高速公路中央分隔帶活動(dòng)護(hù)欄碰撞仿真

范慕輝，劉巧會(huì)，孫兆巖，郄彥輝，崔洪軍

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

高速公路中央分隔帶活動(dòng)護(hù)欄碰撞仿真

范慕輝1，劉巧會(huì)1，孫兆巖1，郄彥輝1，崔洪軍2

（1.河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300130；2.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，天津 300401）

提出了一種企口式剛性混凝土活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)，可安裝在高速公路分隔帶開口處．基于現(xiàn)行規(guī)范要求，建立了相應(yīng)的顯式有限元仿真模型并利用LS-DYNA軟件進(jìn)行了實(shí)尺寸車輛模型與活動(dòng)護(hù)欄的非線性碰撞仿真計(jì)算．結(jié)果表明：該活動(dòng)護(hù)欄滿足160 kJ碰撞能量的Am級(jí)的防撞等級(jí)要求；各項(xiàng)碰撞安全性能指標(biāo)均符合現(xiàn)行規(guī)范的要求；隨碰撞角度的增大，車體重心3向加速度并非線性增大，而是縱向加速度基本不變、橫向加速度先增大后減小、而豎向加速度線性增加的變化規(guī)律．

活動(dòng)護(hù)欄；碰撞仿真；防護(hù)能力；碰撞角度

0 引言

高速公路中央分隔帶開口是維持高速公路正常運(yùn)營的必需設(shè)計(jì)，在開口處設(shè)置活動(dòng)護(hù)欄對(duì)于交通事故救援及車輛疏導(dǎo)至關(guān)重要[1-6]．但目前國內(nèi)常用的插拔式、推拉式和填充式3種中央分隔帶開口活動(dòng)護(hù)欄的防護(hù)能力明顯不足，經(jīng)常發(fā)生車輛穿越活動(dòng)護(hù)欄與對(duì)向車輛相撞的惡性二次事故[4-5]．如：2004年7月25日寧連高速公路一輛大貨車穿越活動(dòng)護(hù)欄，與對(duì)向行駛的小轎車迎面相撞，5人當(dāng)場(chǎng)死亡；2008年10月4日在開陽高速公路圣堂路段，一輛小轎車穿越活動(dòng)護(hù)欄，導(dǎo)致3車相撞，3死6傷；2009年3月27日在滬昆高速公路江西段，一輛客車穿越活動(dòng)護(hù)欄，導(dǎo)致3車相撞，20死11傷；2010年11月14日在滬渝高速公路黃黃段，一輛半掛車穿越活動(dòng)護(hù)欄造成3車相撞側(cè)翻，多人受傷．因此研究開發(fā)具有高防護(hù)能力的高速公路中央分隔帶活動(dòng)護(hù)欄，具有較大的工程和社會(huì)價(jià)值．

在滿足活動(dòng)護(hù)欄移動(dòng)靈活、開啟安裝方便的前提下，為提高其防護(hù)能力，人們開展了大量的研究工作．如：王宏偉[4]、梁亞平[5]等研究開發(fā)了防撞能力達(dá)93 kJ的鏈?zhǔn)交炷粱顒?dòng)護(hù)欄；侯德藻[6]等人研究開發(fā)了組合型波形板活動(dòng)式鋼護(hù)欄；閆書明[7-9]等人研究開發(fā)了在鋼管內(nèi)嵌預(yù)應(yīng)力鋼索組合式活動(dòng)護(hù)欄等．但是上述活動(dòng)護(hù)欄在便捷性、經(jīng)濟(jì)性和防護(hù)安全性能方面上仍有不足之處．

本研究提出了一種剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄，在滿足中央隔離帶活動(dòng)護(hù)欄開啟和移動(dòng)便捷性的前提下，具有160 kJ的防撞能力和導(dǎo)向能力，能有效阻止車輛穿越護(hù)欄，防止惡性交通事故發(fā)生．為驗(yàn)證活動(dòng)護(hù)欄的安全性，以現(xiàn)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范為依據(jù)，利用LS-DYNA軟件強(qiáng)大的非線性計(jì)算能力，對(duì)活動(dòng)護(hù)欄的防撞能力以及各項(xiàng)安全性能指標(biāo)進(jìn)行模擬驗(yàn)證[9-10]．

1 剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄具有160 kJ的防撞能力，即高速公路中央分隔帶 Am級(jí)防撞等級(jí)，其高度為810mm，每節(jié)長(zhǎng)度為2000mm，節(jié)與節(jié)之間縱向連接采用企口式連接．每節(jié)護(hù)欄均用2根高度可調(diào)螺桿與地面預(yù)埋螺母形成螺紋連接，以保證護(hù)欄的防護(hù)能力；同時(shí)每節(jié)護(hù)欄安裝2個(gè)升降的萬向輪結(jié)構(gòu)，以保證護(hù)欄的活動(dòng)性．當(dāng)萬向輪升起不與地面接觸時(shí)，護(hù)欄放在隔離帶上并與地面通過螺栓連接到一起，此時(shí)護(hù)欄具有防撞和導(dǎo)向能力；當(dāng)松開護(hù)欄與地面的螺栓連接，萬向輪下降頂起護(hù)欄時(shí)，方便護(hù)欄推走，實(shí)現(xiàn)中央隔離帶開口的目的．剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示．

圖1 活動(dòng)護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure design ofmovablebarrier

2 碰撞條件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參照國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)規(guī)范的規(guī)定，Am級(jí)剛性活動(dòng)護(hù)欄在封閉時(shí)應(yīng)與固定護(hù)欄具有完全相同的防護(hù)能力，其相應(yīng)的車輛碰撞條件如表1所示．

表1 碰撞條件Tab.1 Impactconditions

剛性混凝土活動(dòng)護(hù)欄的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)包括[1,6]：

1）能夠阻止車輛穿越、翻越、騎跨活動(dòng)護(hù)欄并對(duì)車輛進(jìn)行導(dǎo)向，碰撞后的車輛駛出角度應(yīng)小于駛?cè)虢嵌鹊?0%；

2）在碰撞過程中，車輛不發(fā)生偏轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象；

3）在碰撞過程中車輛重心3向加速度10ms間隔平均值的最大值都小于等于20倍重力加速度；

4）護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量不大于100mm．

3 數(shù)值模擬驗(yàn)證

3.1 活動(dòng)護(hù)欄的力學(xué)性能

剛性活動(dòng)護(hù)欄由鋼筋混凝土構(gòu)成，其中：鋼筋材質(zhì)為HRB335鋼，質(zhì)量密度為7.85×103kg/m3，彈性模量為2×105MPa，屈服強(qiáng)度為335MPa，抗拉強(qiáng)度極限為455MPa，泊松比0.3，伸長(zhǎng)率26.5%；混凝土材料的強(qiáng)度等級(jí)為C40，質(zhì)量密度2.45×103kg/m3，彈性模量為3.25×104MPa，抗壓強(qiáng)度極限為19.1MPa，抗拉強(qiáng)度極限為1.71MPa，泊松比0.2．

3.2 護(hù)欄模型的建立

仿真計(jì)算時(shí)，活動(dòng)護(hù)欄的總長(zhǎng)度按12節(jié)計(jì)、長(zhǎng)度為24m，護(hù)欄的兩端處理為固定端約束，即約束端面所有節(jié)點(diǎn)的自由度．根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能參數(shù)，建立了顯式非線性的有限元分析數(shù)值模型．為提高計(jì)算精度，對(duì)仿真車輛模型與護(hù)欄接觸碰撞區(qū)域的6節(jié)護(hù)欄進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，如圖2所示．

3.3 碰撞的車輛模型

為了確保碰撞模擬的準(zhǔn)確性，本次模擬采用彈塑性本構(gòu)關(guān)系建立大客車和小轎車的數(shù)值模型，模型的整體尺寸和行駛系統(tǒng)均通過拆解車輛按實(shí)際尺寸構(gòu)建[11-15]．

圖2 活動(dòng)護(hù)欄的有限元局部模型Fig.2 Part FEmodelofmovablebarrier

大客車車體的長(zhǎng)、寬、高分別為11 300mm、2 420mm、3 300mm，總質(zhì)量為10 t．通過網(wǎng)格劃分建立了大客車的彈塑性有限元模型，如圖3所示，其中節(jié)點(diǎn)48592個(gè)、單元40850個(gè)．

圖3 大客車有限元模型Fig.3 FEAmodelof thebus

小轎車的長(zhǎng)、寬、高分別為4600mm、1630mm、1340mm，總質(zhì)量為1.5 t．通過網(wǎng)格劃分建立了小轎車的彈塑性有限元模型，如圖4所示，其中節(jié)點(diǎn)26770個(gè)、單元28 771個(gè)．

圖4 小車的有限元模型Fig.4 FEAmodelof the car

3.4 系統(tǒng)坐標(biāo)系和接觸條件設(shè)置

在仿真過程中，忽略路面的變形，把路面做剛性處理．碰撞系統(tǒng)坐標(biāo)系以車輛行駛方向?yàn)榭v向（x軸），車體寬度方向?yàn)闄M向（y軸），垂直地面向上為豎向（z軸），并且3個(gè)坐標(biāo)軸之間符合右手法則．

本次仿真過程中的接觸類型均采用自動(dòng)接觸，共定義5個(gè)接觸對(duì)，即：1）車輛自身接觸；2）車輪與路面間；3）車輛與護(hù)欄間；4）護(hù)欄與路面間；5）企口式護(hù)欄間．

3.5 模擬仿真計(jì)算結(jié)果

3.5.1 大客車碰撞仿真結(jié)果

與活動(dòng)護(hù)欄發(fā)生碰撞后，大客車沒有發(fā)生穿越、翻越和騎跨活動(dòng)護(hù)欄現(xiàn)象；碰撞后大客車未發(fā)生偏轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、掉頭等現(xiàn)象，仍然保持正常的行駛姿態(tài)；碰撞后大客車的駛出角度為9.6°，小于駛?cè)虢嵌?0°的60%；活動(dòng)護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量為76mm，小于允許值100mm；碰撞后大客車車體基本保持完整，僅前保險(xiǎn)杠脫落，其重心處x、y、z 3個(gè)方向的加速度10ms平均值分別為18.1 g、17.1 g、11.1 g均小于20倍重力加速度．上述模擬碰撞結(jié)果均滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求，表明剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄對(duì)大客車具有良好的防護(hù)和導(dǎo)向能力[1-3,6-15]．碰撞過程中車體重心3方向加速度10ms間隔平均值隨時(shí)間變化曲線如圖5所示．

圖5 車體重心節(jié)點(diǎn)X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值曲線Fig.5 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of busatgravity center

3.5.2 小轎車碰撞仿真結(jié)果

小轎車與活動(dòng)護(hù)欄發(fā)生碰撞后未出現(xiàn)穿越、翻越、騎跨、下穿活動(dòng)護(hù)欄情況；碰撞后小轎車未發(fā)生橫轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)和掉頭現(xiàn)象，能夠保持正常的行駛姿態(tài)；小轎車的駛出角度為10.3°，小于駛?cè)虢嵌?0°的60%；活動(dòng)護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量為61 mm，小于允許值100 mm；碰撞后未發(fā)生部件脫落現(xiàn)象，車輛保持完整，車體重心處x、y、z3向加速度10ms平均值的最大值分別為18.6 g、17.7 g、15.4 g，均小于20倍重力加速度．碰撞結(jié)果均滿足相關(guān)規(guī)范的要求，表明活動(dòng)護(hù)欄對(duì)小轎車具有良好的防護(hù)能力和導(dǎo)向作用．碰撞過程中車體重心3方向加速度10ms平均值隨時(shí)間變化曲線如圖6所示．

3.5.3 不同碰撞角度對(duì)車輛運(yùn)行軌跡的影響

考慮到高速公路上交通事故的多樣性，事故車輛會(huì)以不同角度與活動(dòng)護(hù)欄發(fā)生碰撞，選取10°、15°、20°、25°、30°5種不同角度，研究在大客車以不同碰撞角度和活動(dòng)護(hù)欄發(fā)生碰撞過程中，車體重心加速度的變化情況，如圖7所示．

由圖7中車輛重心3向加速度10ms平均值隨大客車碰撞角度的變化曲線可以看出：X方向即車輛行進(jìn)方向的加速度幾乎不受碰撞角度改變的影響；Y方向即車寬方向的加速度隨碰撞角度的增大并不是線性增大關(guān)系，而是先增大到碰撞角度為20°時(shí)，取極值后再隨碰撞角度的增加而減小的變化規(guī)律；Z方向即車高方向隨著碰撞角度增大而線性增加的關(guān)系，這是因?yàn)殡S碰撞角度的增加，車輛爬升護(hù)欄的高度增加，因此Z方向亦增大．

圖6 小轎車車體重心節(jié)點(diǎn)X，Y，Z 3方向10ms平均加速度曲線Fig.6 Averageacceleration in 10ms curveof X,Y,Z three direction of caratgravity center

圖7 X，Y，Z 3方向加速度10ms平均值隨大客車碰撞角度變化曲線Fig.7 Averageacceleration in 10ms curveof busatgravity center changed with the impactangle

4 結(jié)論

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，利用顯式非線性有限元軟件LS-DYNA，對(duì)剛性混凝土活動(dòng)護(hù)欄的防撞能力及各安全性能指標(biāo)進(jìn)行了模擬碰撞試驗(yàn)，證明活動(dòng)護(hù)欄不僅能滿足Am級(jí)防撞等級(jí)的防護(hù)要求[10]，還具有移動(dòng)靈活、開啟和安裝方便等特點(diǎn)．

1）剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄采用了方便拆裝的分段式結(jié)構(gòu)；段與段之間通過企口連接成整體，每段通過螺桿與地面預(yù)埋螺母形成固定連接，保證其防撞能力．每段安裝2個(gè)高度可調(diào)的萬向輪，在旋轉(zhuǎn)出螺紋連接的立柱后，每節(jié)活動(dòng)護(hù)欄可以方便推走．

2）剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄對(duì)2種車輛均具有較好的防護(hù)和導(dǎo)向能力．

3）剛性混凝土企口式活動(dòng)護(hù)欄對(duì)于車輛乘員具有良好的安全保護(hù)：車輛重心處x，y，z加速度10ms平均值均小于20倍重力加速度，符合標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范要求．

4）在初始碰撞速度（60 km/h）不變的情況下：縱向（x方向）加速度受碰撞角度的影響不大；橫向（y方向）加速度隨碰撞角度增大先增加后減小，且在碰撞角度為20°時(shí)取極值；豎向（z方向）加速度峰值隨著碰撞角度的增大而線性增加．

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[2]交通部公路科學(xué)研究院．JTGD81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[3]交通部公路科學(xué)研究院．JTGD81-2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范 [S]．北京：人民交通出版社，2006．

[4]王宏偉，賈日學(xué)，王彥卿，等．滬寧高速公路安全體系和中分帶開口護(hù)欄研究 [J]．現(xiàn)代交通技術(shù)，2006，5（5）：95-98．

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[責(zé)任編輯 田 豐 夏紅梅]

Impactsimulation ofmedianmovablebarrierson expressways

FANMuhui1，LIU Qiaohui1，SUN Zhaoyan1，QIEYanhui1，CUIHongjun2

(1.SchoolofMechanicalEngineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin300130,China;2.SchoolofCivilEngineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300401,China)

A new type of rigid concretemovablebarrier to installat the opening ofmedianwasdeveloped.Based on the requirementofcurrentspecification,theexplicitfiniteelementmodelofmovablebarrierwassetup andwasused forsimulation ofnonlinear impactprocessof the full-scalevehiclewith themovablebarrierby the FEA software,LS-DYNA.The resultshows that the impactenergy of themovable barrierexceeded 160 kJ,which couldmeet the Am impactgrade;all of the safety performance parametersof themovablebarriermeetwith the requirementsof the currentspecification;with the increase of impactangle,the accelerations of vehicle center of gravity in three directionsare notcorrespondingly increased,but longitudinalacceleration basically constantacceleration,lateralacceleration increased linearly,and vertical acceleration increased firstand then decreased with the variation.

movable barrier;finiteelementanalysis;protection capability;impactangle

U417

A

1007-2373(2016)01-0027-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.005

2015-06-02

河北省自然科學(xué)基金（E2013202228）

范慕輝（1960-），女（漢族），教授，博士．

：郄彥輝（1976-），男（漢族），副教授，博士．

數(shù)字出版日期：2016-02-27數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160227.1609.004.htm l