淺談道路橋梁鋼護欄的防撞性能

潘珂

引言

在經濟快速發(fā)展的推動下，國內的道路橋梁事業(yè)也在快速前進。眾所周知，在道路橋梁工程中，護欄部件是必不可少的，可以有效降低車輛碰撞道路橋梁時的損失。梁柱式鋼護欄具有很好的防護性能，當車輛碰撞到道路橋梁時可以產生一定的彎曲變形和張拉力，使得車輛受到的碰撞作用力有效減小，因此廣泛應用于道路橋梁建設事業(yè)。我們采用有限元分析方法，通過有限元模擬的方式確定車輛碰撞力，研究道路橋梁工程鋼護欄結構的防撞性能，這對于道路橋梁建設事業(yè)具有至關重要的意義。

1 道路橋梁護欄防撞性能研究方法

（1）實車碰撞試驗的護欄防撞性能研究雖然精確性較高，但是實車碰撞試驗需要很高的費用，車輛碰撞道路橋梁的過程較為復雜，容易受車輛的車速、碰撞角度等因素的影響，需要進行多次的實車碰撞試驗才能對車輛與道路橋梁的碰撞過程進行全面的研究，在現(xiàn)實研究中往往容易受經濟條件的限制而難以進行，使用性不高。

（2）縮尺模型試驗是將具有一定比例的車輛模型用于碰撞試驗，是一種試驗費用低且過程容易控制的試驗方法，在實驗室內進行可以實現(xiàn)車輛對護欄的沖擊特性、撞擊剛度等參數(shù)有效研究，但是在此研究方法中車輛模型的動力系統(tǒng)相似性問題難以解決。

（3）數(shù)值模擬是一種通過建立相關的數(shù)學模型而實現(xiàn)護欄碰撞性能研究的方法，與前兩者相比，這是一種比較實用的護欄防撞性能研究方法，尤其是近些年來，計算機技術的飛速發(fā)展，給數(shù)值模擬提供了技術支持。利用模擬仿真可以改變實驗條件而進行多次重復的模擬實驗，能夠取得很好的研究結果。目前的數(shù)值模擬常用的有限元分析程序主要有一下幾種：ABAQUS；MADYMO；PAM-CRASH；LS-DYDA 等，在本文中，我們采用ABAQUS。

2 建立有限元分析模型

2.1 建立護欄體系模型

參考浙江省九堡大橋護欄結構的施工圖建立有限元分析模型，護欄體系的正面尺寸及立面尺寸分別見圖1（a）和（b），結構成分主要有護欄橫梁、鋼立柱、鋼立柱混凝土底板。

圖1 護欄體系的正面及立面尺寸圖

（1）護欄橫梁模型。建立模型時可將護欄橫梁作為均質連續(xù)圓管，按照橫梁截面中心尺寸（φ為117.25mm）建模，用橫梁護欄殼單元（厚7.5mm）模擬，布置三根護欄橫梁（橫梁間距350mm）。在護欄橫梁圓周上以映射網格的方式劃分16個單元，橫梁長度方向均勻劃分。為精確計算車輛碰撞道路橋梁的動力特性，在劃分中間跨護欄網格時應較密，以25mm間距較為適宜，兩段跨護欄網格間距可適當加大。

（2）立柱模型。將立柱U型槽鋼看作上下大小一樣、尺寸均為150mm的結構，立柱豎板尺寸930×200×7mm，將槽鋼和豎板以殼單元（尺寸為7mm）模擬。立柱底板尺寸240×200×20mm，以實體單元形式模擬，網格間距25mm。立柱結構以映射網格的形式劃分，網格尺寸25mm。最后使用merge指令將立柱和底板結構相連接，建立立柱的有限元模型。

（3）防阻塊模型。防阻塊尺寸為250×100×10mm，以殼單元（厚10mm）的形式模擬，以映射網格的形式劃分防阻塊，網格間距25mm，在本文中將防阻塊劃分為3個單元。

（4）立柱混凝土基座模型。立柱系統(tǒng)的建模使用實體單元的形式，基座尺寸500×200mm，截面為一個梯形和矩形，梯形斜邊坡度1：1。把節(jié)點以六面體單元形式劃分，中間處網格應較兩端處網格密一些。

在護欄體系中，橫梁與防阻塊、立柱與立柱混凝土底座均以焊接形式連接，因此在建立模型中可分別將橫梁模型與防阻塊模型、立柱模型與立柱底座模型使用tie命令相連，使其具有相同的6個自由度；防阻塊與立柱以高強錨栓的形式相連，可將防阻塊模型與立柱模型的單元節(jié)點采用tie命令相連，保證兩者連接處自由度變形協(xié)調。將護欄橫梁模型、鋼立柱模型、防阻塊模型和立柱混凝土底座模型組合，得到道路橋梁工程護欄結構的有限元模型圖，見圖2。

圖2 護欄系統(tǒng)有限元模型圖

護欄體系使用Q345C的結構鋼材，使用混凝土規(guī)格為C50，護欄體系的主要材料參數(shù)為：彈性模量2.05×105MPa；密度7.85×106g/m3；泊松比0.3。采用線彈性本構關系計算。

2.2 建立汽車模型

建立完整的汽車有限元模型需要做巨大的工作量，為了在滿足試驗要求的前提下盡量減少建模的時間和計算的工作量，我們可以對汽車模型進行必要的簡化。建立汽車模型需要考慮汽車主要的變形部件，如保險桿、車頭、車輪組件等，在碰撞過程中受力較大，對于諸如發(fā)動機、變速器等受力較小的部件可進行合理的簡化。我們建立中小型集裝箱汽車有限元模型，汽車滿載150kN，汽車尺寸5500×2400×3300mm。采用殼單元模擬車輛的保險杠和車頭，保險杠和車頭的殼單元厚分別為6mm和4mm，進行網格劃分時均為護欄側網格較密，轉折處網格細化，四周網格逐漸變大。車輪組件、集裝箱和車架均采用實體單元的形式模擬，車輪組件采用映射網格劃分；集裝箱采用自由網格劃分，尾部進行合理細化；車架采用自由網格劃分。建立的汽車模型以及護欄-汽車的耦合模型圖如圖3所示。

圖3 護欄-汽車的耦合有限元模型圖

2.3 確定車輛碰撞力

進行有限元分析之前應確定車輛碰撞荷載，參照相關規(guī)范得出計算護欄碰撞力公式為：

在上述公式中ν、θ分別為車輛碰撞速度和碰撞角度，b、C、Z分別為車輛寬度、重心距前保險杠的距離以及護欄橫向變形。九堡大橋設計速度22.2m/s，以此作為碰撞速度，取轎車質量1.4×106g。相關規(guī)范規(guī)定道路橋梁金屬制護欄Z取值范圍應為0.3～0.6m，本文取最小值0.3m。根據(jù)公式（1）計算在22.2m/s碰撞速度型不同碰撞角度工況時的碰撞力，如表1所示。

表1 22.2m/s速度下不同碰撞角度的碰撞力

3 有限元分析結果

在本文中，我們主要分析汽車模型以22.2m/s的碰撞速度在不同碰撞角度條件下碰撞護欄中部引起的護欄體系的變形情況。我們根據(jù)以20°碰撞角度撞擊鋼護欄的Mises應力云圖發(fā)現(xiàn)，護欄橫梁的受力和變形主要集中在中間段橫梁部位，護欄橫梁跨中具有比較大的應力。

圖4 20°碰撞角度下護欄Mises應力云圖

碰撞速度相同時，碰撞角度下的碰撞情況引起的護欄橫向位移也有較大的差別，本文中以護欄的中間橫梁段作為對象研究護欄在不同碰撞角度下的橫向位移情況，以中跨以及相鄰跨部分為連續(xù)路徑畫出t=0.35s時各工況沿路徑的位移曲線圖，如圖5所示。我們分析圖得知，護欄中間段橫梁橫向位移與碰撞角度具有一定的關系，碰撞角度越大則橫梁橫向位移越大。

圖5 各工況沿路徑的位移曲線

不同碰撞角度下立柱和支托的最大應力與碰撞角度有近似正比的關系，碰撞角度越大，則最大應力越大，其中支托與立柱相比，前者的最大應力比后者的大。按照Q345結構鋼3.45×108Pa的初始屈服應力計算，當角度在20°時支托部件就已經進入了塑性階段，而當角度為45°時立柱才開始進入塑性階段。

4 結語

通過對車輛碰撞道路橋梁的有限元模擬分析，得出以下結論：①護欄體系在碰撞過程中主要的受力部位為橫梁跨中截面、支托弧形轉彎處以及立柱與支托接觸部分，這些部位最先遭受損壞，因此在道路橋梁工程中應注意護欄體系上述部位的設計；②車輛與道路橋梁的碰撞角度是影響護欄碰撞的一個重要因素，在碰撞速度保持不變的情況下，行車方向與護欄的夾角越大，護欄所受車輛撞擊產生的應力和位移越大。