工字型鋼護(hù)欄碰撞安全性能仿真研究

熊 剛， 周方圓， 周樂木

(1. 華中科技大學(xué) 土木與水利工程學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2. 湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢 430056)

防阻塊通常應(yīng)用于波形梁護(hù)欄上，作為半剛性護(hù)欄上橫梁與立柱之間傳力、耗能部件，當(dāng)前公路波形梁護(hù)欄多為路基護(hù)欄[1]。有試驗(yàn)研究表明，波形梁護(hù)欄防阻塊在撞擊過程中吸收的能量約為護(hù)欄吸收總能量的15%～25%[2]。結(jié)構(gòu)合理的防阻塊可以有效降低或避免汽車撞擊護(hù)欄時產(chǎn)生的不良影響，提高護(hù)欄的緩沖性能，分散撞擊力并降低護(hù)欄對車輛前輪的阻擋力[3]。徐挺等[4]提出了多網(wǎng)格防阻塊護(hù)欄系統(tǒng)，相較于傳統(tǒng)波形護(hù)欄，該新型護(hù)欄系統(tǒng)吸收能力強(qiáng)，安全性能高；吳中等[5]提出將六邊形防阻塊改進(jìn)為十邊形，研究結(jié)果表明使用改進(jìn)后防阻塊可以減小立柱對車輛前輪的絆阻效應(yīng)，增強(qiáng)了整體護(hù)欄結(jié)構(gòu)的耗能導(dǎo)向作用；趙慶云等[6]依托護(hù)欄提升改造工程將防阻塊應(yīng)用到橋梁組合式護(hù)欄中，并達(dá)到了預(yù)期效果。

當(dāng)前在我國新建或已建橋梁的梁柱式護(hù)欄上少見防阻塊的使用，因此本文提出了一種可以應(yīng)用于橋梁護(hù)欄中的防阻塊，以提高橋梁護(hù)欄的安全性能。本文使用LS-DYNA對四種不同壁厚的防阻塊護(hù)欄體系進(jìn)行碰撞仿真，依據(jù)公路橋梁護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)，從車輛運(yùn)動軌跡、護(hù)欄攔截能力與乘員安全性能3個方面考察防阻塊對橋梁護(hù)欄系統(tǒng)安全性能的作用。

1 有限元模型

1.1 護(hù)欄模型

橋梁護(hù)欄通常采用半剛性梁柱式護(hù)欄，本文護(hù)欄結(jié)構(gòu)由工字型鋼立柱、防阻塊、橫梁構(gòu)成，各部件間采用螺栓連接，護(hù)欄示意如圖1。

圖1 防阻塊護(hù)欄體系示意/mm

本文所研究護(hù)欄為梁柱式護(hù)欄，采用H型立柱，矩形管橫梁，等級為六(SS)級。文中護(hù)欄3部分均采用Q235鋼材，其材料密度為7850 kg/m3，楊氏模量為210 GPa，屈服強(qiáng)度為235 MPa，泊松比為0.3，Q235鋼本構(gòu)關(guān)系如圖2。用于仿真模擬的護(hù)欄長度為39 m，立柱中心間距1.5 m，立柱截面為190 mm×190 mm×8 mm的工字鋼(腹板、翼緣板壁厚一致)，橫梁為160 mm×120 mm×6 mm的方鋼管；根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，金屬梁柱式護(hù)欄各部件連接所使用的高強(qiáng)螺栓在護(hù)欄受到較大碰撞力時失效概率極低[7]，為簡化計(jì)算，本文用關(guān)鍵字ConNode(spider)來模擬護(hù)欄的螺栓連接，其元素設(shè)為剛性，預(yù)留螺栓孔徑為20 mm。假定立柱底部的連接件強(qiáng)度足夠，對立柱底部施加固定約束。立柱與橫梁有限元模型網(wǎng)格均采用殼單元。

圖2 Q235應(yīng)力 - 應(yīng)變曲線

出于提高護(hù)欄緩沖性能的目的，本文提出將護(hù)欄連接件形式更換為O形防阻塊，并將使用4，6，8，10 mm 4種壁厚防阻塊的護(hù)欄體系與基礎(chǔ)體系進(jìn)行對照。防阻塊為O形，采用Q235鋼材，在有限元模型中采用MAT24分段線性塑性材料，相關(guān)參數(shù)為：豎向板長為120 mm，寬度為100 mm，兩端半圓外徑為30 mm，故防阻塊厚度為30 mm。防阻塊護(hù)欄體系各壁厚組合見表1。防阻塊有限元模型網(wǎng)格采用殼單元，具體形式見圖3。

表1 防阻塊與護(hù)欄壁厚組合

圖3 防阻塊模型/mm

1.2 車輛模型

試驗(yàn)車輛模型選用美國國家碰撞中心(NCAC)的廂式貨車Ford F800，該模型整車重8.037 t，共計(jì)36568個單元，38973個節(jié)點(diǎn)，車輛幾何尺寸為：長8580 mm，寬2440 mm，高3320 mm，各部件之間采用單面接觸。車輛有限元模型如圖4所示。

圖4 Ford F800有限元模型

為驗(yàn)證車輛模型準(zhǔn)確性，對車輛進(jìn)行時速50 km/h，總時間150 ms的正碰仿真試驗(yàn)。經(jīng)計(jì)算可得，碰撞后沙漏能占總能量的1.42%，碰撞后模型所增加質(zhì)量為原車質(zhì)量的1.46%，均小于規(guī)定值5%[8]。

1.3 車輛與護(hù)欄耦合模型

碰撞角度、碰撞速度與車輛質(zhì)量為車輛與護(hù)欄碰撞的3個初始條件。公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)[9]要求護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段碰撞點(diǎn)應(yīng)位于沿車輛行駛方向距護(hù)欄起點(diǎn)1/3長度處，故本文碰撞點(diǎn)選取為第9跨中[10]，距護(hù)欄起點(diǎn)13 m處；根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，碰撞角度定為20°；由于本車型為箱式貨車，根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)確定碰撞速度為80 km/h，x方向?yàn)樾熊嚪较?，?jì)算時間為1.2 s[11]。

在模擬碰撞過程中，需要設(shè)置合適的接觸類型。護(hù)欄整體與碰撞車輛均采用關(guān)鍵字AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE設(shè)置獨(dú)立的單面接觸，設(shè)置動、靜摩擦系數(shù)分別為0.1，0.2；車身碰撞面與護(hù)欄橫梁采用關(guān)鍵字AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE設(shè)置雙面接觸，輪胎與橫梁采用關(guān)鍵字NODES_TO_SURFACE設(shè)置點(diǎn)面接觸，動摩擦系數(shù)為0.3，靜摩擦系數(shù)為0.5；本文使用剛性地面，車輪與地面設(shè)置剛性墻接觸RIGIDWALL_PLANAR，摩擦系數(shù)為0.9。在駕駛艙與貨箱內(nèi)布置傳感器，傳感器為剛體，故剛體與非剛體之間的連接采用CONSTRAINED_EXTRA_NODES。

2 汽車 - 護(hù)欄耦合模型

從模擬結(jié)構(gòu)的動畫可以將車輛與防阻塊護(hù)欄體系碰撞過程大致分為3個階段：車頭與護(hù)欄接觸轉(zhuǎn)向階段(0～0.15 s)；貨箱擺尾撞擊護(hù)欄階段(0.15～0.55 s)；車輛脫離護(hù)欄行駛階段(0.55～1.2 s)。本節(jié)中，筆者將從車輛運(yùn)動軌跡、護(hù)欄攔截能力、乘員安全性能(即乘員位置節(jié)點(diǎn)的相對碰撞速度與碰撞后加速度)3個方面來考察護(hù)欄的安全性能。

2.1 護(hù)欄導(dǎo)向功能

車輛運(yùn)動軌跡的分析主要觀察撞擊車輛的行駛狀態(tài)和速度變化情況。護(hù)欄使用防阻塊后，橫梁與立柱間的硬接觸被調(diào)節(jié)為弱接觸，防阻塊通過自身的變形與回彈增大橫梁的耗能，減小立柱的端部位移，即防阻塊起到類似彈簧作用。圖5為車輛速度曲線，分析圖5可知，當(dāng)防阻塊壁厚為4，10 mm時，護(hù)欄對車速影響比基礎(chǔ)體系大，且防阻塊壁厚為10 mm時，在0.9 s附近可能發(fā)生二次碰撞。當(dāng)防阻塊壁厚為4 mm時，由于鋼材過薄，碰撞瞬間被壓癟，并未起到緩沖作用。同樣，當(dāng)防阻塊壁厚為10 mm時，變形距離僅剩10 mm，變形能力過弱，也未起到足夠的緩沖作用。當(dāng)防阻塊壁厚為6，8 mm時，速度曲線在0.4 s以后趨于水平，駛出速度保持在16 m/s以上，護(hù)欄對車速影響比基礎(chǔ)體系小且無再次降低的趨勢，可以判斷出車輛未發(fā)生二次碰撞。速度降低越快，乘員所受到的加速度越大，這對乘車人員是不利的。當(dāng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)體系使用防阻塊壁厚為6～10 mm時，防阻塊壁厚增加，駛出速度隨之降低，且隨著壁厚逐漸增加，速度降低幅度更大；當(dāng)防阻塊壁厚過薄或過厚時，緩沖效果均弱于基礎(chǔ)護(hù)欄體系。

圖5 車輛速度曲線

以6 mm厚防阻塊護(hù)欄體系為例分析車輛的運(yùn)動狀態(tài)。觀察圖6車輛碰撞過程可知，在0.01 s附近，車頭與護(hù)欄接觸；貨箱在0.15 s時開始與橫梁接觸；0.25 s時刻，車頭開始駛離護(hù)欄；0.35 s時刻，貨箱側(cè)面完全與橫梁接觸，直到0.45 s整車脫離護(hù)欄，與橡膠墊護(hù)欄體系車輛開始脫離護(hù)欄時間接近；車輛自0.55 s完全脫離護(hù)欄后一直保持正常行駛狀態(tài)。整個過程護(hù)欄導(dǎo)向能力良好，護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)失效情況，未發(fā)生二次碰撞，通過分析行駛狀態(tài)可以判斷出本文所提出的防阻塊護(hù)欄體系的導(dǎo)向能力良好。

圖6 車輛碰撞過程

2.2 護(hù)欄阻擋功能

本文將從2個方面對護(hù)欄的攔截能力進(jìn)行分析：一個是護(hù)欄整體與防阻塊的耗能能力，即碰撞過程中由各部件塑性變形所增加的內(nèi)能；另一個是護(hù)欄碰撞后形態(tài)，即考察整個碰撞過程中護(hù)欄的完整性，是否變形過大，結(jié)構(gòu)有失效的風(fēng)險，主要控制指標(biāo)為立柱頂部最大動態(tài)位移值。

2.2.1 護(hù)欄耗能

護(hù)欄耗能主要由橫梁承擔(dān)，立柱與防阻塊僅耗散部分能量。防阻塊主要通過其壓縮后塑性變形來耗能，由于構(gòu)件自身尺寸限制，單體耗能能力不足，故本文主要考查其加入護(hù)欄后的整體耗能效果。

圖7，8分別為護(hù)欄能量曲線、護(hù)欄能量峰值。由圖7a可知，當(dāng)連接件更換為防阻塊之后，對護(hù)欄的耗能能力有較大增加，最大增加至原有的4倍之多。由圖7b～7d與圖8可知，護(hù)欄耗能主要由橫梁承擔(dān)，防阻塊其次，立柱耗散能量最少；由圖7a，7c,7d可知，在碰撞過程初期，防阻塊護(hù)欄體系就通過橫梁與防阻塊變形吸收了大量能量(約200 kJ)，基本上呈現(xiàn)直線上升的趨勢；隨后進(jìn)入緩慢增長階段，增長至0.4 s時，同基礎(chǔ)護(hù)欄體系保持一致，進(jìn)入平臺段。當(dāng)防阻塊壁厚為10 mm時，在1.0 s后出現(xiàn)了小幅增長，同基礎(chǔ)體系一樣，可以判斷出車輛發(fā)生了二次碰撞。觀察4,6,8 mm防阻塊，自進(jìn)入平臺段以后，能量曲線均保持水平，可以判斷出1.2 s內(nèi)未發(fā)生二次碰撞。

圖7 護(hù)欄能量曲線

由圖7d可知，6,8 mm防阻塊耗能最終峰值接近；在0.4 s以后，各壁厚防阻塊逐漸達(dá)到峰值，進(jìn)入平臺段。結(jié)合圖7d與圖8可知，當(dāng)防阻塊壁厚增加時，其變形能力減弱，從而導(dǎo)致其耗能能力降低；且使用防阻塊能明顯提升橫梁的耗能能力，當(dāng)防阻塊壁厚低于10 mm時，橫梁耗能能力與防阻塊壁厚呈負(fù)相關(guān)。增加防阻塊壁厚不能確保護(hù)欄耗能增加，且對車輛速度的降低幅度更大，不利于后車的行駛。

圖8 護(hù)欄能量峰值

2.2.2 護(hù)欄碰撞后變形分析

使用防阻塊后，立柱位移最大處與基礎(chǔ)護(hù)欄體系保持一致，未出現(xiàn)轉(zhuǎn)移，仍在第10根立柱頂部，故取第10根立柱頂部最大位移點(diǎn)的動態(tài)位移值進(jìn)行分析。由上文可知，橫梁作為耗能主體，此處同時分析橫梁位移，如圖9，10。

觀察圖9可知，使用防阻塊后立柱的變形趨勢和基礎(chǔ)體系一樣，均是在0.2 s附近出現(xiàn)第一次峰值，0.4 s附近出現(xiàn)第二次峰值；當(dāng)防阻塊壁厚為6,8 mm時，兩者的立柱位移峰值和最終位移值相近，比基礎(chǔ)體系降低約5 mm。結(jié)合圖7b，9a可知，當(dāng)防阻塊壁厚為6，8 mm時，新護(hù)欄立柱吸收能量與原結(jié)構(gòu)相當(dāng)，但第10根立柱頂部位移降低，這說明使用防阻塊后更多立柱參與了耗能。結(jié)合圖9a，10可知，使用合適壁厚的防阻塊，可以有效降低護(hù)欄立柱的位移峰值與最終變形值。由圖10可知，當(dāng)防阻塊壁厚為6～10 mm時，橫梁變形峰值增加，但最終變形值與結(jié)構(gòu)體系相差不大，差值最大約12 mm；若防阻塊壁厚為6，8 mm，則橫梁變形峰值、最終變形值與原結(jié)構(gòu)幾乎一致，差值在3 mm內(nèi)。而當(dāng)防阻塊壁厚為4 mm時，壁厚過薄導(dǎo)致防阻塊未能起到預(yù)期緩沖效果，反而增加了護(hù)欄的整體變形。

圖9 護(hù)欄位移曲線

圖10 立柱、橫梁位移峰值

碰撞時，卡車首先接觸護(hù)欄底部橫梁，碰撞進(jìn)入第二階段后貨箱慣性撞擊護(hù)欄，此時護(hù)欄頂部橫梁收到撞擊，頂部防阻塊開始變形，故在碰撞過程結(jié)束后，防阻塊的最終變形由護(hù)欄底部至頂部逐漸減小，符合車輛與護(hù)欄碰撞后的實(shí)際變形情況。此處展示6mm厚防阻塊護(hù)欄體系第10根立柱的底部與頂部的外形，如圖11所示。

圖11 1.2 s時刻第10根立柱防阻塊外形

2.3 護(hù)欄緩沖功能

評價標(biāo)準(zhǔn)中給出的碰撞后相對碰撞速度和碰撞加速度是判定乘員受到傷害的直觀指標(biāo)，同時也可以作為評價護(hù)欄緩沖功能的重要指標(biāo)。已有研究證實(shí)座椅節(jié)點(diǎn)處的合成加速度與加入假人模型時差距不大[12]，故筆者將質(zhì)量塊引入模型中以測量該節(jié)點(diǎn)處的碰撞后相對碰撞速度和碰撞加速度。

使用防阻塊后，護(hù)欄的安全性能未知，本節(jié)將根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)對其進(jìn)行評價，并加入基礎(chǔ)護(hù)欄體系與之對照，確定使用防阻塊后是否能提升護(hù)欄的耗能、緩沖性能，能否降低碰撞過程中乘員所受到的各項(xiàng)指標(biāo)的峰值。碰撞速度與碰撞后加速度分別見圖12，13，各壁厚組合的速度與加速度峰值見圖14。

圖12 碰撞速度

圖13 碰撞后加速度

圖14 碰撞速度與加速度峰值

由圖12a可知，使用防阻塊后，碰撞速度縱向(x向)分量始終在0點(diǎn)附近波動，除4 mm厚防阻塊外，其他壁厚組合的峰值均在1.5 m/s附近，而使用傳統(tǒng)連接件的護(hù)欄峰值達(dá)到2.0 m/s。由圖12b可知，所有組合碰撞速度橫向(y向)分量峰值均低于12 m/s，但壁厚為4，10 mm時，對應(yīng)分量高于基礎(chǔ)體系；防阻塊對橫向碰撞速度在0.2～0.7 s間有顯著的降低作用，但0.7 s以后橫向碰撞速度值出現(xiàn)增長；當(dāng)防阻塊壁厚為6，8 mm時，橫向碰撞速度在增長后均呈下降趨勢，而基礎(chǔ)體系與10 mm厚防阻塊在轉(zhuǎn)折點(diǎn)后仍保持增長趨勢。結(jié)合圖14，當(dāng)防阻塊壁厚在4～10 mm之間時，能有效降低其橫向碰撞速度峰值，能降低至少1.0 m/s；當(dāng)防阻塊壁厚增加，縱向碰撞速度峰值隨之降低。

由圖13，14 分析可知，使用防阻塊后，碰撞后加速度縱、橫向分量與基礎(chǔ)體系變化趨勢保持一致，若使用壁厚合適的防阻塊，能一定程度上降低碰撞后加速度在各方向分量的峰值；若防阻塊過厚或過薄，縱、橫向分量仍有可能出現(xiàn)二次峰值較大的情況；當(dāng)防阻塊的壁厚增加時，加速度峰值的分量也隨之增加，故不建議采用壁厚較大的O形防阻塊，建議防阻塊壁厚宜為6 mm，不宜超過8 mm。

2.4 防阻塊壁厚選取

將各壁厚防阻塊使用到本文護(hù)欄形式上后，通過分析F800卡車的運(yùn)動軌跡評價其導(dǎo)向性能，分析其耗能、變形能力評價其阻擋功能，分析乘員的各項(xiàng)指標(biāo)以評價其緩沖功能，并與原體系進(jìn)行對照。計(jì)算結(jié)果證明，使用合適壁厚O形防阻塊后，能一定程度上提升護(hù)欄的各項(xiàng)性能，顯著提升其耗能能力，并減小立柱的最大位移值。本研究實(shí)例中，各項(xiàng)評價指標(biāo)均未超過評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，綜合各項(xiàng)參數(shù)和結(jié)果建議防阻塊壁厚應(yīng)在4～10 mm間，6 mm為宜。

3 結(jié) 語

出于提高工字型鋼護(hù)欄碰撞安全性能的目的，本文提出了O形防阻塊以替換傳統(tǒng)連接件，達(dá)到提升護(hù)欄耗能能力和緩沖性能的效果，并研究其壁厚變化對護(hù)欄安全性能的影響，四種壁厚分別為：4，6，8，10 mm。本研究中，使用F800卡車與護(hù)欄進(jìn)行有限元碰撞安全性能仿真研究，可得到如下結(jié)論：

(1)防阻塊護(hù)欄體系與基礎(chǔ)護(hù)欄體系的導(dǎo)向能力良好，未出現(xiàn)絆阻現(xiàn)象。當(dāng)防阻塊壁厚增加時，車輛駛出速度降低，導(dǎo)向能力減弱，不利于后車行駛；

(2)使用防阻塊后，護(hù)欄的整體耗能能力有顯著提高，由100 kJ提升至300 kJ；當(dāng)防阻塊壁厚增加時，護(hù)欄整體耗能能力與防阻塊的耗能能力均隨之減弱。需要指出的是當(dāng)防阻塊壁厚增加至10 mm時，其耗能能力減弱明顯，不建議使用；當(dāng)防阻塊壁厚低于4 mm時，護(hù)欄變形值過大，車輛有傾覆危險，故不建議使用；

(3)在6 mm防阻塊的作用下，護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于其他各組，使得護(hù)欄立柱的最大動態(tài)位移降至70 mm附近；與原體系相比，乘員碰撞速度縱、橫向分量峰值分別減少約25%(約0.5 m/s)、12.3%(約1.5 m/s)；碰撞后加速度縱、橫向分量降低至55.6，80.3 m/s2。評價護(hù)欄安全性能的各項(xiàng)指標(biāo)均有不同程度的降低，這證明使用防阻塊替換連接件可行，建議防阻塊壁厚應(yīng)在4～10 mm間，6 mm為宜。

本文研究結(jié)果表明，在工字型鋼護(hù)欄中使用合適壁厚的O形防阻塊替換傳統(tǒng)連接件是可行的，使用O形防阻塊的工字型鋼護(hù)欄有良好的導(dǎo)向性能，且該護(hù)欄碰撞耗能能力和緩沖性能得到顯著提升。