基于有限元的高速公路混凝土護欄碰撞安全性分析

張生學

(河北省交通規劃設計院 石家莊市 050011)

0 引言

我國的高速公路總里程超過13萬公里，排名世界第一，為推動社會經濟發展起到了積極作用。隨著人民生活水平的不斷提高，私家車的數量正在急劇增加，全國機動車保有量已達3.5億輛，在高速公路上的車流量也在逐漸增大，由于高速公路行車速度較快，路況更加復雜，帶來了一系列的交通安全問題。因此，提高高速公路的行車安全，減少事故中的人員傷亡和財產損失成為交通基礎設施建設的重要任務之一[1-3]。

拒有關統計資料表明，我國約有30%的交通事故是因為汽車與護欄發生碰撞引起的，由于前期對護欄結構型式不太重視，導致多數車輛會發生躍出護欄的現象，從而容易導致人員傷亡，同時，當汽車與護欄發生碰撞后，會因為駛出角過大，導致事故車輛與正常行駛車輛發生二次碰撞，造成更大的交通事故。因此，研究汽車與公路護欄之間的碰撞問題，掌握碰撞過程中的相關規律，才能為合理選擇護欄結構型式和設置護欄，進一步完善和優化護欄提供指導[4-8]。

下面擬采用有限元分析法，對F型和單坡型兩種混凝土護欄的碰撞安全性進行分析，以期能為高速公路護欄設計施工提供借鑒。

1 有限元模型

1.1 小車模型

選用Ford Taurus 車型作為碰撞試驗的仿真車型，該車型的總質量為1.5t，車輛長×寬×高=4.6m×1.8m×1.4m，總結點數為26945個，總單元數為28794個，總零件數為140個。利用HyperWorks軟件中的HyperMesh模塊建立該型轎車的有限元模型，見圖1。

圖1 小車有限元模型

1.2 護欄模型

我國常用的混凝土護欄結構形式為F型與單坡型，根據相關設計標準規范，兩種形式護欄的基本結構和尺寸見圖2。護欄防護等級按高速公路設計時速120km/h選取，護欄模型事故等級按最高等級SS級選取，采用HyperMesh模塊建立護欄的有限元模型，護欄單元類型為六面體單元，密度大小為2.4t/m3，護欄的長度為42m，模型建立過程中忽略護欄之間的連接，將護欄視為一個整體進行分析，整個護欄模型共包含32284個節點和26881個單元。見圖2。

圖2 F型和單坡型護欄示意

1.3 混凝土模型

護欄的混凝土材料選用LS-DYNA程序中自帶的連續面帽蓋模型(Mat-159)，該模型是一種彈塑性損傷模型，通過損傷指標來衡量混凝土的性能劣化特性。混凝土單元采用SECTION-SOLID八節點實體單元，混凝土強度等級為C30，混凝土骨料最大粒徑為19mm，侵蝕應變取值為1.1，見圖3。

圖3 護欄混凝土有限元模型

2 參數設置

(1)碰撞點設置

根據《公路護欄安全性能評價標準》的相關要求，車輛與護欄的碰撞點應選在護欄起點沿行車方向的1/3處，汽車與護欄的碰撞角度為20°，汽車碰撞初速度為100km/h。

(2)接觸及約束設置

汽車自身的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFCE(接觸式自動單面)，汽車輪胎與地面的接觸采用*RIGIDWALL-PLANER(剛性墻平面接觸)，汽車與護欄的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE(接觸式自動單面)。由于混凝土護欄的強度和剛度較大，因此在模擬碰撞過程中可忽略護欄的位移影響，即對護欄的底部進行約束(底部設置為固定端，約束6個自由度的方向)。

(3)傳感器即坐標設置

在汽車內部設置加速度傳感器并通過剛體與汽車連接在一起，用以捕捉碰撞過程中車輛的速度變化情況，同時，在加速度傳感器上設置坐標系，車輛行駛方向為x正方向，與車身垂直方向為y方向。

3 安全性分析

3.1 阻擋功能

經模擬分析得到的汽車在兩種護欄結構形式下的碰撞損壞程度見圖4。從圖4中可以看到：在F型護欄或者單坡型護欄下，車輛均未發生騎跨現象，乘員艙完好，基本無損壞，表明兩種型式的混凝土護欄可以起到阻擋轎車躍出的效果；在碰撞仿真過程中，車輛的前右輪胎均發生了不同程度的破壞，但兩者的破壞程度有些區別，車輛在與F型護欄碰撞時產生的輪胎擠壓變形比車輛與單坡型護欄的碰撞更為嚴重。因此，僅就保護車輛而言，單坡型護欄的防護效果比F型護欄的防護效果更好。

圖4 不同混凝土護欄形勢下阻擋功能模擬結果

3.2 緩沖功能

當車輛與護欄發生碰撞后，護欄會限制原來車輛的運動軌跡，在慣性力作用下，車輛會產生巨大的加速度，車內人員在加速度作用下極易發生碰撞等傷害，加速度越大，車內人員受到傷害的可能性和傷害程度也就越大，因此，需要對碰撞過程中的加速度進行模擬，從而掌握不同結構型式護欄的緩沖防撞性能。兩種結構型式下的緩沖功能模擬結果見圖5。從圖5(a)中可以看到：單坡型護欄和F型護欄的y方向的最大加速度分別為167m/s2和146m/s2，x方向的最大加速度分別為137m/s2和120m/s2，兩種結構型式護欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向加速度不大于200m/s2相關技術要求。

從圖5(b)中可以看到：單坡型護欄和F型護欄的x方向和y方向的速度分量呈先增大后逐步趨于穩定的變化特征，F型護欄的速度分量略大于單坡型護欄，當碰撞時間為0.06～0.08s時，速度分量基本達到穩定值；兩種結構型式護欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向速度分量不大于12m/s的相關技術要求。

從圖5(c)中可以看到：在兩種結構型式的護欄下，小車的重心先開始略有降低，然后迅速升高，再迅速減小的一個變化過程；在碰撞后0～0.02s內，由于小車輪胎發生壓縮變形，導致整體重心略有下降；當碰撞后0.02～0.24s時間內，小車重心開始急速上升，這是因為護欄坡面均有一定的傾斜角，當車輛與護欄碰撞后，會沿著傾斜坡面產生爬升效應(小車動能轉化為勢能)，因而小車重心迅速增大，當碰撞后0.24s后，車輛重心達到最大值，單坡型和F型的最大躍起高度分別為0.135m和0.15m，因此F型護欄所消耗的動能更大，從而使得碰撞時產生的加速度小于單坡型護欄；當碰撞0.24s后，小車逐漸回到地面。

圖5 不同混凝土護欄形勢下緩沖功能模擬結果

3.3 導向功能

所謂導向功能是小車在與護欄碰撞后能最大程度上避免側翻或者翻躍護欄的情況發生，以及避免被護欄彈回導致小車與其它車輛發生二次碰撞的情況發生，兩種結構型式護欄的車輛在碰撞后的行駛軌跡見圖6。根據《公路護欄安全性能評價標準》中對公路護欄導向功能的相關要求，當車輛與護欄發生碰撞后不得翻車，同時碰撞后的行駛軌跡不應超過直線F(直線F與護欄的平行間距為2.2+1.8+0.16×4.6=4.736m，直線F的長度為10m)，以100km/h的模擬車速來看，在兩種護欄結構型式下，車輛均未超出直線F，同時也沒有發生翻躍護欄的現象，因此，兩種結構型式護欄均滿足導向功能要求。

圖6 不同混凝土護欄形勢下導向功能模擬結果

4 結論

采用有限元分析方法，對F型和單坡型兩種護欄結構下的安全性進行了模擬分析，得出如下結論：

(1)兩種護欄型式下均可以起到阻擋轎車躍出的效果，但單坡型護欄的防護效果比F型護欄的防護效果更好。

(2)單坡型護欄的加速度分量大于F型護欄，F型護欄的速度分量略大于單坡型護欄，但均滿足橫向和縱向加速度不大于200m/s2、速度分量不大于12m/s的相關技術要求。小車與F型護欄碰撞后產生的躍起高度大于與單坡型護欄碰撞產生的躍起高度。

(3)在兩種護欄結構型式下，車輛均未超出直線F，同時也沒有發生翻躍護欄的現象，均滿足導向功能要求。