城市桥梁新型桥侧混凝土护栏的碰撞分析

闫 书 明

(北京中路安交通科技有限公司，北京，100071)

城市桥侧护栏是指设置于桥梁上的护栏，其目的是为了防止失控车辆越出桥外，具有使行驶车辆不能突破、下穿、翻越桥梁以及美化桥梁建筑的功能。我国城市道路桥侧护栏的相关设计标准尚在制定中，目前大多城市桥侧护栏均参考高速公路的相关规范进行设计[1]。由于城市道路与高速公路设计有着较大不同，其护栏结构与安全防护性也有较大变化，故需专门优化其安全防护性能。为此，本文以某城区高架桥为例，设计出一种城市桥梁新型桥侧混凝土护栏的最优结构，并采用有限元仿真与碰撞试验相结合的方法对其进行安全防护性能分析，以期为城市高架桥桥侧护栏的开发与评价提供依据。

1 碰撞条件与评价标准

1.1 碰撞条件

车型、车重、车速和碰撞角度分别为护栏碰撞条件的4大因素。根据相关规定，公路结构形式的护栏应分别采用小型车辆和大型车辆同时进行安全评价，小型车辆碰撞护栏主要评价车内乘员的安全性和碰撞后车辆运行轨迹，大型车辆碰撞护栏主要评价护栏防撞能力和碰撞后护栏最大动态变形量。其中大型车的防撞能量、车重、车速和碰撞角度的关系式为

(1)

式中：w为护栏的防撞能量，kJ；m为碰撞车辆的车重，kg；v为碰撞速度，m/s；α为碰撞角度，(°)。

通过式(1)计算，可得护栏的防撞能量，根据护栏防撞能量就可确定护栏的防撞等级[1-2]，因此确定合理的碰撞条件是开发与评价护栏的基础。

某城区高架桥为双向六车道，设计速度为60 km/h。根据规范规定，该高架桥的85%为防护目标，其桥侧护栏最高设计防撞等级为SB级，防撞能量为280 kJ[1]。但是依托工程向南跨越胶济铁路既有线和正建的客运专线，一旦事故车辆穿越桥侧护栏，不但有可能发生车辆砸伤桥下行人或车辆的恶性二次事故，还有可能发生砸坏铁路或火车的特大事故，因此有必要进一步提高桥侧护栏的防撞等级，以消除或降低该类事故的发生。

基于以上分析，取桥侧护栏的设计防撞等级为SS级，防撞能量为520kJ，该规范所规定为国内桥侧护栏的最高等级。表1为该等级护栏的碰撞条件[1-2]。

表1 碰撞条件

1.2 评价标准

根据国内外桥侧护栏的相关规范[2-4]，其安全评价标准如下：车辆碰撞过程中不发生骑跨、穿越、翻越护栏现象；碰撞过程中，护栏脱离组件及碎片不能侵入驾驶室内，阻挡驾驶员视线；车辆驶出角度应小于碰撞角度的60%，碰撞后不发生横转掉头等现象；小客车车体重心处最大冲击加速度不超过20g；桥侧护栏最大动态变形量不大于500 mm。

2 桥侧混凝土护栏

图1为某高架桥桥侧混凝土护栏结构示意图。由图1可看出，该结构与高速公路桥梁护栏有明显不同，需要对其安全性能进行分析和评价。

图1 某高架桥桥侧混凝土护栏结构示意图

3 安全防护性能评价

3.1 分析方法

高架桥桥侧护栏的研究开发主要有理论计算、碰撞试验和计算机仿真3种方法。相关高速公路护栏规范已给出护栏碰撞力计算公式，可对护栏强度进行初步验算，但护栏的安全防护性能不仅包括护栏的强度指标，还包括动态变形、车辆姿态、乘员风险等多种指标，显然基于理论计算进行护栏安全防护性能评价是不完善的。碰撞试验通过在专用场地1∶1建立试验护栏模拟段，采用具有一定代表性的主流车型进行碰撞分析，虽具有可靠客观的优点，但也存在试验费用高且周期长的缺点。计算机仿真方法在护栏开发领域的应用日趋成熟，但其可靠性需要通过碰撞试验数据进行检验[5-10]。

某组合式护栏通过碰撞试验验证对小客车形成良好防护，其混凝土墙体坡面与桥侧混凝土护栏相同，由此建立小客车碰撞的组合式护栏和桥侧护栏模型，一是验证仿真模型的可靠性，二是对桥侧护栏的小客车碰撞安全指标进行评价，三是对混凝土坡面对小客车冲击加速度的影响进行分析。某景观混凝土护栏通过碰撞试验，验证能够有效防护SS级520 kJ的碰撞能量，由此建立大客车碰撞的混凝土护栏和桥侧护栏模型，一是验证仿真模型的可靠性，二是对桥侧护栏的大客车碰撞安全指标进行评价，三是对混凝土墙体强度对大客车防护能力的贡献进行分析。

3.2 碰撞模型

3.2.1 车辆模型

按车辆实际尺寸建立车辆模型。由于车身结构主要是薄壁金属件，单元类型以擅长大变形的四边形单点积分壳单元为主。为获得良好单元，控制四边形单元翘屈度小于15°，长宽比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，三角形单元的数量在5%以内，碰撞区域最小特征长度控制在5 mm左右。车身各部分主要采用点焊连接，车门和车体通过铰接点单元连接。通过试验获得车辆的材料属性，采用Cowper-Symons模型来考虑材料的应变率效应。轮胎胎压通过试验测定，小型车轮胎胎压取0.3 MPa，大型车胎胎压取0.8 MPa。采用基于惩罚函数法的Automatic_Single_Surface接触类型解决边界非线性问题[8]。 图2为利用HYPERMESH软件建立的车辆模型。

(a) 小客车试验模型 (b) 小客车有限元模型

(c) 大客车试验模型 (d) 大客车有限元模型

图2车辆模型

Fig.2Vehiclemodels

3.2.2 护栏模型

组合式护栏上部为半刚性护栏，下部为刚性护栏，采用四边形壳单元和六面体进行模拟。混凝土护栏为刚性护栏，采用六面体进行模拟。护栏材料属性通过试验获得，通过Cowper-Symons模型考虑材料应变率效应[8]。图3为利用HYPERMESH软件建立的护栏模型。

(a)组合式护栏试验模型 (b)组合式护栏有限元模型

(c) 景观护栏试验模型 (d) 景观护栏有限元模型

(e)桥侧混凝土护栏有限元模型

3.3 碰撞分析

3.3.1 小客车碰撞分析

根据表1提供的碰撞条件，对桥侧混凝土护栏和组合式护栏进行小客车碰撞分析。图4为小客车碰撞护栏轨迹图。由图4可看出，通过分别截取t=0 s、t=0.1 s、t=0.2 s、t=0.3 s时刻车辆碰撞两种护栏的仿真图像，可得小客车碰撞护栏轨迹，然后与实车试验结果进行对比。通过对比发现，车辆碰撞组合式护栏行驶轨迹仿真结果与试验结果相符合，驶出角度仿真结果为7°，试验结果为6.6°，从车辆行驶轨迹和驶出角度方面验证了仿真模型的准确性。车辆碰撞桥侧护栏轨迹图与组合式护栏一致，碰撞后车辆安全驶离护栏，没有发生穿越、翻越、骑跨和下穿护栏的现象，碰撞后小客车能够恢复到正常行驶姿态，车辆驶出角度为7°，从而满足车辆的评价标准。

(a)组合式护栏碰撞试验

(b) 组合式护栏碰撞仿真

(c) 桥侧混凝土护栏碰撞仿真

图5为采用有限元仿真方法进行桥侧混凝土护栏和组合式护栏仿真试验后得到的车辆变形图。通过与实车试验对比发现，车辆碰撞侧前端变形明显，其他部位没有明显变形，碰撞组合式护栏仿真结果与试验结果相符合，且验证了仿真模型的可靠性。

(a) 试验车辆 (b) 仿真车辆

图5小客车碰撞后变形图

Fig.5Deformationofcaraftercollision

图6为仿真试验分别测得的小车碰撞桥侧混凝土护栏和组合式护栏的重心加速度曲线与实车试验加速度传感器测得的重心加速度曲线对比结果。由实车试验对比结果可知，由于碰撞过程的高度非线性，车辆碰撞组合式护栏冲击加速度仿真结果与试验结果线性相关尚未符合，但基本一致，冲击加速度最大值试验结果为17.8g，冲击加速度仿真结果为17.4g，误差为1.7%。小客车碰撞桥侧混凝土护栏冲击加速度曲线与碰撞组合式护栏冲击加速度曲线仿真结果完全一致，冲击加速度最大值为17.4g。

图6 小客车加速度仿真和实测曲线对比

由以上分析可知，小客车碰撞护栏仿真结果和试验结果相符合，且验证了仿真模型的可靠性；小客车碰撞桥侧混凝土护栏的各项指标均满足评价标准；小客车碰撞组合式护栏与桥梁护栏的各项指标均一致，表明混凝土坡面是影响小客车安全性能的最关键因素。

3.3.2 大客车碰撞分析

根据表1提供的碰撞条件，对桥侧混凝土护栏和景观护栏进行大客车碰撞分析。图7为大客车碰撞护栏轨迹图，采用有限元仿真方法进行桥侧混凝土护栏和组合式护栏仿真试验，通过截取与小客车相同时刻车辆碰撞两种护栏的仿真图像，得到大客车碰撞护栏的行驶轨迹过程。由图7可看出，车辆碰撞景观护栏行驶轨迹仿真结果与试验结果一致，驶出角度仿真结果为1.7°，试验结果为2.9°，从车辆行驶轨迹和驶出角度方面验证了仿真模型准确性；车辆碰撞桥侧护栏轨迹图与景观护栏一致，碰撞后车辆安全驶离护栏，没发生穿越、翻越、骑跨和下穿护栏现象，碰撞后大客车能够恢复到正常行驶姿态，车辆驶出角度为1.7°，从而满足车辆的评价标准。

(a) 景观护栏碰撞试验

(b) 景观护栏碰撞仿真结果

(c) 桥侧混凝土护栏碰撞仿真结果

图8为大客车碰撞后车辆变形图。由图8可看出，大客车碰撞车侧变形明显，其他部位没有明显变形，碰撞景观护栏仿真结果与试验结果相一致，从大客车变形角度验证了仿真模型的可靠性。大客车碰撞桥侧混凝土护栏与碰撞景观护栏车辆变形完全相同。景观护栏最大动态变形试验结果和仿真结果、桥侧混凝土护栏最大动态变形仿真结果均小于100 mm，从而满足车辆评价标准。

(a) 试验车辆 (b) 仿真车辆

图8大客车碰撞后变形图

Fig.8Deformationofbusaftercollision

由以上分析可知，大客车碰撞护栏仿真结果与试验车辆结果相符合，且验证了仿真模型的可靠性；大客车碰撞桥侧混凝土护栏的各项指标均满足车辆评价标准；大客车碰撞景观护栏与桥侧混凝土护栏的各项指标均一致，表明混凝土强度是影响大客车安全性能的最关键因素。

4 依托工程

某高架桥工程的起点位于零点立交，终点与互通立交北侧高架桥直接连接，主线跨越某城区，全长9.5 km，全部为高架桥梁，桥面宽25 m，双向六车道，主线设计速度为60 km/h，如图9所示。

(a) 配筋 (b) 护栏

图9工程护栏

Fig.9Barrierview

5 结论

(1)新型桥侧混凝土护栏结构能够有效防护车辆，碰撞后小客车能够恢复到正常行驶姿态，车辆驶出角度为7°，小客车碰撞桥侧混凝土护栏冲击加速度最大值为17.4g。大客车碰撞桥侧混凝土护栏与碰撞景观护栏车辆变形完全相同。景观护栏最大动态变形试验结果和仿真结果、桥侧混凝土护栏最大动态变形仿真结果均小于100 mm，大客车碰撞后驶出角度为1.7°，大客车碰撞后护栏最大动态变形小于100 mm。

(2)混凝土坡面是影响小客车缓冲保护性能的主要因素，混凝土墙体强度是影响大客车防撞性能的主要因素。

(3)新型桥侧混凝土护栏的各项指标均满足车辆的评价标准，其防撞等级达到SS级，且成功应用于依托工程。

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