大客車、整體式貨車及鞍式貨車4種車型有限元模型以模擬其碰撞過程，其中小客車及大客車主要考察車輛碰撞以后的加速度及導向阻攔功能，整體式貨車及鞍式貨車主要考察碰撞后導向功能及混凝土護欄損傷情況。

(1) 小客車碰撞結果分析

建立小客車碰撞護欄仿真模型，碰撞條件為：1.5 t小客車，車身長4.6 m，寬1.77 m，高1.4 m，以100 km/h的速度碰撞護欄，碰撞角度為20°。圖5為小客車碰撞護欄過程有限元模擬示意圖。結果表明：車輛頭部碰撞護欄后，沒有出現(xiàn)翻越和穿出護欄現(xiàn)象，經(jīng)過護欄導向后平穩(wěn)駛出，而且能夠正常行駛，結果表明護欄導向和阻擋功能良好。

圖5 小客車碰撞過程

圖6、7分別為小客車碰撞護欄的加速度時程曲線和碰撞護欄后車輛行駛軌跡圖。

圖6 小客車碰撞過程加速度時程曲線

圖7 小客車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖6、7表明：x向(縱向)乘員碰撞后加速度為95.8 m/s2，y向(橫向)乘員碰撞后加速度為123 m/s2，均小于200 m/s2；x向(縱向)乘員碰撞速度為3.8 m/s，y向(橫向)乘員碰撞速度為7.8 m/s，均小于12 m/s；小客車碰撞混凝土護欄后行駛軌跡未駛出導向框，且小客車駛出導向框后沒有翻車，車身保持完整，結果表明護欄導向功能良好。

(2) 大客車碰撞結果分析

建立大客車碰撞護欄仿真模型。碰撞條件為：10 t大客車、車身長10 m，寬2.4 m、高3.1 m，以60 km/h的速度碰撞護欄、其碰撞角度為20°。圖8、9分別為標準碰撞條件下大客車碰撞護欄過程圖和碰撞護欄后車輛行駛軌跡圖。圖8、9表明：大客車頭部碰撞護欄后，沒有出現(xiàn)翻越和穿出護欄現(xiàn)象，經(jīng)過護欄導向后平穩(wěn)駛出，而且能夠正常行駛，表明護欄導向和阻擋功能良好。大客車碰撞特高防撞等級F形混凝土護欄后，未駛出導向框，且大客車未翻車，車身較為完整。

圖8 大客車碰撞過程

圖9 大客車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

(3) 整體式貨車碰撞

建立整體式貨車碰撞護欄模型，碰撞條件為：40 t整體式貨車，以65 km/h的速度碰撞護欄、其碰撞角度為20°。圖10、11分別為整體式貨車碰撞護欄過程圖和整體式貨車碰撞護欄后行駛軌跡圖。

圖10 整體式貨車碰撞過程

圖11 整體式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖10、11表明：大貨車頭部碰撞護欄后，沒有出現(xiàn)翻越和穿出護欄現(xiàn)象，經(jīng)過護欄導向后平穩(wěn)駛出，而且能夠正常行駛，結果表明護欄導向和阻擋功能良好。大貨車碰撞混凝土護欄后，未駛出導向框，且大客車駛離后未翻車，車身較為完整。圖12為整體式貨車碰撞后護欄損壞情況，混凝土護欄局部損壞，損傷部位為護欄上部，損傷表征為混凝土破損，但未對護欄造成破壞性影響。

圖12 整體式貨車碰撞護欄損壞情況

(4) 鞍式貨車碰撞

建立鞍式貨車碰撞護欄模型，碰撞條件為：55 t鞍式貨車，以65 km/h的速度碰撞護欄、其碰撞角度為20°。圖13、14分別為鞍式貨車碰撞護欄過程圖和鞍式貨車碰撞護欄后行駛軌跡圖。

圖13 鞍式貨車碰撞過程

圖14 鞍式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖13、14表明：鞍式貨車頭部碰撞護欄后，沒有出現(xiàn)翻越和穿出護欄現(xiàn)象，經(jīng)過護欄導向后平穩(wěn)駛出，而且能夠正常行駛，結果表明護欄導向和阻擋功能良好。鞍式貨車碰撞特高防撞等級F形混凝土護欄后，未駛出導向框，且鞍式客車駛離后未翻車，車身較為完整。圖15為鞍式貨車碰撞后護欄損壞情況，混凝土護欄局部損壞，損傷情況較整體式貨車嚴重，主要受損部位為護欄上下部區(qū)域，損傷表征為混凝土破損，但仍未對護欄造成破壞性影響。

圖15 鞍式貨車碰撞護欄損壞情況

4 結論

以某HA級防撞混凝土護欄為研究對象，使用LS-DYNA建立4種不同車型的仿真模型和混凝土護欄模型，并通過實車碰撞對有限元模型進行了驗證，同時對4種車型撞擊混凝土護欄后車輛行駛軌跡及護欄損傷情況進行分析，得到如下結論：

(1) 實車撞擊試驗表明：基于大變形和接觸非線性理論建立的碰撞模型具有較高的模擬精度，試驗碰撞結果與有限元模擬結果基本一致，護欄破壞特征高度吻合，有限元模型可用于對不同車型撞擊護欄的動力分析。

(2) 通過建立4種不同車型與護欄的高精度計算機碰撞仿真模型，并對其碰撞過程進行分析求解，碰撞后小型車輛縱向和橫向速度分別為3.8、7.8 m/s，小于規(guī)范要求的12 m/s；縱向和橫向加速度分別為95.8、123 m/s2，小于規(guī)范要求200 m/s2，護欄阻擋功能滿足規(guī)范要求。

(3) 4種車型撞擊護欄后車輛行駛軌跡均在導向框范圍內(nèi)，說明該護欄具有較好的導向功能。

(4) 整體式貨車及鞍式貨車撞擊護欄后護欄表面混凝土有一定損傷，但均未造成結構性破壞。