撞擊過程中農村公路波形護欄動力響應研究

李江江

摘要 為對車輛撞擊農村公路波形護欄過程中車輛及防護欄的動力響應進行研究，文章以雷山縣2022年農村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結構，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規律。研究結果表明：（1）車輛撞擊護欄后，護欄最大動態變形先增大，后減小。（2）車輛速度先呈下降趨勢；托架、立柱、波形梁板隨時間的增大，吸收的能量呈上升趨勢，先增大后保持穩定，能量變化曲線斜率逐漸減小。（3）撞擊過程中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護欄結構中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

關鍵詞 撞擊；公路；波形防護欄；動力響應；能量

中圖分類號 U417.12文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0064-03

0 引言

村級公路對加強城鄉聯系，促進農村地區的資源開發，疏通和擴大農產品信息交流渠道，改善農村投資環境，促進小城鎮建設等都具有十分重要的意義[1]。但是，由于受資金限制，部分農村公路建設標準低，公路建設期間設置的安全防護工程較少，公路通車后存在較大的安全隱患[2]。隨著汽車保有量劇增，駕駛人員素質參差不齊，急需建設完善公路安全生命防護工程，確保農村公路安全通行，長期發揮效益[3]。

目前，國內外學者分別從不同角度對公路波形護欄進行了一系列研究。趙永利等[4]基于有限元軟件，建立了車輛碰撞護欄模型，研究了剛性護欄與半剛性護欄兩種工況條件下車輛質量對護欄變形、車輛質心加速度及車輛軌跡的影響；閆書明[5]基于有限元軟件，研究了車輛撞擊波形梁護欄圓頭式和地錨式端頭時車輛可能發生的事故模式，并提出了卷曲波形的端頭設計；潘兵宏等[6]基于能量守恒方法，并利用有限元軟件建立了護欄模型，綜合考慮了車型、碰撞角度、速度對護欄能量的影響；張秀麗等[7]基于室內靜載實驗和ANSYS有限元軟件，比較了兩種方法波形梁加載頭位移和載荷的關系及能量分布情況，驗證了ANSYS軟件分析的可行性；何勇[8]闡述了我國交通道路的發展狀況，比較了美、日兩國關于道路護欄的設計原理及結構特征，最后就我國變截面波形梁護欄的設計原理及優點進行了介紹。綜上所述，道路防護欄可以大幅度降低事故嚴重性，防護欄結構對車輛撞擊過程中動態響應的影響較為顯著，但對撞擊過程中農村公路波形護欄動力響應的研究較少。

鑒于此，該文以雷山縣2022年農村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結構，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規律。

1 工程概況

該文以雷山縣2022年農村公路安全防護工程為研究背景。該項目共有13條通村路，覆蓋雷山縣丹江、郎德、望豐、大塘、西江等5個鄉鎮，路線總長為20.037 km。項目區域內自然條件復雜，以山區公路為主，臨水臨崖、陡坡急彎等危險路段較多，原道路的標志、標牌、警示樁、波形護欄和鋼筋混凝土護欄設置不完善，對于行車和行人造成很大的安全隱患。以雷山縣大朝路口至大朝公路為例，公路現狀如圖1所示；該段位于雷山縣西江鎮，路線起點位于大朝路口與村道C051貓鼻嶺至北建段平面交叉，終點止于大朝村，全長1.593 km；路基寬度為4.5 m，路面寬度為3.5 m；路面類型為水泥混凝土路面，公路等級為等外級；該工程受益約1 200人。

項目既有波形護欄為舊規范B級波形梁護欄。該次設計考慮對破損部分進行修復，長度不足部分予以接長。新增的C級護欄板采用310 mm×85 mm×2.5 mm等截面波形梁，波形梁板長度一般為4 320 mm，C級護欄的立柱欄采用φ114×4.5 mm鋼管；護欄托架采用4.5 mm厚的鋼板焊接而成。波形梁板、立柱、托架等護欄鋼構件均采用Q235鋼；該項目波形梁護欄采用的連接螺栓、拼接螺栓均為高強螺栓。一般路段波形護欄的設置在路基外側，采用打入式；臨崖、臨坎路段波形護欄設置在加固路肩或既有漿砌護肩、擋墻及路面上時，采用打入式，打入時應采取措施避免對結構造物的破壞；部分路段因原有擋墻或護肩為干砌片石，波形護欄采用打入式易損壞原有構造，故可采用埋入式。

2 波形護欄安全性能仿真計算

2.1 波形梁板模型的建立

該文基于有限元軟件，建立C級波形護欄的數值模型，其波形梁板模型如圖2所示。

采用殼模型對波形梁板進行網格劃分，設置為彈塑性本構模型，波形梁板的物理力學參數如表1所示。

2.2 護欄模型的建立

基于有限元軟件，建立由波形梁板、空心圓管立柱、托架三部分組成的護欄模型，如圖3所示。

模型中采用剛性接觸模擬，護欄的物理力學參數如表2所示。

現有研究表明，車輛對護欄撞擊影響范圍最大為12跨。因此，設置護欄長為72 m，單跨立柱間距為4 m，共18跨。護欄單跨模型如圖4所示。

該文設置立柱嵌入深度為200 mm，1.5 t小型客車以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護欄24 m位置處。

3 結果分析

車輛撞擊護欄開始計時，護欄最大動態變形及車輛速度變化分別如圖5～6所示。

由圖5～6可知，車輛撞擊護欄后，護欄最大動態變形先增大，后減小；車輛速度先呈下降趨勢。護欄最大變形為856.78 mm，發生在0.948 s處；此時車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。當運動1.5 s后，護欄最大變形從856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護欄的彈性變形部分在逐漸恢復；此時速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

車輛撞擊護欄開始計時，組成護欄的三部分波形梁板、空心圓管立柱、托架在此過程中吸收的能量變化如圖7所示。

由圖7可知，三部分隨時間的增大，吸收的能量呈上升趨勢，先增大后保持穩定，能量變化曲線斜率在逐漸減小。托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，說明護欄結構共吸收了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%，說明護欄結構中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

在0.24 s之前，立柱能量曲線在托架能量曲線之下，可能與車輛位移還沒有完全到達立柱位置，之后立柱能量曲線均位于托架能量曲線之上。0.68 s時立柱能量曲線及波形梁板能量曲線相同，可能與護欄變形有關，如圖5所示，此時護欄處于位移下降或穩定階段。

4 結論

該文以雷山縣2022年農村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結構，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規律，得到如下主要結論：

（1）以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護欄24 m位置處時，0.948 s時護欄最大變形為856.78 mm；此時車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。

（2）1.5 s時護欄從最大變形856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護欄的彈性變形部分在逐漸恢復；此時速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

（3）托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，

說明護欄結構共吸收了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%，說明護欄結構中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

參考文獻

[1]陳方， 李武， 戢曉峰， 等. 基于梯度提升樹的公路基礎設施減貧效應研究[J]. 長江流域資源與環境， 2022（10）： 2146-2154.

[2]高海林. 農村公路投資及對區域經濟增長效益的研究[J]. 農業技術經濟， 2022（8）： 145.

[3]楊清偉. 貴州普通干線公路波形梁護欄再利用技術研究[J]. 公路， 2022（2）： 211-215.

[4]趙永利， 柳天振. 剛性護欄及半剛性護欄與車輛碰撞的安全性模擬分析[J]. 東南大學學報（自然科學版）， 2012（2）： 369-373.

[5]閆書明. 波形梁護欄端頭事故仿真分析與解決方案[J]. 系統仿真學報， 2010（7）： 1789-1791+1795.

[6]潘兵宏， 趙一飛， 楊少偉， 等. 高速公路中間帶波形梁護欄高度[J]. 長安大學學報（自然科學版）， 2008（1）： 51-54+76.

[7]張秀麗， 黃小清， 湯立群， 等. 靜載作用下具有縱向約束的波形護欄特性研究[J]. 華南理工大學學報（自然科學版）， 2003（S1）： 113-115+118.

[8]何勇. 我國的護欄設計條件及波形梁護欄結構機理[J]. 公路交通科技， 1994（2）： 30-35.