車輛撞擊中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄仿真分析及安全性能評(píng)估

史 良，趙英培，薛鵬濤，胡 鋒

(1.河南省交通運(yùn)輸廳公路管理局，河南 鄭州 450001；2.河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，河南 鄭州 450001;3.河南光彩集團(tuán)發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000;4.河南交院工程技術(shù)集團(tuán)有限公司博士后創(chuàng)新實(shí)踐基地，河南 鄭州 471000)

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人們生活水平的提高，我國(guó)公路系統(tǒng)發(fā)展迅速，公路里程已經(jīng)達(dá)到423.75萬(wàn)km，然而交通安全事故也在逐年上升。在公路交通事故中，有將近1/3的死亡事故是發(fā)生在車輛與護(hù)欄的碰撞過(guò)程中[1]。交通事故給國(guó)家和人民帶來(lái)了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡損失，高速公路交通安全問(wèn)題已成為全社會(huì)關(guān)注的一個(gè)重點(diǎn)問(wèn)題[2]。

國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者對(duì)車輛撞擊護(hù)欄進(jìn)行了豐富的研究[3-4]。王安宇[5]通過(guò)數(shù)值模擬研究了梁柱式防撞護(hù)欄的抗撞性能，研究發(fā)現(xiàn)由于橫梁采用空心圓管會(huì)導(dǎo)致局部變形過(guò)大，使護(hù)欄的導(dǎo)向作用大大降低。陳林等[6]采用LS-DYNA有限元程序研究了低等級(jí)混凝土護(hù)欄在大型箱式卡車撞擊下的防護(hù)性能。Rohde等[7]對(duì)具有減震器和防撞護(hù)欄的橋墩防護(hù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了4次實(shí)體車碰撞試驗(yàn)。雷正保等[8]建立了車輛﹑假人和護(hù)欄碰撞數(shù)值仿真模型，研究發(fā)現(xiàn)半剛性護(hù)欄具有較好地抵抗重型車輛側(cè)翻的能力。應(yīng)聃等[9]研究了波浪型隔離欄在不同車輛類型﹑撞擊速度和撞擊角度下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。胡煜文等[10]建立了車輛撞擊護(hù)欄動(dòng)力仿真模型，分析了A類防撞等級(jí)的F型混凝土護(hù)欄和單坡型混凝土護(hù)欄的抗撞擊性能。從以上研究可以看出，對(duì)于中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄這類新穎結(jié)構(gòu)形式的研究尚屬空白，且缺少對(duì)車輛撞擊護(hù)欄安全性能的評(píng)價(jià)。

本研究通過(guò)LS-DYNA有限元程序建立車輛撞擊中央分隔帶開口護(hù)欄有限元模型，分別對(duì)橋梁護(hù)欄進(jìn)行小型客車、大型客車和大型貨車的有限元仿真碰撞模擬，對(duì)車輛和護(hù)欄安全性能進(jìn)行研究分析，驗(yàn)算護(hù)欄等級(jí)是否能夠達(dá)到SB級(jí)。

1 車輛-護(hù)欄撞擊有限元模型

1.1 顯式動(dòng)力分析基本理論

研究車輛與橋梁護(hù)欄的碰撞過(guò)程是一個(gè)高度非線性的問(wèn)題，許多因素的改變都會(huì)影響著撞擊的最終結(jié)果，在碰撞過(guò)程中很可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)某部位發(fā)生嚴(yán)重的屈曲、壓潰等破壞。顯式積分算法適用于汽車碰撞護(hù)欄類的瞬態(tài)非線性大變形問(wèn)題，非線性變形體動(dòng)力學(xué)方程如公式(1)所示[11-12]。

(1)

1.2 護(hù)欄模型

本研究設(shè)計(jì)的中央分隔帶開口護(hù)欄防護(hù)等級(jí)為SB級(jí)(四級(jí))，設(shè)計(jì)防護(hù)能量280 kJ[13-14]。如圖1所示，中央分隔帶開口護(hù)欄主要由立柱、防阻塊、波形梁板、縱梁、上下支臂和支腿組成，立柱每隔3 m 布置1個(gè)，波形梁板每隔9 m使用連接鋼管連接。護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)(單位：mm)

建立圖2護(hù)欄有限元模型，BFI型防阻塊與波形板之間通過(guò)連接板以共節(jié)點(diǎn)的方式連接；BFI型防阻塊與上支臂之間通過(guò)螺栓連接，來(lái)保證碰撞時(shí)BFI型防阻塊能夠發(fā)生局部的轉(zhuǎn)動(dòng)變形；立柱與上下套螺栓采用梁?jiǎn)卧M，護(hù)欄除螺栓外的鋼材結(jié)構(gòu)均采用殼單元模擬。鋼材材料本構(gòu)模型采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY分段線性塑性模型，彈性模量為210 GPa，泊松比為0.3，鋼材靜屈服強(qiáng)度為235 MPa，分別為40.4和5.0，失效應(yīng)變?cè)O(shè)為0.12[17-18]，該本構(gòu)通過(guò)定義應(yīng)力應(yīng)變曲線來(lái)表現(xiàn)與應(yīng)變率的相關(guān)性[19-20]。

圖2 護(hù)欄有限元模型

筒之間設(shè)置自動(dòng)面面(ASTS)接觸[15-16]；護(hù)欄開口連接段，加勁板與護(hù)欄通過(guò)共節(jié)點(diǎn)的方式連接。

1.3 車輛模型

根據(jù)SB級(jí)護(hù)欄防護(hù)等級(jí)和高速公路行駛車輛常見(jiàn)類型[13]，本研究將所有車輛簡(jiǎn)化為小型汽車、大型客車和大型貨車3種類型。表2給出了碰撞車輛參數(shù)，撞擊角度為沿護(hù)欄與車輛行駛方向的夾角。

表2 車輛參數(shù)

圖3給出了車輛有限元模型，每種車輛模型包括車頭﹑車廂和車架等結(jié)構(gòu)部件。車輛主體結(jié)構(gòu)采用殼單元?jiǎng)傂圆牧?，即把剛體內(nèi)節(jié)點(diǎn)的自由度都耦合到剛性體的質(zhì)量中心，可以縮減顯式分析的計(jì)算時(shí)間。通過(guò)改變車廂重力密度的方法來(lái)達(dá)到控制汽車質(zhì)量效果，并且通過(guò)這種方式還可以讓質(zhì)量均勻分布，而不是集中于某個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣更符合實(shí)際受荷情況。車輛自身設(shè)置全局的自動(dòng)單面接觸，剛性焊接部件之間設(shè)置剛性連接。小型客車﹑大型客車和大型貨車分別有27萬(wàn)，27萬(wàn)，6.9萬(wàn)個(gè)單元。

圖3 車輛有限元模型

2 車輛撞擊護(hù)欄全過(guò)程分析

中央分隔帶開口護(hù)欄碰撞點(diǎn)，包括中央分隔帶開口護(hù)欄中點(diǎn)和沿試驗(yàn)車輛行車方向距離中央分隔帶開口護(hù)欄終點(diǎn)2 m的位置處。每個(gè)碰撞點(diǎn)分別包括：碰撞點(diǎn)位于標(biāo)準(zhǔn)梁段和碰撞點(diǎn)為開口連接段。故小型客車﹑大型客車和大型貨車每種車型4種計(jì)算工況，共計(jì)12種計(jì)算工況，計(jì)算工況見(jiàn)表3，分析流程如圖4所示。

圖4 分析流程圖

表3 碰撞工況

2.1 小型客車撞擊護(hù)欄分析

圖5給出了小型客車撞擊護(hù)欄不同位置下最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可以看出，小型客車體積較小，主要撞擊護(hù)欄縱梁和波形梁板下部分，最終小型客車順利駛離護(hù)欄，護(hù)欄具有良好的導(dǎo)向能力。撞擊過(guò)程中小型客車并未發(fā)生阻絆、穿越現(xiàn)象，護(hù)欄及其附屬構(gòu)件未侵入駕駛限界。

圖5 小型客車不同撞擊點(diǎn)下位移時(shí)程曲線

中分帶開口活動(dòng)護(hù)欄良好的導(dǎo)向性主要依靠各部件在撞擊過(guò)程中的變形吸能能力，圖5給出了不同撞擊點(diǎn)下護(hù)欄位移時(shí)程。小型客車撞擊標(biāo)準(zhǔn)梁段中點(diǎn)﹑距離標(biāo)準(zhǔn)梁段2 m﹑開口連接段中點(diǎn)和距離開口連接段2 m下，波形梁板產(chǎn)生的位移均最大，分別為180，213，178 mm和209 mm；其次為縱梁，最大位移約為155～200 mm，BFI型防阻塊、上下支臂、上下套筒、立柱和支腿的最大位移均在50 mm以內(nèi)。

小型客車重心處加速度時(shí)間歷程曲線如圖6所示。圖6(a)為小型客車撞擊護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)梁段中點(diǎn)時(shí)的加速度時(shí)程曲線，小型客車乘員碰撞后縱向和橫向加速度分量在間隔10 ms內(nèi)平均絕對(duì)值的最大值分別為152 m/s2和174 m/s2，均小于200 m/s2。根據(jù)車輛重心處加速度數(shù)據(jù)可得乘員碰撞處速度縱向和橫向分量的絕對(duì)值分別為8.9 m/s和8.3m/s，均小于12 m/s。同樣可以從圖6(b)～(d)看出，縱向和橫向加速度絕對(duì)值的最大值均小于200 m/s2，乘員碰撞處速度縱向和橫向分量的絕對(duì)值也均小于12 m/s。因此可以得出，小型客車在碰撞橋梁護(hù)欄時(shí)，乘員碰撞加速度和碰撞后速度均符合《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)[14]的要求。

圖6 加速度時(shí)程曲線

2.2 大型客車撞擊護(hù)欄分析

從圖7中可以發(fā)現(xiàn)，大型客車撞擊護(hù)欄不同位置時(shí)，大型客車輛外觀附屬結(jié)構(gòu)較少，不易受到護(hù)欄與車輛撞擊的阻絆作用，能較快地返回正常行駛軌跡，在0.5 s左右大型客車撞擊護(hù)欄過(guò)程基本完成。

圖7 不同撞擊點(diǎn)車輛最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)

圖8給出了大型客車撞擊下護(hù)欄各部件位移時(shí)程曲線。大型客車撞擊標(biāo)準(zhǔn)梁段中點(diǎn)﹑距離標(biāo)準(zhǔn)梁段2 m﹑開口連接段中點(diǎn)和距離開口連接段2 m下形梁板產(chǎn)生的位移最大，分別為441，425，445 mm和437 mm；其次為BFI型防阻塊，最大位移約為204～290 mm，上下套筒在撞擊過(guò)程中產(chǎn)生的最大位移約為200 mm，縱梁、立柱、上下支臂和支腿產(chǎn)生的最大位移均在100 mm以內(nèi)。

圖8 大型客車不同撞擊點(diǎn)下位移時(shí)程曲線

2.3 大型貨車撞擊護(hù)欄分析

圖7中給出了不同撞擊點(diǎn)下大型貨車最終運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，大型貨車由于車頭體積較大，車廂體積較小，在撞擊過(guò)程中主要車頭撞擊護(hù)欄，在護(hù)欄的導(dǎo)向作用下最終進(jìn)入正常行駛狀態(tài)，而車廂較少碰撞到護(hù)欄。大型貨車撞擊護(hù)欄約在0.5 s左右撞擊過(guò)程基本完成。大型貨車撞擊護(hù)欄過(guò)程中，車輛未發(fā)生阻絆、穿越現(xiàn)象，護(hù)欄及其附屬構(gòu)件未侵入駕駛限界。

圖9給出了大型貨車撞擊下護(hù)欄各部件位移時(shí)程曲線。大型貨車撞擊標(biāo)準(zhǔn)梁段中點(diǎn)、距離標(biāo)準(zhǔn)梁段2 m﹑開口連接段中點(diǎn)和距離開口連接段2 m下形梁板產(chǎn)生的位移最大，分別為192，191，197 mm和207 mm，其次為BFI型防阻塊，最大位移約為150 mm以內(nèi)，其次為縱梁和上下套筒，上下支臂、立柱和支腿最大位移在50 mm以內(nèi)。

圖9 大型貨車不同撞擊點(diǎn)下位移時(shí)程曲線

3 中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)

通過(guò)以上車輛撞擊護(hù)欄結(jié)果分析，將結(jié)果匯總于表4。中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄在小型客車﹑大型客車和大型貨車的撞擊下，具有較好的阻擋功能﹑導(dǎo)向功能。在小型客車撞擊下，乘員橫向和縱向碰撞速度最大分別為10.3 m/s和8.7 m/s，均小于200 m/s2，均小于12 m/s；乘員碰撞后橫向和縱向加速度最大分別為176 m/s2和174 m/s2，均小于200 m/s2，由此可得小型客車撞擊下護(hù)欄具有良好的緩沖功能。綜合以上分析，本研究建立的中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄安全性能滿足SB防護(hù)等級(jí)要求。

表4 護(hù)欄分析結(jié)果

續(xù)表4

4 結(jié)論

本研究建立了車輛撞擊中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄數(shù)值仿真模型，并采用顯式動(dòng)力有限元方法分析評(píng)估了小型客車﹑大型客車和大型貨車下橋梁護(hù)欄的安全性能，主要結(jié)論如下。

(1)小型客車﹑大型客車和大型貨車撞擊護(hù)欄后均能返回正常行駛路徑，撞擊過(guò)程中車輛并未發(fā)生阻絆、穿越現(xiàn)象，護(hù)欄及其附屬構(gòu)件未侵入駕駛限界。

(2)波形梁板在車輛的撞擊下產(chǎn)生較大變形，在撞擊過(guò)程中具有較好的變形吸能能力。

(3)小型客車撞擊護(hù)欄后，乘員碰撞速度的橫向與縱向分量均小于12 m/s；乘員碰撞后加速度的橫向與縱向分量均小于200 m/s2，滿足護(hù)欄緩沖功能要求。

(4)綜合評(píng)價(jià)橋梁護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能符合SB級(jí)護(hù)欄安全性能的要求。