閆 書(shū) 明

(北京中路安交通科技有限公司，北京，100071)

城市橋側(cè)護(hù)欄是指設(shè)置于橋梁上的護(hù)欄，其目的是為了防止失控車(chē)輛越出橋外，具有使行駛車(chē)輛不能突破、下穿、翻越橋梁以及美化橋梁建筑的功能。我國(guó)城市道路橋側(cè)護(hù)欄的相關(guān)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)尚在制定中，目前大多城市橋側(cè)護(hù)欄均參考高速公路的相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)[1]。由于城市道路與高速公路設(shè)計(jì)有著較大不同，其護(hù)欄結(jié)構(gòu)與安全防護(hù)性也有較大變化，故需專(zhuān)門(mén)優(yōu)化其安全防護(hù)性能。為此，本文以某城區(qū)高架橋?yàn)槔?，設(shè)計(jì)出一種城市橋梁新型橋側(cè)混凝土護(hù)欄的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，并采用有限元仿真與碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的方法對(duì)其進(jìn)行安全防護(hù)性能分析，以期為城市高架橋橋側(cè)護(hù)欄的開(kāi)發(fā)與評(píng)價(jià)提供依據(jù)。

1 碰撞條件與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 碰撞條件

車(chē)型、車(chē)重、車(chē)速和碰撞角度分別為護(hù)欄碰撞條件的4大因素。根據(jù)相關(guān)規(guī)定，公路結(jié)構(gòu)形式的護(hù)欄應(yīng)分別采用小型車(chē)輛和大型車(chē)輛同時(shí)進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，小型車(chē)輛碰撞護(hù)欄主要評(píng)價(jià)車(chē)內(nèi)乘員的安全性和碰撞后車(chē)輛運(yùn)行軌跡，大型車(chē)輛碰撞護(hù)欄主要評(píng)價(jià)護(hù)欄防撞能力和碰撞后護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量。其中大型車(chē)的防撞能量、車(chē)重、車(chē)速和碰撞角度的關(guān)系式為

(1)

式中：w為護(hù)欄的防撞能量，kJ；m為碰撞車(chē)輛的車(chē)重，kg；v為碰撞速度，m/s；α為碰撞角度，(°)。

通過(guò)式(1)計(jì)算，可得護(hù)欄的防撞能量，根據(jù)護(hù)欄防撞能量就可確定護(hù)欄的防撞等級(jí)[1-2]，因此確定合理的碰撞條件是開(kāi)發(fā)與評(píng)價(jià)護(hù)欄的基礎(chǔ)。

某城區(qū)高架橋?yàn)殡p向六車(chē)道，設(shè)計(jì)速度為60 km/h。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，該高架橋的85%為防護(hù)目標(biāo)，其橋側(cè)護(hù)欄最高設(shè)計(jì)防撞等級(jí)為SB級(jí)，防撞能量為280 kJ[1]。但是依托工程向南跨越膠濟(jì)鐵路既有線和正建的客運(yùn)專(zhuān)線，一旦事故車(chē)輛穿越橋側(cè)護(hù)欄，不但有可能發(fā)生車(chē)輛砸傷橋下行人或車(chē)輛的惡性二次事故，還有可能發(fā)生砸壞鐵路或火車(chē)的特大事故，因此有必要進(jìn)一步提高橋側(cè)護(hù)欄的防撞等級(jí)，以消除或降低該類(lèi)事故的發(fā)生。

基于以上分析，取橋側(cè)護(hù)欄的設(shè)計(jì)防撞等級(jí)為SS級(jí)，防撞能量為520kJ，該規(guī)范所規(guī)定為國(guó)內(nèi)橋側(cè)護(hù)欄的最高等級(jí)。表1為該等級(jí)護(hù)欄的碰撞條件[1-2]。

表1 碰撞條件

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)國(guó)內(nèi)外橋側(cè)護(hù)欄的相關(guān)規(guī)范[2-4]，其安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)如下：車(chē)輛碰撞過(guò)程中不發(fā)生騎跨、穿越、翻越護(hù)欄現(xiàn)象；碰撞過(guò)程中，護(hù)欄脫離組件及碎片不能侵入駕駛室內(nèi)，阻擋駕駛員視線；車(chē)輛駛出角度應(yīng)小于碰撞角度的60%，碰撞后不發(fā)生橫轉(zhuǎn)掉頭等現(xiàn)象；小客車(chē)車(chē)體重心處最大沖擊加速度不超過(guò)20g；橋側(cè)護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量不大于500 mm。

2 橋側(cè)混凝土護(hù)欄

圖1為某高架橋橋側(cè)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意圖。由圖1可看出，該結(jié)構(gòu)與高速公路橋梁護(hù)欄有明顯不同，需要對(duì)其安全性能進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)。

圖1 某高架橋橋側(cè)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)示意圖

3 安全防護(hù)性能評(píng)價(jià)

3.1 分析方法

高架橋橋側(cè)護(hù)欄的研究開(kāi)發(fā)主要有理論計(jì)算、碰撞試驗(yàn)和計(jì)算機(jī)仿真3種方法。相關(guān)高速公路護(hù)欄規(guī)范已給出護(hù)欄碰撞力計(jì)算公式，可對(duì)護(hù)欄強(qiáng)度進(jìn)行初步驗(yàn)算，但護(hù)欄的安全防護(hù)性能不僅包括護(hù)欄的強(qiáng)度指標(biāo)，還包括動(dòng)態(tài)變形、車(chē)輛姿態(tài)、乘員風(fēng)險(xiǎn)等多種指標(biāo)，顯然基于理論計(jì)算進(jìn)行護(hù)欄安全防護(hù)性能評(píng)價(jià)是不完善的。碰撞試驗(yàn)通過(guò)在專(zhuān)用場(chǎng)地1∶1建立試驗(yàn)護(hù)欄模擬段，采用具有一定代表性的主流車(chē)型進(jìn)行碰撞分析，雖具有可靠客觀的優(yōu)點(diǎn)，但也存在試驗(yàn)費(fèi)用高且周期長(zhǎng)的缺點(diǎn)。計(jì)算機(jī)仿真方法在護(hù)欄開(kāi)發(fā)領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，但其可靠性需要通過(guò)碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)[5-10]。

某組合式護(hù)欄通過(guò)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)小客車(chē)形成良好防護(hù)，其混凝土墻體坡面與橋側(cè)混凝土護(hù)欄相同，由此建立小客車(chē)碰撞的組合式護(hù)欄和橋側(cè)護(hù)欄模型，一是驗(yàn)證仿真模型的可靠性，二是對(duì)橋側(cè)護(hù)欄的小客車(chē)碰撞安全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，三是對(duì)混凝土坡面對(duì)小客車(chē)沖擊加速度的影響進(jìn)行分析。某景觀混凝土護(hù)欄通過(guò)碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證能夠有效防護(hù)SS級(jí)520 kJ的碰撞能量，由此建立大客車(chē)碰撞的混凝土護(hù)欄和橋側(cè)護(hù)欄模型，一是驗(yàn)證仿真模型的可靠性，二是對(duì)橋側(cè)護(hù)欄的大客車(chē)碰撞安全指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，三是對(duì)混凝土墻體強(qiáng)度對(duì)大客車(chē)防護(hù)能力的貢獻(xiàn)進(jìn)行分析。

3.2 碰撞模型

3.2.1 車(chē)輛模型

按車(chē)輛實(shí)際尺寸建立車(chē)輛模型。由于車(chē)身結(jié)構(gòu)主要是薄壁金屬件，單元類(lèi)型以擅長(zhǎng)大變形的四邊形單點(diǎn)積分殼單元為主。為獲得良好單元，控制四邊形單元翹屈度小于15°，長(zhǎng)寬比小于4，最大角小于135°，最小角大于45°，三角形單元的數(shù)量在5%以?xún)?nèi)，碰撞區(qū)域最小特征長(zhǎng)度控制在5 mm左右。車(chē)身各部分主要采用點(diǎn)焊連接，車(chē)門(mén)和車(chē)體通過(guò)鉸接點(diǎn)單元連接。通過(guò)試驗(yàn)獲得車(chē)輛的材料屬性，采用Cowper-Symons模型來(lái)考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)。輪胎胎壓通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定，小型車(chē)輪胎胎壓取0.3 MPa，大型車(chē)胎胎壓取0.8 MPa。采用基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類(lèi)型解決邊界非線性問(wèn)題[8]。 圖2為利用HYPERMESH軟件建立的車(chē)輛模型。

(a) 小客車(chē)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?(b) 小客車(chē)有限元模型

(c) 大客車(chē)試驗(yàn)?zāi)Ｐ?(d) 大客車(chē)有限元模型

圖2車(chē)輛模型

Fig.2Vehiclemodels

3.2.2 護(hù)欄模型

組合式護(hù)欄上部為半剛性護(hù)欄，下部為剛性護(hù)欄，采用四邊形殼單元和六面體進(jìn)行模擬。混凝土護(hù)欄為剛性護(hù)欄，采用六面體進(jìn)行模擬。護(hù)欄材料屬性通過(guò)試驗(yàn)獲得，通過(guò)Cowper-Symons模型考慮材料應(yīng)變率效應(yīng)[8]。圖3為利用HYPERMESH軟件建立的護(hù)欄模型。

(a)組合式護(hù)欄試驗(yàn)?zāi)Ｐ?(b)組合式護(hù)欄有限元模型

(c) 景觀護(hù)欄試驗(yàn)?zāi)Ｐ?(d) 景觀護(hù)欄有限元模型

(e)橋側(cè)混凝土護(hù)欄有限元模型

3.3 碰撞分析

3.3.1 小客車(chē)碰撞分析

根據(jù)表1提供的碰撞條件，對(duì)橋側(cè)混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄進(jìn)行小客車(chē)碰撞分析。圖4為小客車(chē)碰撞護(hù)欄軌跡圖。由圖4可看出，通過(guò)分別截取t=0 s、t=0.1 s、t=0.2 s、t=0.3 s時(shí)刻車(chē)輛碰撞兩種護(hù)欄的仿真圖像，可得小客車(chē)碰撞護(hù)欄軌跡，然后與實(shí)車(chē)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛碰撞組合式護(hù)欄行駛軌跡仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，駛出角度仿真結(jié)果為7°，試驗(yàn)結(jié)果為6.6°，從車(chē)輛行駛軌跡和駛出角度方面驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。車(chē)輛碰撞橋側(cè)護(hù)欄軌跡圖與組合式護(hù)欄一致，碰撞后車(chē)輛安全駛離護(hù)欄，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄的現(xiàn)象，碰撞后小客車(chē)能夠恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，車(chē)輛駛出角度為7°，從而滿(mǎn)足車(chē)輛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(a)組合式護(hù)欄碰撞試驗(yàn)

(b) 組合式護(hù)欄碰撞仿真

(c) 橋側(cè)混凝土護(hù)欄碰撞仿真

圖5為采用有限元仿真方法進(jìn)行橋側(cè)混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄仿真試驗(yàn)后得到的車(chē)輛變形圖。通過(guò)與實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛碰撞側(cè)前端變形明顯，其他部位沒(méi)有明顯變形，碰撞組合式護(hù)欄仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相符合，且驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

(a) 試驗(yàn)車(chē)輛 (b) 仿真車(chē)輛

圖5小客車(chē)碰撞后變形圖

Fig.5Deformationofcaraftercollision

圖6為仿真試驗(yàn)分別測(cè)得的小車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄的重心加速度曲線與實(shí)車(chē)試驗(yàn)加速度傳感器測(cè)得的重心加速度曲線對(duì)比結(jié)果。由實(shí)車(chē)試驗(yàn)對(duì)比結(jié)果可知，由于碰撞過(guò)程的高度非線性，車(chē)輛碰撞組合式護(hù)欄沖擊加速度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果線性相關(guān)尚未符合，但基本一致，沖擊加速度最大值試驗(yàn)結(jié)果為17.8g，沖擊加速度仿真結(jié)果為17.4g，誤差為1.7%。小客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄沖擊加速度曲線與碰撞組合式護(hù)欄沖擊加速度曲線仿真結(jié)果完全一致，沖擊加速度最大值為17.4g。

圖6 小客車(chē)加速度仿真和實(shí)測(cè)曲線對(duì)比

由以上分析可知，小客車(chē)碰撞護(hù)欄仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果相符合，且驗(yàn)證了仿真模型的可靠性；小客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；小客車(chē)碰撞組合式護(hù)欄與橋梁護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均一致，表明混凝土坡面是影響小客車(chē)安全性能的最關(guān)鍵因素。

3.3.2 大客車(chē)碰撞分析

根據(jù)表1提供的碰撞條件，對(duì)橋側(cè)混凝土護(hù)欄和景觀護(hù)欄進(jìn)行大客車(chē)碰撞分析。圖7為大客車(chē)碰撞護(hù)欄軌跡圖，采用有限元仿真方法進(jìn)行橋側(cè)混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄仿真試驗(yàn)，通過(guò)截取與小客車(chē)相同時(shí)刻車(chē)輛碰撞兩種護(hù)欄的仿真圖像，得到大客車(chē)碰撞護(hù)欄的行駛軌跡過(guò)程。由圖7可看出，車(chē)輛碰撞景觀護(hù)欄行駛軌跡仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，駛出角度仿真結(jié)果為1.7°，試驗(yàn)結(jié)果為2.9°，從車(chē)輛行駛軌跡和駛出角度方面驗(yàn)證了仿真模型準(zhǔn)確性；車(chē)輛碰撞橋側(cè)護(hù)欄軌跡圖與景觀護(hù)欄一致，碰撞后車(chē)輛安全駛離護(hù)欄，沒(méi)發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后大客車(chē)能夠恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，車(chē)輛駛出角度為1.7°，從而滿(mǎn)足車(chē)輛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 景觀護(hù)欄碰撞試驗(yàn)

(b) 景觀護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果

(c) 橋側(cè)混凝土護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果

圖8為大客車(chē)碰撞后車(chē)輛變形圖。由圖8可看出，大客車(chē)碰撞車(chē)側(cè)變形明顯，其他部位沒(méi)有明顯變形，碰撞景觀護(hù)欄仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相一致，從大客車(chē)變形角度驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。大客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄與碰撞景觀護(hù)欄車(chē)輛變形完全相同。景觀護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果、橋側(cè)混凝土護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形仿真結(jié)果均小于100 mm，從而滿(mǎn)足車(chē)輛評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

(a) 試驗(yàn)車(chē)輛 (b) 仿真車(chē)輛

圖8大客車(chē)碰撞后變形圖

Fig.8Deformationofbusaftercollision

由以上分析可知，大客車(chē)碰撞護(hù)欄仿真結(jié)果與試驗(yàn)車(chē)輛結(jié)果相符合，且驗(yàn)證了仿真模型的可靠性；大客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足車(chē)輛評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；大客車(chē)碰撞景觀護(hù)欄與橋側(cè)混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均一致，表明混凝土強(qiáng)度是影響大客車(chē)安全性能的最關(guān)鍵因素。

4 依托工程

某高架橋工程的起點(diǎn)位于零點(diǎn)立交，終點(diǎn)與互通立交北側(cè)高架橋直接連接，主線跨越某城區(qū)，全長(zhǎng)9.5 km，全部為高架橋梁，橋面寬25 m，雙向六車(chē)道，主線設(shè)計(jì)速度為60 km/h，如圖9所示。

(a) 配筋 (b) 護(hù)欄

圖9工程護(hù)欄

Fig.9Barrierview

5 結(jié)論

(1)新型橋側(cè)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)能夠有效防護(hù)車(chē)輛，碰撞后小客車(chē)能夠恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，車(chē)輛駛出角度為7°，小客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄沖擊加速度最大值為17.4g。大客車(chē)碰撞橋側(cè)混凝土護(hù)欄與碰撞景觀護(hù)欄車(chē)輛變形完全相同。景觀護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果、橋側(cè)混凝土護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形仿真結(jié)果均小于100 mm，大客車(chē)碰撞后駛出角度為1.7°，大客車(chē)碰撞后護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形小于100 mm。

(2)混凝土坡面是影響小客車(chē)緩沖保護(hù)性能的主要因素，混凝土墻體強(qiáng)度是影響大客車(chē)防撞性能的主要因素。

(3)新型橋側(cè)混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿(mǎn)足車(chē)輛的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，其防撞等級(jí)達(dá)到SS級(jí)，且成功應(yīng)用于依托工程。

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