撞擊過程中農(nóng)村公路波形護(hù)欄動(dòng)力響應(yīng)研究

李江江

摘要 為對(duì)車輛撞擊農(nóng)村公路波形護(hù)欄過程中車輛及防護(hù)欄的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，文章以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護(hù)工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護(hù)欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護(hù)欄不利位置，研究撞擊過程中護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形、車輛速度、護(hù)欄三部分的能量變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）車輛撞擊護(hù)欄后，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形先增大，后減小。（2）車輛速度先呈下降趨勢(shì)；托架、立柱、波形梁板隨時(shí)間的增大，吸收的能量呈上升趨勢(shì)，先增大后保持穩(wěn)定，能量變化曲線斜率逐漸減小。（3）撞擊過程中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護(hù)欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

關(guān)鍵詞 撞擊；公路；波形防護(hù)欄；動(dòng)力響應(yīng)；能量

中圖分類號(hào) U417.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）12-0064-03

0 引言

村級(jí)公路對(duì)加強(qiáng)城鄉(xiāng)聯(lián)系，促進(jìn)農(nóng)村地區(qū)的資源開發(fā)，疏通和擴(kuò)大農(nóng)產(chǎn)品信息交流渠道，改善農(nóng)村投資環(huán)境，促進(jìn)小城鎮(zhèn)建設(shè)等都具有十分重要的意義[1]。但是，由于受資金限制，部分農(nóng)村公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，公路建設(shè)期間設(shè)置的安全防護(hù)工程較少，公路通車后存在較大的安全隱患[2]。隨著汽車保有量劇增，駕駛?cè)藛T素質(zhì)參差不齊，急需建設(shè)完善公路安全生命防護(hù)工程，確保農(nóng)村公路安全通行，長(zhǎng)期發(fā)揮效益[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對(duì)公路波形護(hù)欄進(jìn)行了一系列研究。趙永利等[4]基于有限元軟件，建立了車輛碰撞護(hù)欄模型，研究了剛性護(hù)欄與半剛性護(hù)欄兩種工況條件下車輛質(zhì)量對(duì)護(hù)欄變形、車輛質(zhì)心加速度及車輛軌跡的影響；閆書明[5]基于有限元軟件，研究了車輛撞擊波形梁護(hù)欄圓頭式和地錨式端頭時(shí)車輛可能發(fā)生的事故模式，并提出了卷曲波形的端頭設(shè)計(jì)；潘兵宏等[6]基于能量守恒方法，并利用有限元軟件建立了護(hù)欄模型，綜合考慮了車型、碰撞角度、速度對(duì)護(hù)欄能量的影響；張秀麗等[7]基于室內(nèi)靜載實(shí)驗(yàn)和ANSYS有限元軟件，比較了兩種方法波形梁加載頭位移和載荷的關(guān)系及能量分布情況，驗(yàn)證了ANSYS軟件分析的可行性；何勇[8]闡述了我國交通道路的發(fā)展?fàn)顩r，比較了美、日兩國關(guān)于道路護(hù)欄的設(shè)計(jì)原理及結(jié)構(gòu)特征，最后就我國變截面波形梁護(hù)欄的設(shè)計(jì)原理及優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了介紹。綜上所述，道路防護(hù)欄可以大幅度降低事故嚴(yán)重性，防護(hù)欄結(jié)構(gòu)對(duì)車輛撞擊過程中動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響較為顯著，但對(duì)撞擊過程中農(nóng)村公路波形護(hù)欄動(dòng)力響應(yīng)的研究較少。

鑒于此，該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護(hù)工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護(hù)欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護(hù)欄不利位置，研究撞擊過程中護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形、車輛速度、護(hù)欄三部分的能量變化規(guī)律。

1 工程概況

該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護(hù)工程為研究背景。該項(xiàng)目共有13條通村路，覆蓋雷山縣丹江、郎德、望豐、大塘、西江等5個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)，路線總長(zhǎng)為20.037 km。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)自然條件復(fù)雜，以山區(qū)公路為主，臨水臨崖、陡坡急彎等危險(xiǎn)路段較多，原道路的標(biāo)志、標(biāo)牌、警示樁、波形護(hù)欄和鋼筋混凝土護(hù)欄設(shè)置不完善，對(duì)于行車和行人造成很大的安全隱患。以雷山縣大朝路口至大朝公路為例，公路現(xiàn)狀如圖1所示；該段位于雷山縣西江鎮(zhèn)，路線起點(diǎn)位于大朝路口與村道C051貓鼻嶺至北建段平面交叉，終點(diǎn)止于大朝村，全長(zhǎng)1.593 km；路基寬度為4.5 m，路面寬度為3.5 m；路面類型為水泥混凝土路面，公路等級(jí)為等外級(jí)；該工程受益約1 200人。

項(xiàng)目既有波形護(hù)欄為舊規(guī)范B級(jí)波形梁護(hù)欄。該次設(shè)計(jì)考慮對(duì)破損部分進(jìn)行修復(fù)，長(zhǎng)度不足部分予以接長(zhǎng)。新增的C級(jí)護(hù)欄板采用310 mm×85 mm×2.5 mm等截面波形梁，波形梁板長(zhǎng)度一般為4 320 mm，C級(jí)護(hù)欄的立柱欄采用φ114×4.5 mm鋼管；護(hù)欄托架采用4.5 mm厚的鋼板焊接而成。波形梁板、立柱、托架等護(hù)欄鋼構(gòu)件均采用Q235鋼；該項(xiàng)目波形梁護(hù)欄采用的連接螺栓、拼接螺栓均為高強(qiáng)螺栓。一般路段波形護(hù)欄的設(shè)置在路基外側(cè)，采用打入式；臨崖、臨坎路段波形護(hù)欄設(shè)置在加固路肩或既有漿砌護(hù)肩、擋墻及路面上時(shí)，采用打入式，打入時(shí)應(yīng)采取措施避免對(duì)結(jié)構(gòu)造物的破壞；部分路段因原有擋墻或護(hù)肩為干砌片石，波形護(hù)欄采用打入式易損壞原有構(gòu)造，故可采用埋入式。

2 波形護(hù)欄安全性能仿真計(jì)算

2.1 波形梁板模型的建立

該文基于有限元軟件，建立C級(jí)波形護(hù)欄的數(shù)值模型，其波形梁板模型如圖2所示。

采用殼模型對(duì)波形梁板進(jìn)行網(wǎng)格劃分，設(shè)置為彈塑性本構(gòu)模型，波形梁板的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 護(hù)欄模型的建立

基于有限元軟件，建立由波形梁板、空心圓管立柱、托架三部分組成的護(hù)欄模型，如圖3所示。

模型中采用剛性接觸模擬，護(hù)欄的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

現(xiàn)有研究表明，車輛對(duì)護(hù)欄撞擊影響范圍最大為12跨。因此，設(shè)置護(hù)欄長(zhǎng)為72 m，單跨立柱間距為4 m，共18跨。護(hù)欄單跨模型如圖4所示。

該文設(shè)置立柱嵌入深度為200 mm，1.5 t小型客車以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護(hù)欄24 m位置處。

3 結(jié)果分析

車輛撞擊護(hù)欄開始計(jì)時(shí)，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形及車輛速度變化分別如圖5～6所示。

由圖5～6可知，車輛撞擊護(hù)欄后，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形先增大，后減?。卉囕v速度先呈下降趨勢(shì)。護(hù)欄最大變形為856.78 mm，發(fā)生在0.948 s處；此時(shí)車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。當(dāng)運(yùn)動(dòng)1.5 s后，護(hù)欄最大變形從856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護(hù)欄的彈性變形部分在逐漸恢復(fù)；此時(shí)速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

車輛撞擊護(hù)欄開始計(jì)時(shí)，組成護(hù)欄的三部分波形梁板、空心圓管立柱、托架在此過程中吸收的能量變化如圖7所示。

由圖7可知，三部分隨時(shí)間的增大，吸收的能量呈上升趨勢(shì)，先增大后保持穩(wěn)定，能量變化曲線斜率在逐漸減小。托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，說明護(hù)欄結(jié)構(gòu)共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護(hù)欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

在0.24 s之前，立柱能量曲線在托架能量曲線之下，可能與車輛位移還沒有完全到達(dá)立柱位置，之后立柱能量曲線均位于托架能量曲線之上。0.68 s時(shí)立柱能量曲線及波形梁板能量曲線相同，可能與護(hù)欄變形有關(guān)，如圖5所示，此時(shí)護(hù)欄處于位移下降或穩(wěn)定階段。

4 結(jié)論

該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護(hù)工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護(hù)欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護(hù)欄不利位置，研究撞擊過程中護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形、車輛速度、護(hù)欄三部分的能量變化規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

（1）以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護(hù)欄24 m位置處時(shí)，0.948 s時(shí)護(hù)欄最大變形為856.78 mm；此時(shí)車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。

（2）1.5 s時(shí)護(hù)欄從最大變形856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護(hù)欄的彈性變形部分在逐漸恢復(fù)；此時(shí)速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

（3）托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，

說明護(hù)欄結(jié)構(gòu)共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護(hù)欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

參考文獻(xiàn)

[1]陳方， 李武， 戢曉峰， 等. 基于梯度提升樹的公路基礎(chǔ)設(shè)施減貧效應(yīng)研究[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境， 2022（10）： 2146-2154.

[2]高海林. 農(nóng)村公路投資及對(duì)區(qū)域經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)效益的研究[J]. 農(nóng)業(yè)技術(shù)經(jīng)濟(jì)， 2022（8）： 145.

[3]楊清偉. 貴州普通干線公路波形梁護(hù)欄再利用技術(shù)研究[J]. 公路， 2022（2）： 211-215.

[4]趙永利， 柳天振. 剛性護(hù)欄及半剛性護(hù)欄與車輛碰撞的安全性模擬分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2012（2）： 369-373.

[5]閆書明. 波形梁護(hù)欄端頭事故仿真分析與解決方案[J]. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)， 2010（7）： 1789-1791+1795.

[6]潘兵宏， 趙一飛， 楊少偉， 等. 高速公路中間帶波形梁護(hù)欄高度[J]. 長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2008（1）： 51-54+76.

[7]張秀麗， 黃小清， 湯立群， 等. 靜載作用下具有縱向約束的波形護(hù)欄特性研究[J]. 華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2003（S1）： 113-115+118.

[8]何勇. 我國的護(hù)欄設(shè)計(jì)條件及波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)機(jī)理[J]. 公路交通科技， 1994（2）： 30-35.