陳芳

(長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410131)

轎車(chē)與混凝土電桿的碰撞研究

Research on the impact between the car and concrete pole

陳芳

(長(zhǎng)沙電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410131)

依據(jù)國(guó)內(nèi)某乘用車(chē)及國(guó)標(biāo)，建立車(chē)輛與電桿碰撞有限元模型，進(jìn)行汽車(chē)正面碰撞及電桿彎曲強(qiáng)度驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了3種碰撞速度下轎車(chē)沖擊對(duì)電桿損壞程度的模擬分析。結(jié)果表明3種情況下電桿都因剪切力產(chǎn)生了折斷，但在不同速度下，電桿損壞程度及斷裂點(diǎn)有所不同。針對(duì)此特點(diǎn)，提供了電桿在沖擊下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)參考標(biāo)準(zhǔn)，提出了電桿在碰撞中抗折損性能的措施。

混凝土電桿；電桿折損；柱碰撞；有限元方法；供電可靠性

目前，對(duì)于在低壓輸配電線路中使用十分普遍的電桿，大多考慮其在工作狀態(tài)下的撓度及抗裂性能〔1－5〕，而對(duì)于沖擊載荷下的電桿損傷行為則研究得較少。為了了解電桿在汽車(chē)沖擊下的斷裂情況，Walte在1986年進(jìn)行了11組混凝土電桿臺(tái)車(chē)的碰撞實(shí)驗(yàn)〔6－7〕，探討了受沖擊時(shí)的電桿破壞情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在碰撞中剪切破壞是電桿折損的主要形式，并提出了增大壁厚和加密碰撞區(qū)的螺旋筋數(shù)量可以增強(qiáng)電桿的抗剪能力。

汽車(chē)與電桿的碰撞位置一般發(fā)生在汽車(chē)前端和側(cè)面，發(fā)生在汽車(chē)前端的碰撞形式在汽車(chē)碰撞安全中屬于低重疊率碰撞。國(guó)內(nèi)在對(duì)車(chē)輛碰撞安全時(shí)進(jìn)行了相關(guān)的研究。如:Hong分析了在正面100%正面碰撞、40%前碰撞及柱碰撞形式下，汽車(chē)的變形及耐撞性特點(diǎn)〔8〕。楊濟(jì)匡及Ahmed Elmarakbi通過(guò)有限元方法研究了車(chē)輛在與樹(shù)及電桿等柱體碰撞時(shí)的車(chē)輛變形及乘員損傷情況〔9－10〕。在大部分的柱碰撞研究中，研究對(duì)象多為汽車(chē)的耐撞性及乘員安全，相應(yīng)研究中也將電桿模擬成不變形的剛性柱〔11〕。這不僅與實(shí)際碰撞不相符，也無(wú)法得到電桿在碰撞中的損壞情況。

文中旨在對(duì)混凝土電桿在與汽車(chē)前碰撞時(shí)的損壞機(jī)理進(jìn)行數(shù)值模擬及分析，建立汽車(chē)與混凝土電桿的有限元碰撞模型，并分別對(duì)轎車(chē)模型進(jìn)行正面碰撞及混凝土電桿彎曲強(qiáng)度驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上對(duì)不同碰撞速度下電線桿的損壞機(jī)理進(jìn)行仿真分析，然后根據(jù)分析結(jié)果提出電桿在汽車(chē)碰撞中的強(qiáng)度設(shè)計(jì)方案及提高電桿抗折斷性能具體方法應(yīng)對(duì)電桿折斷事故，從而提高供電可靠性。

1 碰撞模型的建立及驗(yàn)證

模型基于有限元前處理軟件Hyperworks建立，碰撞中的轎車(chē)來(lái)源于國(guó)內(nèi)某乘用車(chē)，整車(chē)包括了車(chē)身、底盤(pán)、動(dòng)力總成、電器以及部分內(nèi)飾等。該模型使用的材料，剛度特性等關(guān)鍵參數(shù)根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得，仿真中涉及的3個(gè)機(jī)械假人以及相關(guān)配重用集中質(zhì)量單元來(lái)模擬。建立的車(chē)輛有限元模型質(zhì)量為1 670 kg，部件數(shù)為1 788個(gè)，單元數(shù)1 109 385個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)1 067 392個(gè)。

混凝土電桿基于文獻(xiàn) 〔12〕的數(shù)據(jù)建立，選用目前使用較普遍的錐形預(yù)應(yīng)力混凝土電桿，桿長(zhǎng)L為7 m，根徑為223 mm，梢徑為130 mm，壁厚為40 mm，縱向配筋為8×Φ6 mm，Φ3.4 mm螺旋筋間隔為100 mm。使用不低于525的硅酸鹽水泥，砂、石為優(yōu)質(zhì)中粗砂或1～3 cm花崗巖碎石或卵石(水灰配置比例:水0.39；水泥1.0；砂1.37；碎石2.88)。混凝土強(qiáng)度等級(jí)不低于C50級(jí)，電桿總重量為284 kg。模型中電桿采用分離式建模，混凝土及配筋都采用可變形實(shí)體單元建模，模型中假定混凝土及配筋之間的位移完全協(xié)調(diào)而采用共節(jié)點(diǎn)連接。關(guān)于材料本構(gòu)的選用，混凝土采用LS－DYNA中的損傷塑性模型本構(gòu)模型對(duì)混凝土的力學(xué)性能進(jìn)行描述，其材料特性參數(shù)來(lái)自文獻(xiàn) 〔13－14〕，密度2 400 kg/m3，彈性模量41 GPa，泊松比為0.2，最大壓縮屈服應(yīng)力為32.8 MPa，拉伸破壞應(yīng)力為3.5 MPa。冷拉鋼絲配筋采用雙線性彈－塑性本構(gòu)模型模擬，其彈性模量為202 GPa，張拉控制應(yīng)力為1 100 MPa，名義抗拉強(qiáng)度為1 570 MPa〔6，15〕。模型中材料的失效定義標(biāo)準(zhǔn)為應(yīng)變，即當(dāng)材料達(dá)到設(shè)定的失效應(yīng)變值，則自動(dòng)刪除該單元。

為了驗(yàn)證車(chē)模的有效性，作者將實(shí)車(chē)的 50 km/h的正面碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果與其仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)比較仿真與試驗(yàn)的整車(chē)變形情況及代表車(chē)體整體動(dòng)態(tài)響應(yīng)的B柱加速度曲線的差異來(lái)驗(yàn)證模型的有效性。

圖1為實(shí)驗(yàn)與仿真的整車(chē)碰撞變形對(duì)比，試驗(yàn)中整車(chē)軸向變形量為512 mm，仿真中的變形量為508 mm，且仿真與試驗(yàn)的前艙變形情況也極為接近。從圖2的代表整車(chē)在碰撞中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)的B柱下端加速度曲線的對(duì)比來(lái)看，碰撞加速度曲線的波形趨勢(shì)及加速度峰值大小和出現(xiàn)的時(shí)間都在合理的誤差范圍內(nèi)，可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)與仿真具有較高的近似程度。

圖1 實(shí)車(chē)碰撞與仿真變形比較

圖2 實(shí)驗(yàn)與仿真中的車(chē)輛B柱加速度曲線比較

混凝土電桿通過(guò)其懸臂式撓度實(shí)驗(yàn)指標(biāo)是否達(dá)到國(guó)家B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)驗(yàn)證其可靠性。仿真中的設(shè)置根據(jù)文獻(xiàn) 〔12〕的要求建立，在距根部150 mm及支持點(diǎn)處放置150 mm的硬木制成的U形墊板支撐，在距梢端250 mm處加載逐步增大的徑向載荷至電桿失效產(chǎn)生，如圖3所示。

圖3 懸臂式撓度實(shí)驗(yàn)設(shè)置示意圖

圖4 為懸臂式撓度實(shí)驗(yàn)失效前時(shí)刻應(yīng)力云圖，在載荷上升到2.64 kN時(shí)，電桿初始失效處發(fā)生在距梢端2 025 mm處的受拉應(yīng)力側(cè)，而受壓側(cè)的最大應(yīng)力為5.595 MPa。根據(jù)M＝FL1，得到電桿在開(kāi)裂檢測(cè)中的失效彎矩為13.86 kN·m，達(dá)到B級(jí)標(biāo)準(zhǔn)5.5 kN·m的2.52倍，大于文獻(xiàn) 〔12〕中的要求 (安全系數(shù)大于2)；而電桿在破壞時(shí)刻產(chǎn)生的撓度為36.5 mm，，亦低于標(biāo)準(zhǔn)中小于L1＋L2/70的標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 懸臂式撓度實(shí)驗(yàn)失效前時(shí)刻應(yīng)力云圖

根據(jù)比較汽車(chē)正面剛性墻的碰撞的仿真結(jié)果，可認(rèn)為汽車(chē)有限元模型材料本構(gòu)選用合理、建模方法正確，前部剛度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果有較好的對(duì)應(yīng)，具有較高精度。在對(duì)電桿的懸臂式撓度仿真實(shí)驗(yàn)中，應(yīng)力分布合理，且符合文獻(xiàn) 〔12〕的設(shè)計(jì)要求，可以用于下一步的研究。

2 轎車(chē)與電桿不同碰撞速度下的損傷結(jié)果與分析

在上述的驗(yàn)證的模型上，建立了轎車(chē)與鋼筋混凝土電桿的碰撞模型。電桿支持點(diǎn) (埋入深度)為1.2 m，并對(duì)電桿埋入地下部分使用剛性圓筒進(jìn)行約束。設(shè)定轎車(chē)與電桿碰撞的區(qū)域?yàn)檩S向的中間部位，轎車(chē)對(duì)電桿碰撞的碰撞速度 V分別為30 km/h，50 km/h及70 km/h，碰撞動(dòng)態(tài)仿真計(jì)算時(shí)間為100 ms。碰撞模型如圖5所示。

圖5 轎車(chē)與電桿碰撞設(shè)置

在3組汽車(chē)與混凝土電桿碰撞的虛擬實(shí)驗(yàn)中，電桿都產(chǎn)生了折斷破壞，如圖6所示。在碰撞發(fā)生時(shí)，汽車(chē)前保險(xiǎn)杠蒙皮、保險(xiǎn)杠橫梁、散熱器及發(fā)動(dòng)機(jī)外殼依次與電桿接觸，在最后的發(fā)動(dòng)機(jī)外殼碰撞時(shí)，由于發(fā)動(dòng)機(jī)本身具有較大的慣性及剛度，碰撞力急劇上升直至電桿完全折斷。對(duì)于不同的碰撞速度下的電桿損壞情況不盡相同，在速度為 30 km/h和50 km/h的碰撞中，保險(xiǎn)杠接觸處及與發(fā)動(dòng)機(jī)接觸處混凝土都產(chǎn)生了表面破損，但沒(méi)有在沖擊點(diǎn)產(chǎn)生斷裂，在碰撞到發(fā)動(dòng)機(jī)外殼后，碰撞力上升，地面處的電桿的非碰撞側(cè)首先產(chǎn)生破裂并進(jìn)一步發(fā)展到整個(gè)地面斷裂面，產(chǎn)生電桿折斷。而在速度為70 km/h的碰撞中，在斷裂產(chǎn)生前碰撞區(qū)域也產(chǎn)生了表面破損，隨著碰撞力的增加，地面處的電桿的非碰撞側(cè)出現(xiàn)應(yīng)力集中出現(xiàn)了斷裂現(xiàn)象，幾乎在同一時(shí)刻碰撞點(diǎn)處也出現(xiàn)斷裂，隨著車(chē)輛向前移動(dòng)，電桿倒向車(chē)身，在距離梢端2 050 mm處由彎矩作用產(chǎn)生了第3處斷裂。碰撞中電桿與汽車(chē)的碰撞接觸力也隨著速度的增加由116.5 kN增加到169.9 kN，如圖7所示。3種速度的碰撞中的配筋沒(méi)有發(fā)生拉斷的情況，這與文獻(xiàn) 〔7〕中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。碰撞仿真結(jié)果見(jiàn)表1。

圖6 不同速度下的碰撞動(dòng)態(tài)響應(yīng)

圖7 不同速度下的電桿斷裂情況

表1 碰撞仿真結(jié)果

汽車(chē)與電桿的碰撞可以近似地看成電桿承受動(dòng)態(tài)3點(diǎn)彎曲沖擊的過(guò)程，沖擊點(diǎn)為轎車(chē)的保險(xiǎn)杠橫梁 (高度分布為距地面450～560 mm)及發(fā)動(dòng)機(jī)外殼與電桿碰撞點(diǎn) (高度為645 mm)。下端支撐力來(lái)自于地面的約束反力，因?yàn)闉閯?dòng)態(tài)沖擊，上端的支撐力為電桿的慣性力。地面的約束力是碰撞力的主要反作用力，因此在3種碰撞速度的虛擬實(shí)驗(yàn)中，都出現(xiàn)了電桿在地面處剪切折斷；由于上端的慣性力與碰撞中產(chǎn)生的加速度相關(guān)，隨著碰撞速度提高到70 km/h，電桿上端的慣性力增加從而使得在碰撞區(qū)域產(chǎn)生了斷裂。

在加拿大安大略交通部門(mén)1967—1968年進(jìn)行的電力電桿及信號(hào)機(jī)柱的碰撞試驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生的剪切失效中裂縫方向?yàn)檠仄?chē)前進(jìn)方向的反向，而在后續(xù)的Walter H.Dilger進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)中則剛好相反，其認(rèn)為是碰撞時(shí)的壁厚和速度有關(guān)系。在仿真中裂縫產(chǎn)生的方向與Walter H.Dilger進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)類(lèi)似，但由于電桿直徑較小，沒(méi)能形成從地面到碰撞點(diǎn)的斜裂縫，但裂縫的最初形成位置也同樣位于地面的非碰撞側(cè)。如果要防止電桿在汽車(chē)碰撞時(shí)斷裂，則可增強(qiáng)電桿的地面截面處的抗剪能力及碰撞接觸部位的強(qiáng)度，具體可增強(qiáng)其在碰撞處及地面截面處的壁厚及螺旋筋的密度。

在碰撞中吸收能量的部件主要為車(chē)身，如在電桿有多處折斷的70 km/h的碰撞中，車(chē)體吸收的能量為45.5 kJ，而電桿在碰撞中吸收的能量?jī)H為8.9kJ。而在電桿損傷較小的30 km/h的碰撞中，電桿吸收的能量只有2.9 kJ。如果把30 km/h時(shí)車(chē)身前部吸能總量當(dāng)成電桿碰撞過(guò)程中電桿不折斷時(shí)能承受的最大動(dòng)能，則相對(duì)于1 500 kg的汽車(chē)則要求電桿與汽車(chē)的碰撞速度不大于20.8 km/h。相反可以在設(shè)定的碰撞速度下，對(duì)電桿的強(qiáng)度進(jìn)行設(shè)計(jì)，使得在此速度下的碰撞能量由車(chē)輛前部結(jié)構(gòu)吸收，從而確保電桿在碰撞事故中不發(fā)生斷裂倒伏。當(dāng)然，如果想通過(guò)增強(qiáng)電桿強(qiáng)度來(lái)防止電桿在高速碰撞中斷裂，則不僅會(huì)增加電桿制造及安裝成本，而且會(huì)因?yàn)榕c電桿碰撞中車(chē)體的吸能能力并沒(méi)有明顯的上升，造成轎車(chē)的前艙侵入量明顯增加。如在 70 km/h的碰撞時(shí)，轎車(chē)前部侵入量達(dá)到了541 mm，而車(chē)體的吸能量只上升到在45.5 kJ，如果不讓電桿斷裂，則很可能對(duì)車(chē)內(nèi)的乘員造成極大的損傷，甚至死亡。因此，在汽車(chē)高速碰撞時(shí)應(yīng)允許電桿斷裂，以免增加的電桿強(qiáng)度產(chǎn)生更大的車(chē)體侵入量壓縮乘員艙內(nèi)乘員的生存空間，給乘員造成損傷。

3 結(jié)論

針對(duì)汽車(chē)對(duì)電桿的碰撞產(chǎn)生折損事故，從而對(duì)供電可靠性造成較大影響，文中依據(jù)國(guó)內(nèi)某乘用車(chē)及國(guó)標(biāo)，建立了轎車(chē)與混凝土電桿的碰撞有限元模型，并分別對(duì)汽車(chē)正面碰撞及電桿彎曲強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)證。

在驗(yàn)證模型基礎(chǔ)上進(jìn)行了轎車(chē)對(duì)電桿不同碰撞速度下的損傷研究。結(jié)果表明，在3種速度下的碰撞中，電桿都產(chǎn)生了折斷，主要失效原因?yàn)榧羟惺АＴ谳^低碰撞速度下時(shí)，距地面高度為530 mm保險(xiǎn)杠接觸處及與發(fā)動(dòng)機(jī)接觸處混凝土都產(chǎn)生了表面破損，使電桿產(chǎn)生折損事故則位于電桿埋入點(diǎn)與地面交界截面。高速碰撞時(shí)，在地面交界截面、保險(xiǎn)杠接觸區(qū)及距梢端2 050 mm處先后產(chǎn)生了3處斷裂。

為了減少轎車(chē)碰撞電桿而造成折斷事故，提高供電可靠性，可以在設(shè)計(jì)電桿時(shí)采取相應(yīng)措施:

1)根據(jù)汽車(chē)在與電桿允許的碰撞速度下碰撞前部結(jié)構(gòu)的吸能能力設(shè)計(jì)電桿的強(qiáng)度；

2)增強(qiáng)電桿的地面截面處的抗剪能力及碰撞接觸部位的強(qiáng)度能有效提高電桿在汽車(chē)碰撞中的抗折斷性能，具體方法為增大其在碰撞處及地面截面處的壁厚及螺旋筋的密度。

為了避免汽車(chē)與電桿相撞，在道路邊電桿上安裝防撞反光警示帶是一種經(jīng)濟(jì)有效的方式；也可在路邊沿設(shè)有電桿的公路上對(duì)汽車(chē)的行駛速度做相應(yīng)的限制；避免在事故多發(fā)地段 (交叉路口，大曲率彎道)設(shè)立電桿等。

由于其它車(chē)型 (如卡車(chē)等)與轎車(chē)的電桿碰撞位置高低及車(chē)體重量都會(huì)有不同，電桿的損傷情況也會(huì)有較大差異，這些都將在后續(xù)的研究中進(jìn)一步探討。

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10.3969/j.issn.1008-0198.2015.04.012

TM753

A

1008-0198(2015)04-0048-04

陳芳(1983)，女，碩士研究生，講師。主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)運(yùn)行與維護(hù)、高職教育。

2015-06-16