工字型钢护栏碰撞安全性能仿真研究

熊 刚， 周方圆， 周乐木

(1. 华中科技大学 土木与水利工程学院， 湖北 武汉 430074；2. 湖北省路桥集团有限公司， 湖北 武汉 430056)

防阻块通常应用于波形梁护栏上，作为半刚性护栏上横梁与立柱之间传力、耗能部件，当前公路波形梁护栏多为路基护栏[1]。有试验研究表明，波形梁护栏防阻块在撞击过程中吸收的能量约为护栏吸收总能量的15%～25%[2]。结构合理的防阻块可以有效降低或避免汽车撞击护栏时产生的不良影响，提高护栏的缓冲性能，分散撞击力并降低护栏对车辆前轮的阻挡力[3]。徐挺等[4]提出了多网格防阻块护栏系统，相较于传统波形护栏，该新型护栏系统吸收能力强，安全性能高；吴中等[5]提出将六边形防阻块改进为十边形，研究结果表明使用改进后防阻块可以减小立柱对车辆前轮的绊阻效应，增强了整体护栏结构的耗能导向作用；赵庆云等[6]依托护栏提升改造工程将防阻块应用到桥梁组合式护栏中，并达到了预期效果。

当前在我国新建或已建桥梁的梁柱式护栏上少见防阻块的使用，因此本文提出了一种可以应用于桥梁护栏中的防阻块，以提高桥梁护栏的安全性能。本文使用LS-DYNA对四种不同壁厚的防阻块护栏体系进行碰撞仿真，依据公路桥梁护栏安全性能评价标准，从车辆运动轨迹、护栏拦截能力与乘员安全性能3个方面考察防阻块对桥梁护栏系统安全性能的作用。

1 有限元模型

1.1 护栏模型

桥梁护栏通常采用半刚性梁柱式护栏，本文护栏结构由工字型钢立柱、防阻块、横梁构成，各部件间采用螺栓连接，护栏示意如图1。

图1 防阻块护栏体系示意/mm

本文所研究护栏为梁柱式护栏，采用H型立柱，矩形管横梁，等级为六(SS)级。文中护栏3部分均采用Q235钢材，其材料密度为7850 kg/m3，杨氏模量为210 GPa，屈服强度为235 MPa，泊松比为0.3，Q235钢本构关系如图2。用于仿真模拟的护栏长度为39 m，立柱中心间距1.5 m，立柱截面为190 mm×190 mm×8 mm的工字钢(腹板、翼缘板壁厚一致)，横梁为160 mm×120 mm×6 mm的方钢管；根据以往工程经验，金属梁柱式护栏各部件连接所使用的高强螺栓在护栏受到较大碰撞力时失效概率极低[7]，为简化计算，本文用关键字ConNode(spider)来模拟护栏的螺栓连接，其元素设为刚性，预留螺栓孔径为20 mm。假定立柱底部的连接件强度足够，对立柱底部施加固定约束。立柱与横梁有限元模型网格均采用壳单元。

图2 Q235应力 - 应变曲线

出于提高护栏缓冲性能的目的，本文提出将护栏连接件形式更换为O形防阻块，并将使用4，6，8，10 mm 4种壁厚防阻块的护栏体系与基础体系进行对照。防阻块为O形，采用Q235钢材，在有限元模型中采用MAT24分段线性塑性材料，相关参数为：竖向板长为120 mm，宽度为100 mm，两端半圆外径为30 mm，故防阻块厚度为30 mm。防阻块护栏体系各壁厚组合见表1。防阻块有限元模型网格采用壳单元，具体形式见图3。

表1 防阻块与护栏壁厚组合

图3 防阻块模型/mm

1.2 车辆模型

试验车辆模型选用美国国家碰撞中心(NCAC)的厢式货车Ford F800，该模型整车重8.037 t，共计36568个单元，38973个节点，车辆几何尺寸为：长8580 mm，宽2440 mm，高3320 mm，各部件之间采用单面接触。车辆有限元模型如图4所示。

图4 Ford F800有限元模型

为验证车辆模型准确性，对车辆进行时速50 km/h，总时间150 ms的正碰仿真试验。经计算可得，碰撞后沙漏能占总能量的1.42%，碰撞后模型所增加质量为原车质量的1.46%，均小于规定值5%[8]。

1.3 车辆与护栏耦合模型

碰撞角度、碰撞速度与车辆质量为车辆与护栏碰撞的3个初始条件。公路护栏安全性能评价标准[9]要求护栏标准段碰撞点应位于沿车辆行驶方向距护栏起点1/3长度处，故本文碰撞点选取为第9跨中[10]，距护栏起点13 m处；根据评价标准的规定，碰撞角度定为20°；由于本车型为箱式货车，根据评价标准确定碰撞速度为80 km/h，x方向为行车方向，计算时间为1.2 s[11]。

在模拟碰撞过程中，需要设置合适的接触类型。护栏整体与碰撞车辆均采用关键字AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE设置独立的单面接触，设置动、静摩擦系数分别为0.1，0.2；车身碰撞面与护栏横梁采用关键字AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE设置双面接触，轮胎与横梁采用关键字NODES_TO_SURFACE设置点面接触，动摩擦系数为0.3，静摩擦系数为0.5；本文使用刚性地面，车轮与地面设置刚性墙接触RIGIDWALL_PLANAR，摩擦系数为0.9。在驾驶舱与货箱内布置传感器，传感器为刚体，故刚体与非刚体之间的连接采用CONSTRAINED_EXTRA_NODES。

2 汽车 - 护栏耦合模型

从模拟结构的动画可以将车辆与防阻块护栏体系碰撞过程大致分为3个阶段：车头与护栏接触转向阶段(0～0.15 s)；货箱摆尾撞击护栏阶段(0.15～0.55 s)；车辆脱离护栏行驶阶段(0.55～1.2 s)。本节中，笔者将从车辆运动轨迹、护栏拦截能力、乘员安全性能(即乘员位置节点的相对碰撞速度与碰撞后加速度)3个方面来考察护栏的安全性能。

2.1 护栏导向功能

车辆运动轨迹的分析主要观察撞击车辆的行驶状态和速度变化情况。护栏使用防阻块后，横梁与立柱间的硬接触被调节为弱接触，防阻块通过自身的变形与回弹增大横梁的耗能，减小立柱的端部位移，即防阻块起到类似弹簧作用。图5为车辆速度曲线，分析图5可知，当防阻块壁厚为4，10 mm时，护栏对车速影响比基础体系大，且防阻块壁厚为10 mm时，在0.9 s附近可能发生二次碰撞。当防阻块壁厚为4 mm时，由于钢材过薄，碰撞瞬间被压瘪，并未起到缓冲作用。同样，当防阻块壁厚为10 mm时，变形距离仅剩10 mm，变形能力过弱，也未起到足够的缓冲作用。当防阻块壁厚为6，8 mm时，速度曲线在0.4 s以后趋于水平，驶出速度保持在16 m/s以上，护栏对车速影响比基础体系小且无再次降低的趋势，可以判断出车辆未发生二次碰撞。速度降低越快，乘员所受到的加速度越大，这对乘车人员是不利的。当护栏结构体系使用防阻块壁厚为6～10 mm时，防阻块壁厚增加，驶出速度随之降低，且随着壁厚逐渐增加，速度降低幅度更大；当防阻块壁厚过薄或过厚时，缓冲效果均弱于基础护栏体系。

图5 车辆速度曲线

以6 mm厚防阻块护栏体系为例分析车辆的运动状态。观察图6车辆碰撞过程可知，在0.01 s附近，车头与护栏接触；货箱在0.15 s时开始与横梁接触；0.25 s时刻，车头开始驶离护栏；0.35 s时刻，货箱侧面完全与横梁接触，直到0.45 s整车脱离护栏，与橡胶垫护栏体系车辆开始脱离护栏时间接近；车辆自0.55 s完全脱离护栏后一直保持正常行驶状态。整个过程护栏导向能力良好，护栏整体结构未出现失效情况，未发生二次碰撞，通过分析行驶状态可以判断出本文所提出的防阻块护栏体系的导向能力良好。

图6 车辆碰撞过程

2.2 护栏阻挡功能

本文将从2个方面对护栏的拦截能力进行分析：一个是护栏整体与防阻块的耗能能力，即碰撞过程中由各部件塑性变形所增加的内能；另一个是护栏碰撞后形态，即考察整个碰撞过程中护栏的完整性，是否变形过大，结构有失效的风险，主要控制指标为立柱顶部最大动态位移值。

2.2.1 护栏耗能

护栏耗能主要由横梁承担，立柱与防阻块仅耗散部分能量。防阻块主要通过其压缩后塑性变形来耗能，由于构件自身尺寸限制，单体耗能能力不足，故本文主要考查其加入护栏后的整体耗能效果。

图7，8分别为护栏能量曲线、护栏能量峰值。由图7a可知，当连接件更换为防阻块之后，对护栏的耗能能力有较大增加，最大增加至原有的4倍之多。由图7b～7d与图8可知，护栏耗能主要由横梁承担，防阻块其次，立柱耗散能量最少；由图7a，7c,7d可知，在碰撞过程初期，防阻块护栏体系就通过横梁与防阻块变形吸收了大量能量(约200 kJ)，基本上呈现直线上升的趋势；随后进入缓慢增长阶段，增长至0.4 s时，同基础护栏体系保持一致，进入平台段。当防阻块壁厚为10 mm时，在1.0 s后出现了小幅增长，同基础体系一样，可以判断出车辆发生了二次碰撞。观察4,6,8 mm防阻块，自进入平台段以后，能量曲线均保持水平，可以判断出1.2 s内未发生二次碰撞。

图7 护栏能量曲线

由图7d可知，6,8 mm防阻块耗能最终峰值接近；在0.4 s以后，各壁厚防阻块逐渐达到峰值，进入平台段。结合图7d与图8可知，当防阻块壁厚增加时，其变形能力减弱，从而导致其耗能能力降低；且使用防阻块能明显提升横梁的耗能能力，当防阻块壁厚低于10 mm时，横梁耗能能力与防阻块壁厚呈负相关。增加防阻块壁厚不能确保护栏耗能增加，且对车辆速度的降低幅度更大，不利于后车的行驶。

图8 护栏能量峰值

2.2.2 护栏碰撞后变形分析

使用防阻块后，立柱位移最大处与基础护栏体系保持一致，未出现转移，仍在第10根立柱顶部，故取第10根立柱顶部最大位移点的动态位移值进行分析。由上文可知，横梁作为耗能主体，此处同时分析横梁位移，如图9，10。

观察图9可知，使用防阻块后立柱的变形趋势和基础体系一样，均是在0.2 s附近出现第一次峰值，0.4 s附近出现第二次峰值；当防阻块壁厚为6,8 mm时，两者的立柱位移峰值和最终位移值相近，比基础体系降低约5 mm。结合图7b，9a可知，当防阻块壁厚为6，8 mm时，新护栏立柱吸收能量与原结构相当，但第10根立柱顶部位移降低，这说明使用防阻块后更多立柱参与了耗能。结合图9a，10可知，使用合适壁厚的防阻块，可以有效降低护栏立柱的位移峰值与最终变形值。由图10可知，当防阻块壁厚为6～10 mm时，横梁变形峰值增加，但最终变形值与结构体系相差不大，差值最大约12 mm；若防阻块壁厚为6，8 mm，则横梁变形峰值、最终变形值与原结构几乎一致，差值在3 mm内。而当防阻块壁厚为4 mm时，壁厚过薄导致防阻块未能起到预期缓冲效果，反而增加了护栏的整体变形。

图9 护栏位移曲线

图10 立柱、横梁位移峰值

碰撞时，卡车首先接触护栏底部横梁，碰撞进入第二阶段后货箱惯性撞击护栏，此时护栏顶部横梁收到撞击，顶部防阻块开始变形，故在碰撞过程结束后，防阻块的最终变形由护栏底部至顶部逐渐减小，符合车辆与护栏碰撞后的实际变形情况。此处展示6mm厚防阻块护栏体系第10根立柱的底部与顶部的外形，如图11所示。

图11 1.2 s时刻第10根立柱防阻块外形

2.3 护栏缓冲功能

评价标准中给出的碰撞后相对碰撞速度和碰撞加速度是判定乘员受到伤害的直观指标，同时也可以作为评价护栏缓冲功能的重要指标。已有研究证实座椅节点处的合成加速度与加入假人模型时差距不大[12]，故笔者将质量块引入模型中以测量该节点处的碰撞后相对碰撞速度和碰撞加速度。

使用防阻块后，护栏的安全性能未知，本节将根据评价标准对其进行评价，并加入基础护栏体系与之对照，确定使用防阻块后是否能提升护栏的耗能、缓冲性能，能否降低碰撞过程中乘员所受到的各项指标的峰值。碰撞速度与碰撞后加速度分别见图12，13，各壁厚组合的速度与加速度峰值见图14。

图12 碰撞速度

图13 碰撞后加速度

图14 碰撞速度与加速度峰值

由图12a可知，使用防阻块后，碰撞速度纵向(x向)分量始终在0点附近波动，除4 mm厚防阻块外，其他壁厚组合的峰值均在1.5 m/s附近，而使用传统连接件的护栏峰值达到2.0 m/s。由图12b可知，所有组合碰撞速度横向(y向)分量峰值均低于12 m/s，但壁厚为4，10 mm时，对应分量高于基础体系；防阻块对横向碰撞速度在0.2～0.7 s间有显著的降低作用，但0.7 s以后横向碰撞速度值出现增长；当防阻块壁厚为6，8 mm时，横向碰撞速度在增长后均呈下降趋势，而基础体系与10 mm厚防阻块在转折点后仍保持增长趋势。结合图14，当防阻块壁厚在4～10 mm之间时，能有效降低其横向碰撞速度峰值，能降低至少1.0 m/s；当防阻块壁厚增加，纵向碰撞速度峰值随之降低。

由图13，14 分析可知，使用防阻块后，碰撞后加速度纵、横向分量与基础体系变化趋势保持一致，若使用壁厚合适的防阻块，能一定程度上降低碰撞后加速度在各方向分量的峰值；若防阻块过厚或过薄，纵、横向分量仍有可能出现二次峰值较大的情况；当防阻块的壁厚增加时，加速度峰值的分量也随之增加，故不建议采用壁厚较大的O形防阻块，建议防阻块壁厚宜为6 mm，不宜超过8 mm。

2.4 防阻块壁厚选取

将各壁厚防阻块使用到本文护栏形式上后，通过分析F800卡车的运动轨迹评价其导向性能，分析其耗能、变形能力评价其阻挡功能，分析乘员的各项指标以评价其缓冲功能，并与原体系进行对照。计算结果证明，使用合适壁厚O形防阻块后，能一定程度上提升护栏的各项性能，显著提升其耗能能力，并减小立柱的最大位移值。本研究实例中，各项评价指标均未超过评价标准规定值，综合各项参数和结果建议防阻块壁厚应在4～10 mm间，6 mm为宜。

3 结 语

出于提高工字型钢护栏碰撞安全性能的目的，本文提出了O形防阻块以替换传统连接件，达到提升护栏耗能能力和缓冲性能的效果，并研究其壁厚变化对护栏安全性能的影响，四种壁厚分别为：4，6，8，10 mm。本研究中，使用F800卡车与护栏进行有限元碰撞安全性能仿真研究，可得到如下结论：

(1)防阻块护栏体系与基础护栏体系的导向能力良好，未出现绊阻现象。当防阻块壁厚增加时，车辆驶出速度降低，导向能力减弱，不利于后车行驶；

(2)使用防阻块后，护栏的整体耗能能力有显著提高，由100 kJ提升至300 kJ；当防阻块壁厚增加时，护栏整体耗能能力与防阻块的耗能能力均随之减弱。需要指出的是当防阻块壁厚增加至10 mm时，其耗能能力减弱明显，不建议使用；当防阻块壁厚低于4 mm时，护栏变形值过大，车辆有倾覆危险，故不建议使用；

(3)在6 mm防阻块的作用下，护栏的各项指标均优于其他各组，使得护栏立柱的最大动态位移降至70 mm附近；与原体系相比，乘员碰撞速度纵、横向分量峰值分别减少约25%(约0.5 m/s)、12.3%(约1.5 m/s)；碰撞后加速度纵、横向分量降低至55.6，80.3 m/s2。评价护栏安全性能的各项指标均有不同程度的降低，这证明使用防阻块替换连接件可行，建议防阻块壁厚应在4～10 mm间，6 mm为宜。

本文研究结果表明，在工字型钢护栏中使用合适壁厚的O形防阻块替换传统连接件是可行的，使用O形防阻块的工字型钢护栏有良好的导向性能，且该护栏碰撞耗能能力和缓冲性能得到显著提升。