基于仿真模拟的双层双波护栏升级改造

胡 健,张浩浩,王 坤

(江苏现代路桥有限责任公司,江苏 南京 210049)

0 引 言

近年来我国交通运输行业得到了飞速的发展,在交通量逐年增大的同时,交通事故也不断增多,严重威胁了驾乘人员的人身安全,造成了大量的经济损失,部分严重的交通事故往往还伴随着恶劣的社会影响。交通事故中占比较高的一类是路侧交通事故,路侧交通事故在占比较高的同时,带来的后果往往也较为严重,而护栏对于减轻路侧交通事故的危害起到了重要的作用[1]。国内对于护栏进行了较多的研究,研究对象包括混凝土护栏、薄梁护栏、缆索护栏等,从护栏的结构、端头设计及截面参数等角度开展研究,研究方式包括有限元模拟、实车碰撞试验等[2-5]。

为进一步强化高速公路交通安全运营保障能力,各高速公路管养单位相继对所管养路段道路沿线的交通安全设施进行改造升级。然而在对交通设施进行改造升级时,将所有的防护等级较低的护栏进行更换,将会大大提高养护的成本,并在一定程度上造成浪费[6]。在对护栏进行改造升级时,如果能对原有的护栏设施进行一定的改造与利用,而非简单的更换,使其满足相关规范要求,既可以减少养护工程的工作量,还可以降低养护成本,对道路的运营影响也较小[7-8]。因此,对现有护栏进行提质升级改造的研究具有重要价值。

为了提高波形护栏的防护能力,使其更容易通过更换部件完成升级,波形护栏的各组件应实现模块化。李慧珍[9]通过研究给出了一些护栏改造方案,分别针对路侧波形梁护栏防撞击能量为93、160、280 kJ和中分带波形梁护栏在防撞击能量为93、160 kJ五种工况,对于高速公路的护栏改造具有一定的参考价值。陈岳峰等[10]通过有限元模拟和材料性能试验,对护栏的实际防护能力、防护等级需求、护栏适用性等方面开展评价,结合评估结论与护栏的技术现状对护栏的改造升级提出了一些对应的改造措施。王敏等[11]建立了有限元模型,分别模拟大客车、半挂车在与波形护栏发生碰撞时不同波形护栏的阻拦效果,根据结构分析为现有的护栏改造方案提供一定的依据。雷正保等[12]对永吉高速公路护栏进行了优化设计,有效解决了车辆爬上、越过、翻越、内侧翻车的问题,为护栏优化设计提供了一种有效、可行的设计思路。基于此提出一种双层双波的护栏提升改造技术,采用经实车碰撞试验校核的仿真有限元模型,建立防护等级达到A级(160 kJ)的车辆-护栏碰撞仿真模型,模拟“车辆-护栏”碰撞过程,计算分析护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能以及变形相关指标,为双层双波护栏提升改造提供依据和参考。

1 改造提升方案

沈海高速某段路侧波形梁护栏改造采用双层双波护栏。下层护栏板为既有波形梁护栏保持不动,即4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm护栏板、Φ140 mm×4.5 mm×1 850 mm立柱、立柱间距4 m、300 mm×70 mm×4.5 mm托架。上层护栏板及拼接螺栓利用中分带拆除的护栏构件,护栏板型号为4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm,新打入立柱Φ140 mm×4.5 mm×2 650 mm,新打入立柱间距4 m,增设A型防阻块178 mm×200 mm×3 mm。双层双波护栏板横梁中心距迎撞面处的路面高度分别为56 cm、96 cm。

该双层双波护栏设计的试验护栏相似。试验护栏是对《公路交通安全设施施工技术规范》(JTG/T 3671—2021)带防阻块的A级波形梁护栏的提升改造,改造技术要点为:加密立柱,在相邻立柱之间新增Φ114 mm×4.5 mm,Φ114 mm×4.5 mm立柱打入深度为1.1 m,在原护栏板上方增设4 320 mm×310 mm×85 mm×3 mm护栏板,新增护栏板与原护栏板的中心间距为40 cm,新增立柱与新增护栏板和原护栏板均采用178 mm×200 mm×3 mm防阻块连接。经实车碰撞试验验证,试验护栏防护等级能够达到《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)的A级(160 kJ)。

路侧波形梁双层双波改造护栏与试验护栏的主要区别是:

(1)路侧波形梁双层双波改造护栏下层护栏板通过托架与立柱连接,试验护栏下层护栏板通过防阻块与立柱连接。

(2)路侧波形梁双层双波改造护栏加高立柱与下层护栏板未连接,试验护栏加高立柱与下层护栏板连接。

选用计算机模拟与实车碰撞试验相结合的方法,对双层双波改造护栏在发生碰撞时的防护等级进行验证。采用经实车碰撞试验校核的仿真有限元模型,建立试验护栏和双层双波改造护栏的车辆-护栏碰撞仿真模型,模拟“车辆-护栏”碰撞过程,计算护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能以及变形相关指标,分析双层双波改造护栏与试验护栏防护性能的差异,从而判断双层双波改造护栏防护等级能够达到《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)的A级(160 kJ)[13]。

2 碰撞系统有限元模型

2.1 车辆模型

按车辆实际尺寸建立有限元模型,车身结构主要是薄壁金属构件,单元类型主要为四边形单点积分壳单元,这种单元具有良好的变形性能,根据车辆与护栏的碰撞接触情况,选用不同的单元特征长度以划分车辆的不同部位,这种措施可以有效地提高计算的精度和效率。车身薄壁金属构件采用多线性、弹塑性、各向同性硬化材料,采用Cowper-Symons模型来考虑应变率效应,轮胎根据其特性选定弹性材料进行模拟,此外利用刚性实体材料搭建发动机、悬架及制动系统模型。根据相关检测数据确定小型车与大型车的轮胎胎压分别为0.3和0.8 MPa。全车各部件之间连接方式使用点焊进行连接,在可以活动的部位,如车门和车体之间选用可以活动的铰接点单元进行连接。

2.2 钢材模型

在进行仿真时不考虑Q235钢材应变率,即其应变率为0。车辆与护栏发生碰撞的过程为一种动态冲击过程,在发生动态冲击过程中材料会出现冲击硬化现象,因此需要获取材料的冲击硬化参数来保证仿真的精度。采用Hopkinson压杆冲击试验得到的应力应变曲线,将其作为考虑应变率的材料仿真参数。

在LS-DYNA模型中,钢材采用Mat24材料模拟,将以上材料参数输入钢护栏仿真模型后,通过实车碰撞试验结果对比校核验证仿真参数的准确性和可靠性。

2.3 改造护栏有限元模型

改造护栏有限元模型中的护栏板、防阻块、拖架均采用shell单元模拟,材料为Mat24(即弹塑性材料MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY)。拼接螺栓和连接螺栓均采用梁单元模拟,将立柱折弯点设置在路面以下13 cm位置处。护栏设置长度为70 m,护栏板两端固结。

2.4 碰撞条件

在模拟碰撞时利用关键字*RIGIDWALL_PLANAR定义轮胎与地面的接触,摩擦系数取0.7,通过*LOAD_BODY_Z给碰撞系统施加重力加速度,通过*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE分别定义碰撞车辆内部、复合材料护板内部自接触;通过*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定义车辆与护栏接触,由于车辆与PU泡沫刚度相差较大,设定参数soft=1[14]。

将护栏模型导入车辆模型之后,车辆碰撞护栏有限元模型通过碰撞速度、碰撞角度、接触以及调整碰撞点的设置进行确定。

根据相关规定,A级(160 kJ)护栏的碰撞条件为1.5 t小型客车、10 t中型客车、10 t中型货车分别以100、60、60 km/h行驶速度20°撞击各护栏[15],如表1所示。

表1 A级(160 kJ)试验碰撞条件

3 改造护栏仿真模拟分析

3.1 小型客车碰撞

1.5 t小型客车碰撞护栏仿真计算结果如图1～图4所示。车辆与护栏发生碰撞后,未发生穿越、骑跨护栏,护栏构件未出现侵入驾驶员位置的现象;以车辆重心的加速度作为计算参数,可以得到发生碰撞时成员的纵向和横向分量分别为OIVx=5.84 m/s和OIVy=6.04 m/s,发生碰撞后加速度纵向和横向分量分别为ORAx=96 m/s2和ORAy=68 m/s2;发生碰撞后车辆未出现翻车、横转、掉头现象,位移轮迹满足导向驶出框要求,经检验1.5 t小型客车碰撞护栏结果满足检验标准要求。

图1 小型客车行驶姿态

图2 小型客车轮迹

图3 小型客车碰撞后护栏变形损坏形态

图4 小型客车碰撞后护栏变形指标

3.2 中型客车碰撞

10 t中型客车碰撞护栏仿真计算结果如图5～图8所示。车辆碰撞护栏后,没有穿越、翻越、骑跨护栏,护栏构件及其脱离件没有侵入车辆乘员舱;车辆顺利导出,行驶姿态正常,没有发生翻车、横转、掉头现象,车辆轮迹满足导向驶出框要求。护栏最大横向动态变形值D=0.70 m,护栏最大横向动态位移外延值W=1.1 m,车辆最大动态外倾值VI=0.93 m,车辆最大动态外倾当量值VIn=1.01 m。10 t中型客车碰撞护栏结果满足检验标准要求。

图5 中型客车行驶姿态

图6 中型客车轮迹

图7 中型客车碰撞后护栏变形损坏形态

图8 中型客车碰撞后护栏变形指标

3.3 中型货车碰撞

车辆碰撞护栏后,没有穿越、翻越、骑跨护栏,护栏构件及其脱离件没有侵入车辆乘员舱;车辆顺利导出,行驶姿态正常,没有发生翻车、横转、掉头现象,车辆轮迹满足导向驶出框要求。护栏最大横向动态变形值D=0.84 m,护栏最大横向动态位移外延值W=0.90 m,车辆最大动态外倾值VI=0.98 m,车辆最大动态外倾当量值VIn=0.98 m。10 t中型货车碰撞护栏结果满足检验标准要求。

根据仿真模拟计算结果,在防护等级A级(160 kJ)的碰撞条件下,小型客、中型客车和中型货车碰撞改造护栏的安全性能各项指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)的要求。

4 改造护栏与试验护栏安全性能指标对比

改造护栏和试验护栏的仿真模拟计算结果对比汇总如表2所示,主要指标包括:护栏最大横向动态变形值、车辆最大动态外倾值、车辆轮迹、小型客车缓冲功能指标。车辆轮迹的计算结果不仅与护栏型式有关,受车辆转向系统的影响也较大,在仿真模拟计算及试验中均表现出一定的离散性,因此两种护栏安全性能指标对比时主要考虑中型客车和中型货车碰撞后的护栏最大横向动态变形值、车辆最大动态外倾值以及小型客车碰撞后的缓冲功能指标。

表2 仿真计算结果汇总

由表2的计算结果对比可知,改造护栏的护栏最大横向动态变形值、车辆最大动态外倾值小于试验护栏,因此改造护栏对中型客车和中型货车的阻挡功能指标优于试验护栏。改造护栏的乘员碰撞后加速度小于试验护栏,试验护栏的乘员碰撞速度指标大于试验护栏;对于波形梁护栏,在小型客车碰撞护栏后没有发生绊阻、顺利导出的情况下,小型客车缓冲功能均能符合评价标准规定,因此即使改造护栏的乘员碰撞速度指标大于试验护栏,考虑到小型客车碰撞改造护栏后顺利导出,认为改造护栏的缓冲功能能够满足评价标准要求。

5 结 论

A级(160 kJ)的碰撞条件下,小型客车、中型客车和中型货车碰撞路侧改造双层双波护栏,采用经实车碰撞试验校核的仿真有限元模型,建立防护等级达到A级(160 kJ)的试验护栏和路侧波形梁护栏改造结构的车辆-护栏碰撞仿真模型,模拟“车辆-护栏”碰撞过程,计算分析护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能以及变形相关指标,得出以下结论。

(1)根据仿真模拟计算结果,防护等级安全性能各项指标均满足《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)的要求。

(2)改造护栏对中型客车和中型货车的阻挡功能指标优于试验护栏,改造护栏的乘员碰撞后加速度指标优于试验护栏,试验护栏的乘员碰撞速度指标优于改造护栏,小型客车碰撞改造护栏后顺利导出,综合改造护栏和试验护栏的安全性能对比分析,认为本项目路侧波形梁护栏改造结构防护等级能够达到《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)的A级(160 kJ)。

(3)在护栏仿真模型中模拟原护栏时,认为护栏结构尺寸、基础以及力学性能指标等均符合建设期标准,现场实施时应对原护栏上述结构参数进行复核,并确保护栏的改造施工满足相关标准规范的要求。