浅谈道路桥梁钢护栏的防撞性能

潘珂

引言

在经济快速发展的推动下，国内的道路桥梁事业也在快速前进。众所周知，在道路桥梁工程中，护栏部件是必不可少的，可以有效降低车辆碰撞道路桥梁时的损失。梁柱式钢护栏具有很好的防护性能，当车辆碰撞到道路桥梁时可以产生一定的弯曲变形和张拉力，使得车辆受到的碰撞作用力有效减小，因此广泛应用于道路桥梁建设事业。我们采用有限元分析方法，通过有限元模拟的方式确定车辆碰撞力，研究道路桥梁工程钢护栏结构的防撞性能，这对于道路桥梁建设事业具有至关重要的意义。

1 道路桥梁护栏防撞性能研究方法

（1）实车碰撞试验的护栏防撞性能研究虽然精确性较高，但是实车碰撞试验需要很高的费用，车辆碰撞道路桥梁的过程较为复杂，容易受车辆的车速、碰撞角度等因素的影响，需要进行多次的实车碰撞试验才能对车辆与道路桥梁的碰撞过程进行全面的研究，在现实研究中往往容易受经济条件的限制而难以进行，使用性不高。

（2）缩尺模型试验是将具有一定比例的车辆模型用于碰撞试验，是一种试验费用低且过程容易控制的试验方法，在实验室内进行可以实现车辆对护栏的冲击特性、撞击刚度等参数有效研究，但是在此研究方法中车辆模型的动力系统相似性问题难以解决。

（3）数值模拟是一种通过建立相关的数学模型而实现护栏碰撞性能研究的方法，与前两者相比，这是一种比较实用的护栏防撞性能研究方法，尤其是近些年来，计算机技术的飞速发展，给数值模拟提供了技术支持。利用模拟仿真可以改变实验条件而进行多次重复的模拟实验，能够取得很好的研究结果。目前的数值模拟常用的有限元分析程序主要有一下几种：ABAQUS；MADYMO；PAM-CRASH；LS-DYDA 等，在本文中，我们采用ABAQUS。

2 建立有限元分析模型

2.1 建立护栏体系模型

参考浙江省九堡大桥护栏结构的施工图建立有限元分析模型，护栏体系的正面尺寸及立面尺寸分别见图1（a）和（b），结构成分主要有护栏横梁、钢立柱、钢立柱混凝土底板。

图1 护栏体系的正面及立面尺寸图

（1）护栏横梁模型。建立模型时可将护栏横梁作为均质连续圆管，按照横梁截面中心尺寸（φ为117.25mm）建模，用横梁护栏壳单元（厚7.5mm）模拟，布置三根护栏横梁（横梁间距350mm）。在护栏横梁圆周上以映射网格的方式划分16个单元，横梁长度方向均匀划分。为精确计算车辆碰撞道路桥梁的动力特性，在划分中间跨护栏网格时应较密，以25mm间距较为适宜，两段跨护栏网格间距可适当加大。

（2）立柱模型。将立柱U型槽钢看作上下大小一样、尺寸均为150mm的结构，立柱竖板尺寸930×200×7mm，将槽钢和竖板以壳单元（尺寸为7mm）模拟。立柱底板尺寸240×200×20mm，以实体单元形式模拟，网格间距25mm。立柱结构以映射网格的形式划分，网格尺寸25mm。最后使用merge指令将立柱和底板结构相连接，建立立柱的有限元模型。

（3）防阻块模型。防阻块尺寸为250×100×10mm，以壳单元（厚10mm）的形式模拟，以映射网格的形式划分防阻块，网格间距25mm，在本文中将防阻块划分为3个单元。

（4）立柱混凝土基座模型。立柱系统的建模使用实体单元的形式，基座尺寸500×200mm，截面为一个梯形和矩形，梯形斜边坡度1：1。把节点以六面体单元形式划分，中间处网格应较两端处网格密一些。

在护栏体系中，横梁与防阻块、立柱与立柱混凝土底座均以焊接形式连接，因此在建立模型中可分别将横梁模型与防阻块模型、立柱模型与立柱底座模型使用tie命令相连，使其具有相同的6个自由度；防阻块与立柱以高强锚栓的形式相连，可将防阻块模型与立柱模型的单元节点采用tie命令相连，保证两者连接处自由度变形协调。将护栏横梁模型、钢立柱模型、防阻块模型和立柱混凝土底座模型组合，得到道路桥梁工程护栏结构的有限元模型图，见图2。

图2 护栏系统有限元模型图

护栏体系使用Q345C的结构钢材，使用混凝土规格为C50，护栏体系的主要材料参数为：弹性模量2.05×105MPa；密度7.85×106g/m3；泊松比0.3。采用线弹性本构关系计算。

2.2 建立汽车模型

建立完整的汽车有限元模型需要做巨大的工作量，为了在满足试验要求的前提下尽量减少建模的时间和计算的工作量，我们可以对汽车模型进行必要的简化。建立汽车模型需要考虑汽车主要的变形部件，如保险杆、车头、车轮组件等，在碰撞过程中受力较大，对于诸如发动机、变速器等受力较小的部件可进行合理的简化。我们建立中小型集装箱汽车有限元模型，汽车满载150kN，汽车尺寸5500×2400×3300mm。采用壳单元模拟车辆的保险杠和车头，保险杠和车头的壳单元厚分别为6mm和4mm，进行网格划分时均为护栏侧网格较密，转折处网格细化，四周网格逐渐变大。车轮组件、集装箱和车架均采用实体单元的形式模拟，车轮组件采用映射网格划分；集装箱采用自由网格划分，尾部进行合理细化；车架采用自由网格划分。建立的汽车模型以及护栏-汽车的耦合模型图如图3所示。

图3 护栏-汽车的耦合有限元模型图

2.3 确定车辆碰撞力

进行有限元分析之前应确定车辆碰撞荷载，参照相关规范得出计算护栏碰撞力公式为：

在上述公式中ν、θ分别为车辆碰撞速度和碰撞角度，b、C、Z分别为车辆宽度、重心距前保险杠的距离以及护栏横向变形。九堡大桥设计速度22.2m/s，以此作为碰撞速度，取轿车质量1.4×106g。相关规范规定道路桥梁金属制护栏Z取值范围应为0.3～0.6m，本文取最小值0.3m。根据公式（1）计算在22.2m/s碰撞速度型不同碰撞角度工况时的碰撞力，如表1所示。

表1 22.2m/s速度下不同碰撞角度的碰撞力

3 有限元分析结果

在本文中，我们主要分析汽车模型以22.2m/s的碰撞速度在不同碰撞角度条件下碰撞护栏中部引起的护栏体系的变形情况。我们根据以20°碰撞角度撞击钢护栏的Mises应力云图发现，护栏横梁的受力和变形主要集中在中间段横梁部位，护栏横梁跨中具有比较大的应力。

图4 20°碰撞角度下护栏Mises应力云图

碰撞速度相同时，碰撞角度下的碰撞情况引起的护栏横向位移也有较大的差别，本文中以护栏的中间横梁段作为对象研究护栏在不同碰撞角度下的横向位移情况，以中跨以及相邻跨部分为连续路径画出t=0.35s时各工况沿路径的位移曲线图，如图5所示。我们分析图得知，护栏中间段横梁横向位移与碰撞角度具有一定的关系，碰撞角度越大则横梁横向位移越大。

图5 各工况沿路径的位移曲线

不同碰撞角度下立柱和支托的最大应力与碰撞角度有近似正比的关系，碰撞角度越大，则最大应力越大，其中支托与立柱相比，前者的最大应力比后者的大。按照Q345结构钢3.45×108Pa的初始屈服应力计算，当角度在20°时支托部件就已经进入了塑性阶段，而当角度为45°时立柱才开始进入塑性阶段。

4 结语

通过对车辆碰撞道路桥梁的有限元模拟分析，得出以下结论：①护栏体系在碰撞过程中主要的受力部位为横梁跨中截面、支托弧形转弯处以及立柱与支托接触部分，这些部位最先遭受损坏，因此在道路桥梁工程中应注意护栏体系上述部位的设计；②车辆与道路桥梁的碰撞角度是影响护栏碰撞的一个重要因素，在碰撞速度保持不变的情况下，行车方向与护栏的夹角越大，护栏所受车辆撞击产生的应力和位移越大。