基于仿真模擬的雙層雙波護(hù)欄升級(jí)改造

胡 健,張浩浩,王 坤

(江蘇現(xiàn)代路橋有限責(zé)任公司,江蘇 南京 210049)

0 引 言

近年來(lái)我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)得到了飛速的發(fā)展,在交通量逐年增大的同時(shí),交通事故也不斷增多,嚴(yán)重威脅了駕乘人員的人身安全,造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失,部分嚴(yán)重的交通事故往往還伴隨著惡劣的社會(huì)影響。交通事故中占比較高的一類是路側(cè)交通事故,路側(cè)交通事故在占比較高的同時(shí),帶來(lái)的后果往往也較為嚴(yán)重,而護(hù)欄對(duì)于減輕路側(cè)交通事故的危害起到了重要的作用[1]。國(guó)內(nèi)對(duì)于護(hù)欄進(jìn)行了較多的研究,研究對(duì)象包括混凝土護(hù)欄、薄梁護(hù)欄、纜索護(hù)欄等,從護(hù)欄的結(jié)構(gòu)、端頭設(shè)計(jì)及截面參數(shù)等角度開展研究,研究方式包括有限元模擬、實(shí)車碰撞試驗(yàn)等[2-5]。

為進(jìn)一步強(qiáng)化高速公路交通安全運(yùn)營(yíng)保障能力,各高速公路管養(yǎng)單位相繼對(duì)所管養(yǎng)路段道路沿線的交通安全設(shè)施進(jìn)行改造升級(jí)。然而在對(duì)交通設(shè)施進(jìn)行改造升級(jí)時(shí),將所有的防護(hù)等級(jí)較低的護(hù)欄進(jìn)行更換,將會(huì)大大提高養(yǎng)護(hù)的成本,并在一定程度上造成浪費(fèi)[6]。在對(duì)護(hù)欄進(jìn)行改造升級(jí)時(shí),如果能對(duì)原有的護(hù)欄設(shè)施進(jìn)行一定的改造與利用,而非簡(jiǎn)單的更換,使其滿足相關(guān)規(guī)范要求,既可以減少養(yǎng)護(hù)工程的工作量,還可以降低養(yǎng)護(hù)成本,對(duì)道路的運(yùn)營(yíng)影響也較小[7-8]。因此,對(duì)現(xiàn)有護(hù)欄進(jìn)行提質(zhì)升級(jí)改造的研究具有重要價(jià)值。

為了提高波形護(hù)欄的防護(hù)能力,使其更容易通過(guò)更換部件完成升級(jí),波形護(hù)欄的各組件應(yīng)實(shí)現(xiàn)模塊化。李慧珍[9]通過(guò)研究給出了一些護(hù)欄改造方案,分別針對(duì)路側(cè)波形梁護(hù)欄防撞擊能量為93、160、280 kJ和中分帶波形梁護(hù)欄在防撞擊能量為93、160 kJ五種工況,對(duì)于高速公路的護(hù)欄改造具有一定的參考價(jià)值。陳岳峰等[10]通過(guò)有限元模擬和材料性能試驗(yàn),對(duì)護(hù)欄的實(shí)際防護(hù)能力、防護(hù)等級(jí)需求、護(hù)欄適用性等方面開展評(píng)價(jià),結(jié)合評(píng)估結(jié)論與護(hù)欄的技術(shù)現(xiàn)狀對(duì)護(hù)欄的改造升級(jí)提出了一些對(duì)應(yīng)的改造措施。王敏等[11]建立了有限元模型,分別模擬大客車、半掛車在與波形護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)不同波形護(hù)欄的阻攔效果,根據(jù)結(jié)構(gòu)分析為現(xiàn)有的護(hù)欄改造方案提供一定的依據(jù)。雷正保等[12]對(duì)永吉高速公路護(hù)欄進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),有效解決了車輛爬上、越過(guò)、翻越、內(nèi)側(cè)翻車的問題,為護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一種有效、可行的設(shè)計(jì)思路。基于此提出一種雙層雙波的護(hù)欄提升改造技術(shù),采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)校核的仿真有限元模型,建立防護(hù)等級(jí)達(dá)到A級(jí)(160 kJ)的車輛-護(hù)欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護(hù)欄”碰撞過(guò)程,計(jì)算分析護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能以及變形相關(guān)指標(biāo),為雙層雙波護(hù)欄提升改造提供依據(jù)和參考。

1 改造提升方案

沈海高速某段路側(cè)波形梁護(hù)欄改造采用雙層雙波護(hù)欄。下層護(hù)欄板為既有波形梁護(hù)欄保持不動(dòng),即4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm護(hù)欄板、Φ140 mm×4.5 mm×1 850 mm立柱、立柱間距4 m、300 mm×70 mm×4.5 mm托架。上層護(hù)欄板及拼接螺栓利用中分帶拆除的護(hù)欄構(gòu)件,護(hù)欄板型號(hào)為4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm,新打入立柱Φ140 mm×4.5 mm×2 650 mm,新打入立柱間距4 m,增設(shè)A型防阻塊178 mm×200 mm×3 mm。雙層雙波護(hù)欄板橫梁中心距迎撞面處的路面高度分別為56 cm、96 cm。

該雙層雙波護(hù)欄設(shè)計(jì)的試驗(yàn)護(hù)欄相似。試驗(yàn)護(hù)欄是對(duì)《公路交通安全設(shè)施施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3671—2021)帶防阻塊的A級(jí)波形梁護(hù)欄的提升改造,改造技術(shù)要點(diǎn)為:加密立柱,在相鄰立柱之間新增Φ114 mm×4.5 mm,Φ114 mm×4.5 mm立柱打入深度為1.1 m,在原護(hù)欄板上方增設(shè)4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm護(hù)欄板,新增護(hù)欄板與原護(hù)欄板的中心間距為40 cm,新增立柱與新增護(hù)欄板和原護(hù)欄板均采用178 mm×200 mm×3 mm防阻塊連接。經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證,試驗(yàn)護(hù)欄防護(hù)等級(jí)能夠達(dá)到《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81—2017)的A級(jí)(160 kJ)。

路側(cè)波形梁雙層雙波改造護(hù)欄與試驗(yàn)護(hù)欄的主要區(qū)別是:

(1)路側(cè)波形梁雙層雙波改造護(hù)欄下層護(hù)欄板通過(guò)托架與立柱連接,試驗(yàn)護(hù)欄下層護(hù)欄板通過(guò)防阻塊與立柱連接。

(2)路側(cè)波形梁雙層雙波改造護(hù)欄加高立柱與下層護(hù)欄板未連接,試驗(yàn)護(hù)欄加高立柱與下層護(hù)欄板連接。

選用計(jì)算機(jī)模擬與實(shí)車碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)雙層雙波改造護(hù)欄在發(fā)生碰撞時(shí)的防護(hù)等級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證。采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)校核的仿真有限元模型,建立試驗(yàn)護(hù)欄和雙層雙波改造護(hù)欄的車輛-護(hù)欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護(hù)欄”碰撞過(guò)程,計(jì)算護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能以及變形相關(guān)指標(biāo),分析雙層雙波改造護(hù)欄與試驗(yàn)護(hù)欄防護(hù)性能的差異,從而判斷雙層雙波改造護(hù)欄防護(hù)等級(jí)能夠達(dá)到《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81—2017)的A級(jí)(160 kJ)[13]。

2 碰撞系統(tǒng)有限元模型

2.1 車輛模型

按車輛實(shí)際尺寸建立有限元模型,車身結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬構(gòu)件,單元類型主要為四邊形單點(diǎn)積分殼單元,這種單元具有良好的變形性能,根據(jù)車輛與護(hù)欄的碰撞接觸情況,選用不同的單元特征長(zhǎng)度以劃分車輛的不同部位,這種措施可以有效地提高計(jì)算的精度和效率。車身薄壁金屬構(gòu)件采用多線性、彈塑性、各向同性硬化材料,采用Cowper-Symons模型來(lái)考慮應(yīng)變率效應(yīng),輪胎根據(jù)其特性選定彈性材料進(jìn)行模擬,此外利用剛性實(shí)體材料搭建發(fā)動(dòng)機(jī)、懸架及制動(dòng)系統(tǒng)模型。根據(jù)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)確定小型車與大型車的輪胎胎壓分別為0.3和0.8 MPa。全車各部件之間連接方式使用點(diǎn)焊進(jìn)行連接,在可以活動(dòng)的部位,如車門和車體之間選用可以活動(dòng)的鉸接點(diǎn)單元進(jìn)行連接。

2.2 鋼材模型

在進(jìn)行仿真時(shí)不考慮Q235鋼材應(yīng)變率,即其應(yīng)變率為0。車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞的過(guò)程為一種動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程,在發(fā)生動(dòng)態(tài)沖擊過(guò)程中材料會(huì)出現(xiàn)沖擊硬化現(xiàn)象,因此需要獲取材料的沖擊硬化參數(shù)來(lái)保證仿真的精度。采用Hopkinson壓桿沖擊試驗(yàn)得到的應(yīng)力應(yīng)變曲線,將其作為考慮應(yīng)變率的材料仿真參數(shù)。

在LS-DYNA模型中,鋼材采用Mat24材料模擬,將以上材料參數(shù)輸入鋼護(hù)欄仿真模型后,通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比校核驗(yàn)證仿真參數(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.3 改造護(hù)欄有限元模型

改造護(hù)欄有限元模型中的護(hù)欄板、防阻塊、拖架均采用shell單元模擬,材料為Mat24(即彈塑性材料MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)。拼接螺栓和連接螺栓均采用梁?jiǎn)卧M,將立柱折彎點(diǎn)設(shè)置在路面以下13 cm位置處。護(hù)欄設(shè)置長(zhǎng)度為70 m,護(hù)欄板兩端固結(jié)。

2.4 碰撞條件

在模擬碰撞時(shí)利用關(guān)鍵字*RIGIDWALL_PLANAR定義輪胎與地面的接觸,摩擦系數(shù)取0.7,通過(guò)*LOAD_BODY_Z給碰撞系統(tǒng)施加重力加速度,通過(guò)*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分別定義碰撞車輛內(nèi)部、復(fù)合材料護(hù)板內(nèi)部自接觸;通過(guò)*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定義車輛與護(hù)欄接觸,由于車輛與PU泡沫剛度相差較大,設(shè)定參數(shù)soft=1[14]。

將護(hù)欄模型導(dǎo)入車輛模型之后,車輛碰撞護(hù)欄有限元模型通過(guò)碰撞速度、碰撞角度、接觸以及調(diào)整碰撞點(diǎn)的設(shè)置進(jìn)行確定。

根據(jù)相關(guān)規(guī)定,A級(jí)(160 kJ)護(hù)欄的碰撞條件為1.5 t小型客車、10 t中型客車、10 t中型貨車分別以100、60、60 km/h行駛速度20°撞擊各護(hù)欄[15],如表1所示。

表1 A級(jí)(160 kJ)試驗(yàn)碰撞條件

3 改造護(hù)欄仿真模擬分析

3.1 小型客車碰撞

1.5 t小型客車碰撞護(hù)欄仿真計(jì)算結(jié)果如圖1～圖4所示。車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞后,未發(fā)生穿越、騎跨護(hù)欄,護(hù)欄構(gòu)件未出現(xiàn)侵入駕駛員位置的現(xiàn)象;以車輛重心的加速度作為計(jì)算參數(shù),可以得到發(fā)生碰撞時(shí)成員的縱向和橫向分量分別為OIVx=5.84 m/s和OIVy=6.04 m/s,發(fā)生碰撞后加速度縱向和橫向分量分別為ORAx=96 m/s2和ORAy=68 m/s2;發(fā)生碰撞后車輛未出現(xiàn)翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象,位移輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求,經(jīng)檢驗(yàn)1.5 t小型客車碰撞護(hù)欄結(jié)果滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖1 小型客車行駛姿態(tài)

圖2 小型客車輪跡

圖3 小型客車碰撞后護(hù)欄變形損壞形態(tài)

圖4 小型客車碰撞后護(hù)欄變形指標(biāo)

3.2 中型客車碰撞

10 t中型客車碰撞護(hù)欄仿真計(jì)算結(jié)果如圖5～圖8所示。車輛碰撞護(hù)欄后,沒有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄,護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙;車輛順利導(dǎo)出,行駛姿態(tài)正常,沒有發(fā)生翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象,車輛輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D=0.70 m,護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值W=1.1 m,車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值VI=0.93 m,車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=1.01 m。10 t中型客車碰撞護(hù)欄結(jié)果滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖5 中型客車行駛姿態(tài)

圖6 中型客車輪跡

圖7 中型客車碰撞后護(hù)欄變形損壞形態(tài)

圖8 中型客車碰撞后護(hù)欄變形指標(biāo)

3.3 中型貨車碰撞

車輛碰撞護(hù)欄后,沒有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄,護(hù)欄構(gòu)件及其脫離件沒有侵入車輛乘員艙;車輛順利導(dǎo)出,行駛姿態(tài)正常,沒有發(fā)生翻車、橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象,車輛輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D=0.84 m,護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值W=0.90 m,車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值VI=0.98 m,車輛最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值VIn=0.98 m。10 t中型貨車碰撞護(hù)欄結(jié)果滿足檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)仿真模擬計(jì)算結(jié)果,在防護(hù)等級(jí)A級(jí)(160 kJ)的碰撞條件下,小型客、中型客車和中型貨車碰撞改造護(hù)欄的安全性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)的要求。

4 改造護(hù)欄與試驗(yàn)護(hù)欄安全性能指標(biāo)對(duì)比

改造護(hù)欄和試驗(yàn)護(hù)欄的仿真模擬計(jì)算結(jié)果對(duì)比匯總?cè)绫?所示,主要指標(biāo)包括:護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值、車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值、車輛輪跡、小型客車緩沖功能指標(biāo)。車輛輪跡的計(jì)算結(jié)果不僅與護(hù)欄型式有關(guān),受車輛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的影響也較大,在仿真模擬計(jì)算及試驗(yàn)中均表現(xiàn)出一定的離散性,因此兩種護(hù)欄安全性能指標(biāo)對(duì)比時(shí)主要考慮中型客車和中型貨車碰撞后的護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值、車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值以及小型客車碰撞后的緩沖功能指標(biāo)。

表2 仿真計(jì)算結(jié)果匯總

由表2的計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知,改造護(hù)欄的護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值、車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值小于試驗(yàn)護(hù)欄,因此改造護(hù)欄對(duì)中型客車和中型貨車的阻擋功能指標(biāo)優(yōu)于試驗(yàn)護(hù)欄。改造護(hù)欄的乘員碰撞后加速度小于試驗(yàn)護(hù)欄,試驗(yàn)護(hù)欄的乘員碰撞速度指標(biāo)大于試驗(yàn)護(hù)欄;對(duì)于波形梁護(hù)欄,在小型客車碰撞護(hù)欄后沒有發(fā)生絆阻、順利導(dǎo)出的情況下,小型客車緩沖功能均能符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,因此即使改造護(hù)欄的乘員碰撞速度指標(biāo)大于試驗(yàn)護(hù)欄,考慮到小型客車碰撞改造護(hù)欄后順利導(dǎo)出,認(rèn)為改造護(hù)欄的緩沖功能能夠滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

5 結(jié) 論

A級(jí)(160 kJ)的碰撞條件下,小型客車、中型客車和中型貨車碰撞路側(cè)改造雙層雙波護(hù)欄,采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)校核的仿真有限元模型,建立防護(hù)等級(jí)達(dá)到A級(jí)(160 kJ)的試驗(yàn)護(hù)欄和路側(cè)波形梁護(hù)欄改造結(jié)構(gòu)的車輛-護(hù)欄碰撞仿真模型,模擬“車輛-護(hù)欄”碰撞過(guò)程,計(jì)算分析護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能以及變形相關(guān)指標(biāo),得出以下結(jié)論。

(1)根據(jù)仿真模擬計(jì)算結(jié)果,防護(hù)等級(jí)安全性能各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)的要求。

(2)改造護(hù)欄對(duì)中型客車和中型貨車的阻擋功能指標(biāo)優(yōu)于試驗(yàn)護(hù)欄,改造護(hù)欄的乘員碰撞后加速度指標(biāo)優(yōu)于試驗(yàn)護(hù)欄,試驗(yàn)護(hù)欄的乘員碰撞速度指標(biāo)優(yōu)于改造護(hù)欄,小型客車碰撞改造護(hù)欄后順利導(dǎo)出,綜合改造護(hù)欄和試驗(yàn)護(hù)欄的安全性能對(duì)比分析,認(rèn)為本項(xiàng)目路側(cè)波形梁護(hù)欄改造結(jié)構(gòu)防護(hù)等級(jí)能夠達(dá)到《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)的A級(jí)(160 kJ)。

(3)在護(hù)欄仿真模型中模擬原護(hù)欄時(shí),認(rèn)為護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸、基礎(chǔ)以及力學(xué)性能指標(biāo)等均符合建設(shè)期標(biāo)準(zhǔn),現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施時(shí)應(yīng)對(duì)原護(hù)欄上述結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行復(fù)核,并確保護(hù)欄的改造施工滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。