公路波形梁护栏改造临界高度仿真研究

2020-11-18王维利荆迪菲宋灿灿

公路工程 2020年5期

王维利，荆迪菲，宋灿灿

(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司山地交通安全与应急保障技术交通运输行业研发中心，贵州贵阳 550018;2.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804)

0 引言

波形梁护栏是我国公路普遍使用的一种交通安全防护设施，其对事故车辆起到一定的防护作用。据统计，我国近1/3的道路交通事故发生时存在汽车碰撞护栏的情况[1]。熊小华[2]认为护栏能缓冲车辆碰撞时产生的巨大动能，其在公路路侧防护上的效用是其他防护工具无法比拟的。

现役公路随着使用年限增长及交通量增加，路面出现车辙及裂缝等病害，需要对路面进行加铺及罩面等防护工作以维持路面的使用性能[3-4]。对原有路面不断进行加铺会导致护栏高度降低，从而影响路侧护栏的防护性能。为了保障公路的安全运营环境，需要对高度不足的护栏进行改造，一是全部更换为新护栏，二是对原有护栏进行加高。因护栏加高具有优越的经济性，常常是针对原有护栏高度不足进行改造的首选方案。

富志鹏[5]从能量守恒角度出发，建立了汽车碰撞护栏模型，确定出适合的波形梁护栏高度值。崔洪军[6]采用车辆护栏碰撞仿真实验研究不同高度下护栏的防撞能力，发现低于规范标准高度要求一定值的试验组护栏的防撞性能，不足以满足规范最低要求。Sicking D.L.[7]采用仿真试验和实车足尺试验相结合的方式研究了护栏防护高度对车辆重心高度的适应性。李志锋[8]提出多种护栏加高方式并运用仿真试验对方案进行评价。郄彦辉[9]提出了高度可调节护栏的改造方案并加以验证。以上研究结果表明，护栏高度与护栏的安全性能密切相关。

现有国内外针对护栏高度的研究以仿真实验为主，并提出了护栏高度的建议值。但新护栏设置与路面加高导致护栏高度不足的情况存在显著差异，因此，本文采用HyperMesh和LS-DYNA联合仿真的方式，建立了汽车与护栏碰撞耦合有限元模型，运用有限元仿真分析方法对汽车与护栏碰撞的过程进行分析，确定因加铺罩面导致护栏防护能力不足的临界高度。

1 护栏碰撞仿真试验设计

1.1 护栏高度选择与有限元模型

根据《公路沥青路面养护技术规范》(JTJ 073.2-2001)[10]要求，公路宜采用40～50 mm的罩面高度。随着使用年限的增加及罩面等养护工作周期的缩短，加之路面罩面工序不合理等因素，多次罩面的路面高度可能增加200 mm。以标准高度波形梁护栏的碰撞试验作为对照组，以护栏高度每降低50 mm作为一个试验组，共计5个试验组。

护栏按照《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)[11]的要求，将SoildWorks建立的护栏CAD模型导入HyperMesh建立有限元模型，各组件有限元模型如图1所示，波形梁护栏结构参数如表1所示。

(a) 立柱

表1 B级波形梁护栏参数Table 1 The parameters of B-class W-beam guardrail波形梁板(板宽×波高×壁厚)/mm×mm×mm立柱(直径×壁厚)/mm×mm托架(架长×架宽×壁厚)/mm×mm310×85×3114×4.5300×70×4.5

随后采用1D面板下Rigids中的RgdBody单元类型以刚体约束法完成各部件螺栓孔位的约束，并进行模型清理、网格划分等操作建立二(B)级波形梁护栏的有限元模型。同时，设置材料和属性，将波形梁护栏的横梁两端全约束，通过约束地表以下400 mm的全部自由度模拟立柱与土基的相互作用，立柱间距设为2 000 mm，得到护栏整体有限元模型如图2所示，护栏材料参数如表2所示。

图2 护栏整体有限元模型Figure 2 Guardrail finite element model

1.2 实验车辆

结合《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[12]和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)[11]规定，分别用1.5 t皮卡车和10 t中型货车进行碰撞仿真试验。

1.5 t皮卡车选择HyperMesh软件实例库中的皮卡车作为试验车辆，整车尺寸为5 500 mm×2 000 mm×1 850 mm。10 t中型货车模型来源于美国国家碰撞分析中心(NCAC)，整车尺寸为8 550 mm×2 450 mm×3 320 mm，该车模型质量为10 t。模型均在车头及碰撞中接触位置部分进行细化并加密网格以提高碰撞试验结果的准确性,车辆有限元模型见图3。同时，车辆正碰试验的能量变化验证了车辆模型的有效性(如图4所示)。

表2 护栏的材料参数Table 2 The material parameters of guardrail名称密度/t·mm-3弹性模量E/MPa泊松比屈服应力/MPa剪切模量/MPaCowper-Symonds应变率参数C/s-1Cowper-Symonds应变率参数P数值7.89E-092.00E+050.3235100040.45

图3 车辆的有限元模型

图4 车辆正碰试验的能量变化

1.3 实验方案

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[12]，小型客车碰撞速度为60 km/h，货车碰撞速度为40 km/h，两种车型碰撞角度均为20°，试验方案如表3所示。

1.4 实验系统设置

轮胎与地面的摩擦系数设置为0.7，护栏和车体均设置自接触，自接触的静态摩擦系数和动态摩擦系数均设置为0.2。护栏和车体之间设置面对面自动接触，摩擦系数设置为0.15。汽车与护栏的碰撞耦合系统如图5所示，汽车碰撞护栏系统中用到的接触见表4。

表3 护栏高度试验方案Table 3 The test scheme of different height guardrails试验编号防护高度降低值/mm试验车型碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)A1X01.5 t皮卡车6020A1Y10 t货车4020A2X501.5 t皮卡车6020A2Y10 t货车4020A3X1001.5 t皮卡车6020A3Y10 t货车4020A4X1501.5 t皮卡车6020A4Y10 t货车4020A5X2001.5 t皮卡车6020A5Y10 t货车4020

图5 汽车与护栏的碰撞耦合系统

表4 碰撞系统的接触类型Table 4 Contact type of collision system接触构件名称接触类型护栏*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE汽车*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE汽车与护栏*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE

通过调节系统整体刚度和粘性的方式，将系统沙漏能控制在10%以下，时间步长均采用1e-6 s的时间步长。

2 车辆碰撞过程

2.1 皮卡车碰撞过程

速度为60 km/h的皮卡车与波形梁护栏以20°的角度进行碰撞。以标准高度护栏碰撞过程为例，0.006 s时，车辆开始接触护栏，见图6(a)；0.06 s时，护栏在碰撞下开始发生明显的变形，见图6(b)；0.08 s时，在护栏的作用力下车辆发生明显转向，见图6(c)；0.22 s时，车辆与护栏完全平行并开始向外转向离开护栏，见图6(d)；0.36 s时，在车辆后轮的横向作用下，护栏的横向变形达到最大，见图6(e);车辆以固定的角度驶离护栏直至0.49 s时，车辆完全离开波形梁护栏，见图6(f);0.5 s时仿真试验结束。

在标准高度护栏的碰撞过程中，车辆保险杠率先与护栏接触并在护栏横向力作用下转向，以一定的角度和速度驶离护栏，护栏具有良好的导向能力。但随着护栏高度的降低，车辆与护栏碰撞接触的位置逐渐下移;当护栏高度降低200 mm时，车辆与护栏碰撞接触的位置从保险杠转移至轮胎，车辆发生侧翻的风险增大，这是因为护栏对车辆的横向作用力点较低。通过对各试验组车辆运行状态观察得知，波形梁护栏降低150 mm是车辆不发生侧翻的临界值。

(a) T=0.006 s

2.2 货车碰撞过程

速度为40 km/h的货车与标准高度的波形梁护栏以20°的角度进行碰撞。0.005 s时，货车与护栏发生接触,见图7(a)；0.1 s时，货车前进方向发生变化，见图7(b)；0.3 s时，车厢左后轮离开地面，货车发生倾斜但未侧翻；0.5 s时，货车与护栏平行，见图7(c)；在1.04 s时，货车外倾角度达到最大，见图7(d)；1.4 s时，货车以固定角度驶离护栏直至仿真试验结束，见图7(e)。

(a) T=0.005 s

在此过程中，护栏发挥了良好的导向能力，车辆没有发生穿越或跨骑。护栏高度对货车的影响主要体现在接触位置，标准高度的护栏中线与货车的保险杠平齐。护栏高度降低使车辆与护栏碰撞接触的位置从保险杠逐步转移至轮胎。而货车车厢重心较高，碰撞过程中货车以右后轮为支点发生外倾。当护栏高度过低，货车外倾角大到一定程度时，货车就会发生侧翻。通过对各试验组车辆运行状态观察得知，波形梁护栏降低150 mm是车辆不发生侧翻的临界值。

3 仿真结果分析

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[11](以下简称《标准》)对护栏阻挡、缓冲和导向功能的规定，本文选取车辆重心加速度、车辆碰撞后驶出角度及护栏的横向最大动态变形量为分析评价护栏安全性能的指标，并对不同车辆的碰撞过程进行分析。

3.1 车辆重心加速度

与乘员相关的安全评价指标为乘员的加速度，《标准》采用乘员碰撞后的加速度评价公路护栏缓冲功能，当乘员碰撞后加速度小于200 m/s2时，表明护栏具备合格的导向功能。《标准》规定在没有设置假人的情况下，可以使用车辆的重心加速度作为参考指标。本文中，以车辆前进方向为X方向，车辆的侧面法向为Y方向。

a.皮卡车。

图8为皮卡车X方向、Y方向及合成加速度。除标准高度护栏外，护栏高度降低时X方向护栏加速度变化存在明显2阶段变化特性。第一阶段，X方向加速度峰值出现与消减过程，该过程持续约0.22 s，该过程主要是皮卡车碰撞护栏并离开的过程；第二阶段，皮卡车X方向加速度左右波动，该过程为皮卡车离开护栏左右摇摆至最终达到稳定的状态。对于标准高度的护栏，由于皮卡车尾部会撞击护栏，导致X方向加速度出现2处峰值。

Y方向加速度变化规律与X方向加速度变化规律基本相同，主要区别是Y方向加速度峰值出现的时间周期小于X方向。

从合成加速度的变化规律可知，随着护栏高度的降低，车辆的最大合成加速度出现了上升的变化趋势，但增大的幅度不明显。同时，无论何种护栏高度，车辆的重心加速度均小于200 m/s2，表明不同护栏高度条件下，模型均能满足《标准》对缓冲能力的要求。

(a) X方向的加速度

b.货车。

图9为货车X方向、Y方向及合成加速度。与皮卡车相比，货车各方向及合成加速度的值明显低于皮卡车，这主要与货车自身质量较大，同样的作用力施加之后，造成的加速度变化值较小有关。

货车X方向加速度变化呈现多峰值的变化规律，且护栏高度越高，峰值次数越多，这主要与车辆多次碰撞护栏有关。

货车Y方向加速度变化与X方向基本相同。对比皮卡车与货车发现，二者Y方向加速度差别较小，因此，合成加速度产生差异的主要原因是X方向的加速度。

(a) X方向的加速度

车辆重心合成加速度均小于200 m/s2，表明5种护栏模型均满足标准对缓冲能力的要求。

车辆重心加速度主要受皮卡车控制，当护栏高度降低200 mm时，车辆重心加速度可以满足《标准》的要求。

3.2 车辆驶出角度

《标准》规定车辆的驶出角度应小于碰撞角度的60%，即在20°的初始碰撞角度下，车辆的驶出角度应小于12°。LS-DYNA作为后处理器对各试验组分析后，车辆驶出角度与护栏下降高度的回归关系如图10所示。

图10 车辆驶出角度与护栏下降高度的关系Figure 10 The relationship between the exit angle of vehicle and guardrail height

皮卡车与货车的驶出角度与护栏高度的降低值呈明显线性关系。皮卡车的驶出角度均高于货车的驶出角度，这与皮卡车受到Y方向的加速度明显较高有关。根据回归公式，皮卡车与货车分别达到临界驶出角度时，对应的护栏高度降低值分别为150与200 mm，按照最不利原则，当护栏高度降低200 mm时，护栏的导向能力下降，需要进行加高设计。

3.3 护栏的最大动态变形量

根据《标准》对于护栏防撞性能的规定，当碰撞后护栏的最大动态变形量小于或等于1 000 mm时，表明护栏满足B级防护等级的需求。

a.皮卡车。

图11为皮卡车碰撞护栏后产生的最大动态变形量。汽车碰撞护栏过程中，标准护栏高度条件下，护栏最大动态变形量出现了2个波峰；而当护栏高度降低时，护栏最大动态变形量的波峰出现时间推后0.05 s，且第二个波峰已经不明显。造成波峰时间推后的主要原因是:随着护栏高度的降低，车辆与护栏的接触点由保险杠不断后移至车轮，导致车辆与护栏碰撞的时间后移。