撞击过程中农村公路波形护栏动力响应研究

李江江

摘要 为对车辆撞击农村公路波形护栏过程中车辆及防护栏的动力响应进行研究，文章以雷山县2022年农村公路安全防护工程为研究背景，基于有限元软件，建立了波形梁板-空心圆管立柱-托架护栏结构，最后利用车辆模型撞击护栏不利位置，研究撞击过程中护栏最大动态变形、车辆速度、护栏三部分的能量变化规律。研究结果表明：（1）车辆撞击护栏后，护栏最大动态变形先增大，后减小。（2）车辆速度先呈下降趋势；托架、立柱、波形梁板随时间的增大，吸收的能量呈上升趋势，先增大后保持稳定，能量变化曲线斜率逐渐减小。（3）撞击过程中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，说明护栏结构中主要吸收能量的为立柱与波形梁板。

关键词 撞击；公路；波形防护栏；动力响应；能量

中图分类号 U417.12文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）12-0064-03

0 引言

村级公路对加强城乡联系，促进农村地区的资源开发，疏通和扩大农产品信息交流渠道，改善农村投资环境，促进小城镇建设等都具有十分重要的意义[1]。但是，由于受资金限制，部分农村公路建设标准低，公路建设期间设置的安全防护工程较少，公路通车后存在较大的安全隐患[2]。随着汽车保有量剧增，驾驶人员素质参差不齐，急需建设完善公路安全生命防护工程，确保农村公路安全通行，长期发挥效益[3]。

目前，国内外学者分别从不同角度对公路波形护栏进行了一系列研究。赵永利等[4]基于有限元软件，建立了车辆碰撞护栏模型，研究了刚性护栏与半刚性护栏两种工况条件下车辆质量对护栏变形、车辆质心加速度及车辆轨迹的影响；闫书明[5]基于有限元软件，研究了车辆撞击波形梁护栏圆头式和地锚式端头时车辆可能发生的事故模式，并提出了卷曲波形的端头设计；潘兵宏等[6]基于能量守恒方法，并利用有限元软件建立了护栏模型，综合考虑了车型、碰撞角度、速度对护栏能量的影响；张秀丽等[7]基于室内静载实验和ANSYS有限元软件，比较了两种方法波形梁加载头位移和载荷的关系及能量分布情况，验证了ANSYS软件分析的可行性；何勇[8]阐述了我国交通道路的发展状况，比较了美、日两国关于道路护栏的设计原理及结构特征，最后就我国变截面波形梁护栏的设计原理及优点进行了介绍。综上所述，道路防护栏可以大幅度降低事故严重性，防护栏结构对车辆撞击过程中动态响应的影响较为显著，但对撞击过程中农村公路波形护栏动力响应的研究较少。

鉴于此，该文以雷山县2022年农村公路安全防护工程为研究背景，基于有限元软件，建立了波形梁板-空心圆管立柱-托架护栏结构，最后利用车辆模型撞击护栏不利位置，研究撞击过程中护栏最大动态变形、车辆速度、护栏三部分的能量变化规律。

1 工程概况

该文以雷山县2022年农村公路安全防护工程为研究背景。该项目共有13条通村路，覆盖雷山县丹江、郎德、望丰、大塘、西江等5个乡镇，路线总长为20.037 km。项目区域内自然条件复杂，以山区公路为主，临水临崖、陡坡急弯等危险路段较多，原道路的标志、标牌、警示桩、波形护栏和钢筋混凝土护栏设置不完善，对于行车和行人造成很大的安全隐患。以雷山县大朝路口至大朝公路为例，公路现状如图1所示；该段位于雷山县西江镇，路线起点位于大朝路口与村道C051猫鼻岭至北建段平面交叉，终点止于大朝村，全长1.593 km；路基宽度为4.5 m，路面宽度为3.5 m；路面类型为水泥混凝土路面，公路等级为等外级；该工程受益约1 200人。

项目既有波形护栏为旧规范B级波形梁护栏。该次设计考虑对破损部分进行修复，长度不足部分予以接长。新增的C级护栏板采用310 mm×85 mm×2.5 mm等截面波形梁，波形梁板长度一般为4 320 mm，C级护栏的立柱栏采用φ114×4.5 mm钢管；护栏托架采用4.5 mm厚的钢板焊接而成。波形梁板、立柱、托架等护栏钢构件均采用Q235钢；该项目波形梁护栏采用的连接螺栓、拼接螺栓均为高强螺栓。一般路段波形护栏的设置在路基外侧，采用打入式；临崖、临坎路段波形护栏设置在加固路肩或既有浆砌护肩、挡墙及路面上时，采用打入式，打入时应采取措施避免对结构造物的破坏；部分路段因原有挡墙或护肩为干砌片石，波形护栏采用打入式易损坏原有构造，故可采用埋入式。

2 波形护栏安全性能仿真计算

2.1 波形梁板模型的建立

该文基于有限元软件，建立C级波形护栏的数值模型，其波形梁板模型如图2所示。

采用壳模型对波形梁板进行网格划分，设置为弹塑性本构模型，波形梁板的物理力学参数如表1所示。

2.2 护栏模型的建立

基于有限元软件，建立由波形梁板、空心圆管立柱、托架三部分组成的护栏模型，如图3所示。

模型中采用刚性接触模拟，护栏的物理力学参数如表2所示。

现有研究表明，车辆对护栏撞击影响范围最大为12跨。因此，设置护栏长为72 m，单跨立柱间距为4 m，共18跨。护栏单跨模型如图4所示。

该文设置立柱嵌入深度为200 mm，1.5 t小型客车以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞击护栏24 m位置处。

3 结果分析

车辆撞击护栏开始计时，护栏最大动态变形及车辆速度变化分别如图5～6所示。

由图5～6可知，车辆撞击护栏后，护栏最大动态变形先增大，后减小；车辆速度先呈下降趋势。护栏最大变形为856.78 mm，发生在0.948 s处；此时车辆速度约为14.78 m/s，较车辆初始16.67 m/s减小了11.34%。当运动1.5 s后，护栏最大变形从856.78 mm减小到555.47 mm，减小了35.17%；变形开始减小的原因可能是护栏的弹性变形部分在逐渐恢复；此时速度减小到14.414 m/s，较初始减小了13.53%。

车辆撞击护栏开始计时，组成护栏的三部分波形梁板、空心圆管立柱、托架在此过程中吸收的能量变化如图7所示。

由图7可知，三部分随时间的增大，吸收的能量呈上升趋势，先增大后保持稳定，能量变化曲线斜率在逐渐减小。托架最终吸收能量约为17.2 kJ、立柱最终吸收能量约为55.4 kJ、波形梁板最终吸收能量约为59.65 kJ，说明护栏结构共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，说明护栏结构中主要吸收能量的为立柱与波形梁板。

在0.24 s之前，立柱能量曲线在托架能量曲线之下，可能与车辆位移还没有完全到达立柱位置，之后立柱能量曲线均位于托架能量曲线之上。0.68 s时立柱能量曲线及波形梁板能量曲线相同，可能与护栏变形有关，如图5所示，此时护栏处于位移下降或稳定阶段。

4 结论

该文以雷山县2022年农村公路安全防护工程为研究背景，基于有限元软件，建立了波形梁板-空心圆管立柱-托架护栏结构，最后利用车辆模型撞击护栏不利位置，研究撞击过程中护栏最大动态变形、车辆速度、护栏三部分的能量变化规律，得到如下主要结论：

（1）以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞击护栏24 m位置处时，0.948 s时护栏最大变形为856.78 mm；此时车辆速度约为14.78 m/s，较车辆初始16.67 m/s减小了11.34%。

（2）1.5 s时护栏从最大变形856.78 mm减小到555.47 mm，减小了35.17%；变形开始减小的原因可能是护栏的弹性变形部分在逐渐恢复；此时速度减小到14.414 m/s，较初始减小了13.53%。

（3）托架最终吸收能量约为17.2 kJ、立柱最终吸收能量约为55.4 kJ、波形梁板最终吸收能量约为59.65 kJ，

说明护栏结构共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，说明护栏结构中主要吸收能量的为立柱与波形梁板。

参考文献

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[5]闫书明. 波形梁护栏端头事故仿真分析与解决方案[J]. 系统仿真学报， 2010（7）： 1789-1791+1795.

[6]潘兵宏， 赵一飞， 杨少伟， 等. 高速公路中间带波形梁护栏高度[J]. 长安大学学报（自然科学版）， 2008（1）： 51-54+76.

[7]张秀丽， 黄小清， 汤立群， 等. 静载作用下具有纵向约束的波形护栏特性研究[J]. 华南理工大学学报（自然科学版）， 2003（S1）： 113-115+118.

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