不同车型下HA级防撞混凝土护栏碰撞仿真分析

袁旭阳

(青海省交通规划设计研究院有限公司， 青海 西宁 810000)

在山区高架枢纽互通设计中，由于受地形限制，其转弯半径往往较小，运行速度较大的车辆在该类路段行驶时容易以大角度碰撞桥梁护栏，车辆很容易发生侧翻坠落事故。

闫书明等针对危险路段提出了具备630 kJ防撞能力的桥梁护栏，但随着高速公路上超载超限的大型车辆越来越多，在某些特殊危险路段630 kJ防撞能力的桥梁护栏可能不再安全。该文以某满足760 kJ碰撞能量要求的HA级防撞桥梁护栏为研究对象，采用LS-DYNA平台模拟分析不同车型碰撞过程，研究成果可为山区复杂高架枢纽互通护栏设计提供参考。

1 HA级钢筋混凝土护栏结构设计参数

实践应用表明:F形坡面护栏较单坡面具有更好的导向性和缓冲性能，因此试验护栏选择F形坡面的机构形式，且在护栏的顶部设置阻爬砍可有效防止车辆侧翻的功能。合理的高度设计可有效增加混凝土护栏在公路上的安全储备。综合设计规范对护栏高度的要求，取护栏高度为1.3 m，混凝土强度为C40。确定HA级桥梁混凝土护栏结构墙体外轮廓尺寸如图1所示。

图1 桥梁护栏墙体外轮廓(单位：mm)

根据现行设计规范中关于桥梁混凝土护栏配筋强度的要求，墙体中竖筋采用直径为16的Ⅲ级钢筋，纵筋采用直径为12 mm的Ⅲ级钢筋，如图2所示。

图2 HA级桥梁混凝土护栏配筋图(单位：mm)

2 有限元模型建立及验证

基于有限元方法的计算机仿真技术可计算碰撞类复杂物理过程。在LS-DYNA中可采用拉格朗日增量动态方程描述碰撞大变形几何非线性效应，调用显示中心差分法即可完成对碰撞几何非线性的模拟；对于材料非线性行为的描述采用Von Mises屈服准则；对于碰撞边界非线性的模拟可采用罚函数法。

2.1 车辆及混凝土护栏有限元模型

根据车辆实际尺寸建立车辆有限元模型，车身结构采用计入大变形的四边形单点积分壳单元模拟，单元翘屈度控制在15以内，长宽比不大于4，角度控制在[45°,135°]区间；使用Cowper-Symons模型来考虑材料的应变率效应；边界非线性问题通过设置基于惩罚函数法的Automatic_Single_Surface接触类型解决。车辆参数及有限元模型见表1及图3。

表1 车辆类型及参数

图3 车辆有限元模型

有限元模拟时，忽略路面变形，将路面作为刚性处理。碰撞系统坐标系以车辆行驶方向为x坐标，宽度方向为y坐标，z方向垂直于xy平面。

护栏混凝土部分采用Mat159号材料进行模拟，钢筋采用弹塑性材料模拟，其应力-应变曲线根据Hopkinson压杆冲击试验确定，两者之间的连接通过设置*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID进行约束。

2.2 有限元模型验证

通过开展实车碰撞试验验证有限元模型的合理性和正确性，试验采用核定重量2 t的小车以30 km/h的速度正面撞击HA级钢筋混凝土护栏，观察护栏损伤情况，并与理论计算结果进行对比(图4)。

图4 实车碰撞混凝土护栏试验与模拟损伤对比

由图4可知：实车碰撞与有限元模拟结构裂缝分布及损伤情况基本一致，两者结果高度吻合。故可认为该有限元模型能较为精确地模拟护栏碰撞过程，从而验证了有限元模型的正确性和合理性。

3 仿真模拟结果分析

分别建立小客车、大客车、整体式货车及鞍式货车4种车型有限元模型以模拟其碰撞过程，其中小客车及大客车主要考察车辆碰撞以后的加速度及导向阻拦功能，整体式货车及鞍式货车主要考察碰撞后导向功能及混凝土护栏损伤情况。

(1) 小客车碰撞结果分析

建立小客车碰撞护栏仿真模型，碰撞条件为：1.5 t小客车，车身长4.6 m，宽1.77 m，高1.4 m，以100 km/h的速度碰撞护栏，碰撞角度为20°。图5为小客车碰撞护栏过程有限元模拟示意图。结果表明：车辆头部碰撞护栏后，没有出现翻越和穿出护栏现象，经过护栏导向后平稳驶出，而且能够正常行驶，结果表明护栏导向和阻挡功能良好。

图5 小客车碰撞过程

图6、7分别为小客车碰撞护栏的加速度时程曲线和碰撞护栏后车辆行驶轨迹图。

图6 小客车碰撞过程加速度时程曲线

图7 小客车碰撞行驶轨迹图(单位：m)

图6、7表明：x向(纵向)乘员碰撞后加速度为95.8 m/s2，y向(横向)乘员碰撞后加速度为123 m/s2，均小于200 m/s2；x向(纵向)乘员碰撞速度为3.8 m/s，y向(横向)乘员碰撞速度为7.8 m/s，均小于12 m/s；小客车碰撞混凝土护栏后行驶轨迹未驶出导向框，且小客车驶出导向框后没有翻车，车身保持完整，结果表明护栏导向功能良好。

(2) 大客车碰撞结果分析

建立大客车碰撞护栏仿真模型。碰撞条件为：10 t大客车、车身长10 m，宽2.4 m、高3.1 m，以60 km/h的速度碰撞护栏、其碰撞角度为20°。图8、9分别为标准碰撞条件下大客车碰撞护栏过程图和碰撞护栏后车辆行驶轨迹图。图8、9表明：大客车头部碰撞护栏后，没有出现翻越和穿出护栏现象，经过护栏导向后平稳驶出，而且能够正常行驶，表明护栏导向和阻挡功能良好。大客车碰撞特高防撞等级F形混凝土护栏后，未驶出导向框，且大客车未翻车，车身较为完整。

图8 大客车碰撞过程

图9 大客车碰撞行驶轨迹图(单位：m)

(3) 整体式货车碰撞

建立整体式货车碰撞护栏模型，碰撞条件为：40 t整体式货车，以65 km/h的速度碰撞护栏、其碰撞角度为20°。图10、11分别为整体式货车碰撞护栏过程图和整体式货车碰撞护栏后行驶轨迹图。

图10 整体式货车碰撞过程

图11 整体式货车碰撞行驶轨迹图(单位：m)

图10、11表明：大货车头部碰撞护栏后，没有出现翻越和穿出护栏现象，经过护栏导向后平稳驶出，而且能够正常行驶，结果表明护栏导向和阻挡功能良好。大货车碰撞混凝土护栏后，未驶出导向框，且大客车驶离后未翻车，车身较为完整。图12为整体式货车碰撞后护栏损坏情况，混凝土护栏局部损坏，损伤部位为护栏上部，损伤表征为混凝土破损，但未对护栏造成破坏性影响。

图12 整体式货车碰撞护栏损坏情况

(4) 鞍式货车碰撞

建立鞍式货车碰撞护栏模型，碰撞条件为：55 t鞍式货车，以65 km/h的速度碰撞护栏、其碰撞角度为20°。图13、14分别为鞍式货车碰撞护栏过程图和鞍式货车碰撞护栏后行驶轨迹图。

图13 鞍式货车碰撞过程

图14 鞍式货车碰撞行驶轨迹图(单位：m)

图13、14表明：鞍式货车头部碰撞护栏后，没有出现翻越和穿出护栏现象，经过护栏导向后平稳驶出，而且能够正常行驶，结果表明护栏导向和阻挡功能良好。鞍式货车碰撞特高防撞等级F形混凝土护栏后，未驶出导向框，且鞍式客车驶离后未翻车，车身较为完整。图15为鞍式货车碰撞后护栏损坏情况，混凝土护栏局部损坏，损伤情况较整体式货车严重，主要受损部位为护栏上下部区域，损伤表征为混凝土破损，但仍未对护栏造成破坏性影响。

图15 鞍式货车碰撞护栏损坏情况

4 结论

以某HA级防撞混凝土护栏为研究对象，使用LS-DYNA建立4种不同车型的仿真模型和混凝土护栏模型，并通过实车碰撞对有限元模型进行了验证，同时对4种车型撞击混凝土护栏后车辆行驶轨迹及护栏损伤情况进行分析，得到如下结论：

(1) 实车撞击试验表明：基于大变形和接触非线性理论建立的碰撞模型具有较高的模拟精度，试验碰撞结果与有限元模拟结果基本一致，护栏破坏特征高度吻合，有限元模型可用于对不同车型撞击护栏的动力分析。

(2) 通过建立4种不同车型与护栏的高精度计算机碰撞仿真模型，并对其碰撞过程进行分析求解，碰撞后小型车辆纵向和横向速度分别为3.8、7.8 m/s，小于规范要求的12 m/s；纵向和横向加速度分别为95.8、123 m/s2，小于规范要求200 m/s2，护栏阻挡功能满足规范要求。

(3) 4种车型撞击护栏后车辆行驶轨迹均在导向框范围内，说明该护栏具有较好的导向功能。

(4) 整体式货车及鞍式货车撞击护栏后护栏表面混凝土有一定损伤，但均未造成结构性破坏。