波形梁护栏加高改造方案研究

2021-04-12荆迪菲康可心宋灿灿

公路工程 2021年1期

荆迪菲，康可心，宋灿灿

(1.同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，上海 201804； 2.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司, 贵州贵阳 550014)

公路罩面是路面维护改造的一种常规方式，具有对公路正常运营影响小且养护费用低的优点。而罩面会造成路面抬高，进而导致路侧护栏的防护高度不断下降，从而造成其防护性能无法满足我国现有规范[1-2]要求，极大地降低了公路行车的安全性。若重新布置护栏则存在施工难度大、经济投入高、维护周期长[3]等缺陷；因此，本着节约养护维修成本和对旧护栏合理利用以实现经济、环境可持续发展的原则，本文采用护栏加高再利用技术使改造后的护栏防撞性能满足我国现行规范[1-2]对护栏防撞等级的要求，以更好地保障公路行车安全及适应现行交通的需求。

目前，国内外对波形梁护栏加高改造方案的研究甚少。MARZOUGUI D[4]等采用仿真试验和实车足尺试验相结合的方式，发现防护高度降低会影响护栏对车辆的导向功能。李志锋[5]提出3种护栏加高方式并通过有限元的方式进行评价验证并得出一种较优方案。郄彦辉[6]提出了高度可调节护栏的改造方案并用采用仿真试验和实车碰撞试验相结合的方式验证了该改造方案的可行性，为旧有波形梁护栏改造提供了新思路。

以上结果表明，护栏加高改造方案的合理性与护栏的安全防护性能息息相关。现行规范[2]对波形梁护栏的立柱间距及埋深提出了更高的要求，早期修建的波形梁护栏已不满足现行规范的要求，因此，亟需根据现行规范对护栏进行加高设计。现有的内套管焊接加高法在实际操作中存在工厂批量化生产和焊接的质量可能导致加高件的强度和整体性达不到设计要求的弊端，而本文采用内套管节点加高法可将不同的改造高度集于同一内套管内，且设有两个相互垂直的工作面，在保证强度的同时保证了经济性。

实车碰撞试验是研究汽车碰撞护栏安全性能最直接、系统的方式，但考虑到时间、经济成本的问题，本文采用有限元分析的方式来模拟碰撞过程对护栏加高改造方案进行评价。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，模拟碰撞全过程并对车辆状态和护栏变形情况等碰撞测试指标进行分析，提出满足要求的护栏加高改造方案。

1 护栏加高方案

1.1 改造高度的确定

本文就波形梁护栏临界防护高度做了有限元仿真试验，在标准护栏高度基础上分别降低50、100、150和200 mm，使1.5 t皮卡车和10 t货车分别与护栏进行侧碰试验，通过分析车辆重心加速度和速度、车辆驶出角度、护栏最大动态变形量、车辆侧翻指标，发现当护栏高度低于标准护栏高度的150 mm时，两类车辆均发生侧翻事故，即波形梁护栏安全性能无法满足规范要求。公路经多次罩面后，路面将抬高至200 mm[8]。公路一次罩面厚度约为40～50 mm[7]，结合立柱的结构尺寸及螺栓孔位的选择，本文最终的设计加高改造高度为135、150和200 mm。

1.2 改造结构的设计

本文采用内套管节点加高法对原立柱进行加高并用连接螺栓来连接各组件。考虑到外套管在受到外力碰撞时易破坏的特性，将预留15 mm对外套管进行保护。图1是利用内套管节点加高法对立柱进行200 mm加高的护栏立柱结构横断面示意图。

图1 护栏加高改造方案

内套管是加高改造方案的核心部件，为了达到使其具备普适性及重复利用的目的，本文将3种改造高度集中于同一种内套管内，并根据不同高度需求在内套管上钻孔以方便螺栓的连接。为满足不同的加高需求，且考虑到碰撞过程中螺栓孔位处的应力集中将对强度产生影响，采用两个工作面以增大螺栓孔的间隔，保证其整体强度。如图2所示，内套管拥有两个相互垂直的安装工作面。第一工作面进行150 mm的加高改造，第二工作面进行135和200 mm的加高改造。

图2 内套管的孔位设计(单位： mm)

靠近端头A的孔位进行内套管和原立柱的固定，靠近端头B的孔位连接内套管、外套管和托架。内套管的三视图如图3所示。

此外，应加密现有波形梁护栏以满足规范对B级波形梁护栏的要求。在两根立柱中间增设一根立柱使立柱间距由4000mm缩短为符合规范的2000mm，新增设立柱的埋深为1400mm。

图3 内套管的三视图(单位：mm)

2 护栏改造仿真试验设计

2.1 护栏有限元模型

按照《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2017)[1]要求，运用SoildWorks 建立护栏的CAD模型并导入HyperMesh建立有限元模型，护栏各组件有限元模型如图4所示。

采用1D面板下rigids中的 RgdBody 单元类型以刚体约束法完成护栏各部件及加高所需的内套管和外套管螺栓孔位的约束。随后进行模型调整、网格划分并定义护栏材料及属性，对立柱400mm以下及两端进行全自由度约束。护栏共设置9跨，每跨2000mm，护栏全长共计18m，得到护栏整体有限元模型如图5所示，护栏材料参数如表1所示。

(a) 立柱

(a) 未加高

2.2 试验车辆

车辆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，如图6所示。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7所示。

表1 护栏的材料参数Table 1 The material parameters of guardrail密度RHO/(t·mm-3)弹性模量E/ MPa泊松比NU屈服应力SIGY/MPa7.89E-092.00E+050.3235剪切模量ETAN/MPaCowper-Symonds应变率参数C/(1·s-1)Cowper-Symonds应变率参数P1 00040.45

图6 车辆的有限元模型

图7 车辆正碰试验的能量变化

2.3 试验方案

根据上述加高改造设计方案和规范[1-2]关于B级波形梁护栏碰撞初始条件的规定，皮卡车碰撞速度为60km/h，货车碰撞速度为40km/h，两种车型碰撞角度均为20°，试验共设置1个对照组和3个试验组，汽车护栏碰撞的仿真试验方案如表2所示。

表2 试验方案Table 2 The test scheme试验编号加高高度/mm试验车型碰撞速度(km·h-1)碰撞角度/(°)属性 A1X01.5 t 皮卡车6020对照组 A1Y10 t 货车4020对照组 B1X1351.5 t 皮卡车6020试验组 B1Y10 t 货车4020试验组 B2X1501.5 t皮卡车6020试验组 B2Y10 t货车4020试验组 B3X2001.5 t 皮卡车6020试验组 B3Y10 t 货车4020试验组

3 车辆碰撞结果

3.1 皮卡车碰撞结果

对照组和试验组皮卡车的初始碰撞状态和与护栏的位置关系如图8所示。

(a)A1X

皮卡车以60 km/h的速度与波形梁护栏以20°的角度进行碰撞，各试验组的护栏经碰撞试验后，通过对各试验组车辆运行状态观察得知，车辆行驶姿态正常且未发生侧翻，护栏各组件未发生脱落或断裂，表明加高改造后的护栏的阻挡功能和导向功能满足规范[2]要求。

3.2 货车碰撞结果

货车以40 km/h的速度与标准高度的波形梁护栏以20°的角度进行碰撞，对照组和试验组货车的初始碰撞状态和与护栏的位置关系如图9所示。

(a)A1Y

各试验组的护栏经碰撞试验后，车辆行驶姿态正常，均没有发生侧翻且以合适的角度驶离护栏。护栏各组件未发生脱落或断裂,表明加高改造后的护栏的阻挡功能和导向功能满足规范[2]要求。

4 仿真结果分析

根据《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01-2013)[2](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和速度、车辆驶出角度、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，并采用LS-Prepost作为后处理器绘制各组车辆碰撞过程的安全性能指标变化图。

4.1 车辆重心加速度

乘员的加速度作为与乘员安全直接相关的指标被用来评价公路护栏的缓冲功能。《标准》规定，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》规定在未设置假人的情况下，可使用车辆的重心加速度作为参考指标。

a.皮卡车。

皮卡车的重心加速度如图10所示，各组车辆重心加速度变化趋势大致相同，均存在明显的2处峰值。第一处峰值出现在皮卡车碰撞护栏并离开时，持续约0.1 s；第二处峰值出现在皮卡车离开护栏并最终达到稳定状态时。

图10 皮卡车重心的加速度

从加速度的变化规律可知，随着护栏防护高度的增加，车辆最大加速度逐渐减小，表明对护栏进行加高改造不会降低护栏的缓冲能力。同时，各加高高度的车辆重心加速度均小于200 m/s2，表明所有加高方案均满足《标准》对缓冲能力的要求。

b.货车。

货车的重心加速度如图11所示，各组车辆中心加速度变化趋势大致相同。与皮卡车相比，货车加速度的值明显低于皮卡车，这是货车自重大导致的加速度变化值小的缘故。

从加速度变化规律可知，货车加速度变化呈现多峰值的变化规律，且随防护高度增加，峰值在降低，但峰值次数增加，这与车辆多次碰撞护栏有关。

图11 货车重心的加速度

车辆重心加速度均小于200 m/s2，表明各加高方案均满足《标准》对缓冲能力的要求。

图12所示为皮卡车和货车的最大加速度和护栏改造高度的回归关系，皮卡车和货车的车辆最大重心加速度和护栏改造高度呈明显的线性关系，且随护栏改造高度的增加，车辆重心最大加速度减小。且皮卡车的加速度均高于货车的加速度，这与皮卡车自重较轻有关。

图12 车辆最大加速度与护栏改造高度的关系

4.2 车辆重心速度

根据《标准》规定，乘员速度与乘员加速度同样作为与乘员安全性能直接相关的指标被用于评价护栏的缓冲性能。《标准》规定在未设置假人的情况下，可使用车辆的重心速度作为参考指标。

a. 皮卡车。

各组试验车辆重心速度随时间的变化如图13所示，各试验组的车辆重心速度变化趋势相同，且由上文对车辆重心加速度的分析知，3组试验组的车辆重心速度均比对照组的车辆重心速度下降得慢，车辆驶出护栏后的速度比对照组高4.2%。

图13 皮卡车重心速度

从速度的变化规律可知，随着护栏防护高度的增加，车辆速度变化减慢，车辆驶出护栏后的速度高于标准高度护栏下的车辆驶出速度。同时，各组车辆重心速度均小于等于12 m/s，表明所有加高方案均满足《标准》对缓冲能力的要求。

b. 货车。

各组试验车辆重心速度随时间的变化如图14所示，各组车辆重心速度变化趋势大致相同，车辆速度上下波动频繁是车身左右摇晃不断碰撞护栏的缘故。与皮卡车重心速度变化类似，货车重心速度仍呈下降趋势，且由于货车自重较大等因素，货车重心速度下降幅度小于皮卡车重心速度。

图14 货车重心的速度

车辆重心速度均小于12 m/s，表明各加高方案均满足《标准》对缓冲能力的要求。

4.3 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-Prepost作为后处理器对各组分析后，车辆驶出角度与护栏防护高度的回归关系如图15所示。

图15 车辆驶出角度与护栏防护高度的关系

皮卡车和货车的驶出角度与护栏防护高度均呈线性关系，皮卡车的驶出角度均高于货车的驶出角度。随着护栏防护高度的增加，车辆驶出角度不断减小，表明护栏的导向能力上升，加高方案发挥了作用。

4.4 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1000mm时，表明护栏满足B级防护等级的需求。

a.皮卡车。

各试验组护栏横向动态变形量随时间的变化如图16所示。汽车碰撞护栏的过程中，各组护栏最大动态变形量变化情况相同，均出现了2个波峰，且护栏最大横向动态变形值随护栏改造高度的增大而不断下降，这是内套管强化了护栏立柱强度的缘故。

图16 护栏横向动态变形量

根据变形数值可知，B1X组最大动态变形量最大，最大值为247 mm，远远小于《标准》中1000mm的允许值，表明各加高方案均能满足B级防护等级的要求。

b.货车。

各试验组护栏横向动态变形量随时间的变化如图17所示。与皮卡车碰撞护栏结果相比，货车碰撞护栏后最大动态变形量也呈现2个明显峰值，这是由于车头和车尾撞击护栏造成的，且车尾撞击护栏时产生的动态变形量明显高于车头。护栏的最大横向动态位移随着护栏加高改造高度的增加而减小，这表明加高改造后的护栏具有更高的强度和更稳定的防护性能。

图17 护栏横向动态变形量

车辆碰撞护栏造成的最大动态变形量的最大值仍小于《标准》规定的1000mm的允许值，能够满足B级防护等级的要求。且通过观察发现，碰撞过程中立柱根部最先发生屈服，加高改造部位没有发生损坏(图18)。这是因为立柱加高后碰撞时对立柱根部产生的力矩增加，拉应力增加，因此立柱根部率先吸收能量先发生屈服。

图18 立柱损坏情况

5 安全状况评价结果

各组加高护栏碰撞试验的仿真结果统计如表3所示。

表3 仿真试验结果Table 3 Reslut of simulation test评价指标加速度峰值车辆驶出速度/(m·s-1)车辆驶出角度/(°)护栏最大动态变形/mm 碰撞要求≤20.0g≤12.0≤12.0≤1 000A1X9.1g11.511.5260皮卡车B1X8.2g12.011.0248B2X7.8g12.010.5210B3X7.5g12.07.0176A1Y4.4g8.511.8720货车B1Y3.7g9.210.0121B2Y3.5g8.77.285B3Y3.2g8.75.370

根据《标准》对护栏性能的要求，结合仿真碰撞结果，护栏安全性能评价如下：

阻挡功能：碰撞过程中护栏的完整性与车辆被拦截的姿态体现了护栏的阻挡功能。碰撞过程中，护栏构件未发生脱落，护栏板未发生断裂，未发生护栏上的碰撞物侵入车辆乘员舱及阻挡驾驶员视线，护栏完整性好。碰撞过程中护栏对车辆进行了有效拦截，未发生车辆穿越、翻越和骑跨现象，车辆处于安全姿态。以上两点表明加高之后的护栏充分发挥了阻挡功能。

缓冲功能：车辆碰撞护栏过程中，司乘人员的碰撞速度与最大加速度体现了护栏的缓冲功能。护栏加高之后，司乘人员的碰撞速度均小于12 m/s，且碰撞过程中速度变化平稳。碰撞后司乘人员的最大加速度远小于200 m/s2。表明加高护栏发挥了良好的缓冲功能。

导向功能：车辆碰撞护栏后的驶出角度体现了护栏的导向功能。护栏加高后，车辆离开护栏时驶出角度均小于驶入角度的60%(20°×60%=12°)，碰撞结束后车辆未驶入相邻车道。表明加高护栏发挥了良好的导向功能。

吸能作用：护栏的最大横向位移体现了其吸能作用。加高护栏碰撞过程中，护栏横向最大位移均远小于1 000 m，表明护栏充分发挥了吸能作用。

以上结果表明该种加高改造护栏能有效阻挡车辆，具备良好的阻挡、缓冲、导向及吸能功能，其防撞性能满足《标准》对B级波形梁护栏的要求。