高速公路半刚性护栏设计及碰撞仿真研究

艾峰

[摘 要]文章结合工程实例，对重庆万州至湖北利川高速公路（重庆段）的半刚性护栏设计及碰撞仿真实验进行了总结和分析。

[关键词]高速公路；半刚性护栏；碰撞

中图分类号：U417.12 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）21-0203-01

0 引言

随着各种公路桥梁在我国的大量修建，防撞护栏的作用已经被人们充分认识，对护栏的系统研究也正在逐步展开。目前护栏研究的主要方法之一是实车足尺寸碰撞试验，这种方法能够真实反映碰撞过程与效果，但是代价大周期长，限制了这种方法的使用。近来年随着有限元仿真技术的不断发展，数值分析方法渐渐成为了碰撞分析的重要方法之一，通过数值分析能够方便的进行参数化设计和结构优化设计。本文的研究内容是“半刚性护栏的防撞性能评价与优化设计”，通过有限元分析方法对钢护栏的冲击动力响应特性进行研究，最终实现该半刚性护栏的防撞优化设计。本文严格按照施工图尺寸建立一段钢护栏有限元模型，并对结构尺寸做参数化设计，通过改变相关参数求得不同结构尺寸下的冲击动力效应特性，最终确定一个最优结构尺寸。

1 半刚性护栏模型

（一）半刚性护栏简介

本文的工程背景为重庆万州至湖北利川高速公路（重庆段）的龙驹特大桥，总长720米，主桥采用（116+220+116）米连续钢构，桥面设钢护栏，该钢护栏为前后两片加劲钢板和顶板构成封闭箱体，在箱内每隔2m设置一道横隔板，护栏下端与钢桥面板焊接，这种护栏是一种半刚性护栏。原设计截面主要尺寸为—迎撞面板厚度12mm，横隔板厚度12mm，顶板厚度12mm，背板厚度12mm，迎撞面板及背板加劲肋厚度8mm。

（二）半刚性护栏有限元模型的建立

本文采用LS-DYNA作为有限元分析软件建立有限元模型，采用3D动力学弹塑性壳体单元shell模拟钢板构件；因半刚性的钢护栏底面与钢箱梁顶面焊接，因此假定钢护栏底面约束为固结约束，箱体内每隔2m设置一道横隔板；将汽车模拟为冲击质量块，质量块尺寸参照模型轿车，长宽高分别为4920mm、1700mm、800mm。为了更好地模拟碰撞过程冲击质量块前后两端形状按轿车保险杠外形给出。冲击质量块单元采用六面体单元，单元类型为solid单元；有限元分析时采用面-面自动接触算法，通过定义part组，定义1个接触对，即冲击质量块与钢护栏加劲板，并定义各组的自动接触，考虑摩檫效应，滑动摩擦系数取为0.15；采用单点积分，用结构体积粘性值控制沙漏。

（三）材料参数

钢护栏采用双线性随动强化弹塑性模型，冲击质量块定义为无约束刚体。根据设计图纸，钢护栏材料为Q235C，材料参数分别为密度7.8t/m3，弹性模量为206Gpa，泊松比为0.27，屈服应力为235Mpa，强化模量258Gpa，冲击质量材料参数分别为密度7.8t/m3，弹性模量为155Gpa，泊松比为0.3。

（四）钢护栏系统有限元模型

为了保证分析的精确性，本小节选定了3个计算长度分别为：4m、6m、8m，采用原设计截面参数，分别建立了有限元模型，冲击质量块取为2.5t，撞击速度为40km/h，在垂直撞击条件下求得各自动力效应特性曲线。根据计算结果6m和8m差别很小，这说明8m钢护栏模型已经有足够精度来模拟钢护栏系统，因此以后的计算均采用8m半刚性钢护栏模型。

2 半刚性护栏汽车碰撞分析与结构优化

（一）碰撞计算与结果分析

汽车与防撞护栏的碰撞是极其复杂的事件，事故发生时汽车的速度通常很高，事故非常剧烈，从而导致材料和部件的严重失效及汽车改向。为了评价防撞护栏的防撞性能，参考最新《公路交通安全设施设计规范》，规范规定了不同的防撞等级，本文中的防撞护栏设计等级为SB级。根据规范规定本文使用了以下两个评价指标：

1. 汽车刚体质心加速度峰值aq—汽车刚体质心加速度峰值aq的大小和汽车所受的冲击力大小直接相关，也直接关系到车中乘客的安全，加速度峰值aq越大则冲击力越大。

2. 碰撞能量Qh—对于本文中的桥梁，防撞护栏设置在行车道边缘，护栏体系结构失效极有可能引起汽车冲出护栏，掉落到桥下行车道，引发严重的二次事故。

基于以上2个评价指标，并根据第二节的计算分析，取8m长防撞护栏建立有限元模型。撞击点选择在护栏两块横隔板中央面板的中点，分别算得汽车刚体质心加速度-时间曲线、护栏体系碰撞能量-时间曲线、护栏底面反力-时间曲线。

通过计算可以看出，护栏体系横向碰撞力主要由横隔板承受。以上的计算分析证明本文中研究的护栏体系为半刚性护栏，迎撞面板为主要耗能部件，横隔板与前后面板构成的组合结构相当于刚性柱，为横向撞击力的主要承力构件。

（二）钢护栏防撞性能结构优化

1. 首先以板件厚度t1、t4、t5为X轴，以汽车撞击加速度aq为Y轴，求得汽车撞击加速度峰值aq-板件厚度t变化曲线和护栏碰撞能量Q-板件厚度t变化曲线，计算过程中当某一个参数变化时其他参数保持为原设计数值。根据计算结果，迎撞面面板厚度t1、迎撞面面板加劲肋厚度t5对防撞护栏的撞击力和护栏底最大应变影响较大。厚度越大，撞击力Fc越大，最大应变越小。t3、t4厚度变化对结构撞击性能指标的影响不明显。

2. 抛开厚度因素，根据计算结果，横隔板间距对结构撞击性能的影响较大。横隔板间距越大，撞击力Fc越小，护栏底面约束点最大应变越大；横隔板间距越小，撞击力Fc越大，护栏底面约束点最大应变越小。当横隔板间距为1m时，护栏底面约束点最大应变为0.527×10-3<1×10-3，即护栏底面约束点撞击全程均处于弹性阶段；当横隔板间距为4m时，护栏底面约束点最大应变为4.92×10-3<10×10-3，即护栏底面约束点在撞击的某些时刻进入了塑性阶段，但还未达到破坏应变。

3. 通过本节的计算分析得出结论如下：横隔板间距越大则护栏越趋近于柔性护栏，横隔板间距越小则护栏越趋近于刚性护栏。对于本文中原设计的护栏（D=2m）可以归类于半刚性护栏，横隔板与前后面板的组合结构相当于刚性柱，变形较小；迎撞面板相当于柔性防阻块，变形较大，结构的横向撞击力主要由横隔板承受，背板对于护栏体系的防撞性能作用不大。基于以上结论，保持护栏体系为半刚性护栏的分类不变，对原护栏体系做如下优化：第一，保持横隔板间距2m不变，将横隔板厚度减少为8mm。第二，背板在横隔板左右200mm处厚度保持为8mm，其余区段均改为厚度为4mm左右的装饰性钢板，取消背板加劲肋。第三，面板厚度调整为8mm，面板加劲肋厚度调整为6mm。第四，顶板厚度调整为8mm。

（三）优化结果的数值验证

为了对比优化后结构与原设计结构的撞击特性，特建立了优化后的护栏模型，在相同的撞击条件下，求得汽车刚体加速度峰值aq= 184.0m/s，护栏体系撞击能量Qh=288.8KJ，原设计汽车刚体加速度峰值aq=182.0m/s，护栏体系撞击能量Qh=224 KJ，从该2项指标对比可以看出，优化后护栏体系的撞击性能和原设计结构差别非常小。在减少了大量的材料用量的情况下，结构的撞击动力学性能基本没有差别，上面章节中的结构优化是成功的。

3 结语

基于分析结果，确定了该类护栏体系为半刚性护栏，然后对护栏体系进行了结构优化，并对优化结果进行了数值验证，证实了优化结果的有效性，本文的分析过程和优化结果可作为类似护栏体系设计的一般性参考。