潘珂

引言

在經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的推動(dòng)下，國(guó)內(nèi)的道路橋梁事業(yè)也在快速前進(jìn)。眾所周知，在道路橋梁工程中，護(hù)欄部件是必不可少的，可以有效降低車輛碰撞道路橋梁時(shí)的損失。梁柱式鋼護(hù)欄具有很好的防護(hù)性能，當(dāng)車輛碰撞到道路橋梁時(shí)可以產(chǎn)生一定的彎曲變形和張拉力，使得車輛受到的碰撞作用力有效減小，因此廣泛應(yīng)用于道路橋梁建設(shè)事業(yè)。我們采用有限元分析方法，通過有限元模擬的方式確定車輛碰撞力，研究道路橋梁工程鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)的防撞性能，這對(duì)于道路橋梁建設(shè)事業(yè)具有至關(guān)重要的意義。

1 道路橋梁護(hù)欄防撞性能研究方法

（1）實(shí)車碰撞試驗(yàn)的護(hù)欄防撞性能研究雖然精確性較高，但是實(shí)車碰撞試驗(yàn)需要很高的費(fèi)用，車輛碰撞道路橋梁的過程較為復(fù)雜，容易受車輛的車速、碰撞角度等因素的影響，需要進(jìn)行多次的實(shí)車碰撞試驗(yàn)才能對(duì)車輛與道路橋梁的碰撞過程進(jìn)行全面的研究，在現(xiàn)實(shí)研究中往往容易受經(jīng)濟(jì)條件的限制而難以進(jìn)行，使用性不高。

（2）縮尺模型試驗(yàn)是將具有一定比例的車輛模型用于碰撞試驗(yàn)，是一種試驗(yàn)費(fèi)用低且過程容易控制的試驗(yàn)方法，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)進(jìn)行可以實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)護(hù)欄的沖擊特性、撞擊剛度等參數(shù)有效研究，但是在此研究方法中車輛模型的動(dòng)力系統(tǒng)相似性問題難以解決。

（3）數(shù)值模擬是一種通過建立相關(guān)的數(shù)學(xué)模型而實(shí)現(xiàn)護(hù)欄碰撞性能研究的方法，與前兩者相比，這是一種比較實(shí)用的護(hù)欄防撞性能研究方法，尤其是近些年來，計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，給數(shù)值模擬提供了技術(shù)支持。利用模擬仿真可以改變實(shí)驗(yàn)條件而進(jìn)行多次重復(fù)的模擬實(shí)驗(yàn)，能夠取得很好的研究結(jié)果。目前的數(shù)值模擬常用的有限元分析程序主要有一下幾種：ABAQUS；MADYMO；PAM-CRASH；LS-DYDA 等，在本文中，我們采用ABAQUS。

2 建立有限元分析模型

2.1 建立護(hù)欄體系模型

參考浙江省九堡大橋護(hù)欄結(jié)構(gòu)的施工圖建立有限元分析模型，護(hù)欄體系的正面尺寸及立面尺寸分別見圖1（a）和（b），結(jié)構(gòu)成分主要有護(hù)欄橫梁、鋼立柱、鋼立柱混凝土底板。

圖1 護(hù)欄體系的正面及立面尺寸圖

（1）護(hù)欄橫梁模型。建立模型時(shí)可將護(hù)欄橫梁作為均質(zhì)連續(xù)圓管，按照橫梁截面中心尺寸（φ為117.25mm）建模，用橫梁護(hù)欄殼單元（厚7.5mm）模擬，布置三根護(hù)欄橫梁（橫梁間距350mm）。在護(hù)欄橫梁圓周上以映射網(wǎng)格的方式劃分16個(gè)單元，橫梁長(zhǎng)度方向均勻劃分。為精確計(jì)算車輛碰撞道路橋梁的動(dòng)力特性，在劃分中間跨護(hù)欄網(wǎng)格時(shí)應(yīng)較密，以25mm間距較為適宜，兩段跨護(hù)欄網(wǎng)格間距可適當(dāng)加大。

（2）立柱模型。將立柱U型槽鋼看作上下大小一樣、尺寸均為150mm的結(jié)構(gòu)，立柱豎板尺寸930×200×7mm，將槽鋼和豎板以殼單元（尺寸為7mm）模擬。立柱底板尺寸240×200×20mm，以實(shí)體單元形式模擬，網(wǎng)格間距25mm。立柱結(jié)構(gòu)以映射網(wǎng)格的形式劃分，網(wǎng)格尺寸25mm。最后使用merge指令將立柱和底板結(jié)構(gòu)相連接，建立立柱的有限元模型。

（3）防阻塊模型。防阻塊尺寸為250×100×10mm，以殼單元（厚10mm）的形式模擬，以映射網(wǎng)格的形式劃分防阻塊，網(wǎng)格間距25mm，在本文中將防阻塊劃分為3個(gè)單元。

（4）立柱混凝土基座模型。立柱系統(tǒng)的建模使用實(shí)體單元的形式，基座尺寸500×200mm，截面為一個(gè)梯形和矩形，梯形斜邊坡度1：1。把節(jié)點(diǎn)以六面體單元形式劃分，中間處網(wǎng)格應(yīng)較兩端處網(wǎng)格密一些。

在護(hù)欄體系中，橫梁與防阻塊、立柱與立柱混凝土底座均以焊接形式連接，因此在建立模型中可分別將橫梁模型與防阻塊模型、立柱模型與立柱底座模型使用tie命令相連，使其具有相同的6個(gè)自由度；防阻塊與立柱以高強(qiáng)錨栓的形式相連，可將防阻塊模型與立柱模型的單元節(jié)點(diǎn)采用tie命令相連，保證兩者連接處自由度變形協(xié)調(diào)。將護(hù)欄橫梁模型、鋼立柱模型、防阻塊模型和立柱混凝土底座模型組合，得到道路橋梁工程護(hù)欄結(jié)構(gòu)的有限元模型圖，見圖2。

圖2 護(hù)欄系統(tǒng)有限元模型圖

護(hù)欄體系使用Q345C的結(jié)構(gòu)鋼材，使用混凝土規(guī)格為C50，護(hù)欄體系的主要材料參數(shù)為：彈性模量2.05×105MPa；密度7.85×106g/m3；泊松比0.3。采用線彈性本構(gòu)關(guān)系計(jì)算。

2.2 建立汽車模型

建立完整的汽車有限元模型需要做巨大的工作量，為了在滿足試驗(yàn)要求的前提下盡量減少建模的時(shí)間和計(jì)算的工作量，我們可以對(duì)汽車模型進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化。建立汽車模型需要考慮汽車主要的變形部件，如保險(xiǎn)桿、車頭、車輪組件等，在碰撞過程中受力較大，對(duì)于諸如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等受力較小的部件可進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化。我們建立中小型集裝箱汽車有限元模型，汽車滿載150kN，汽車尺寸5500×2400×3300mm。采用殼單元模擬車輛的保險(xiǎn)杠和車頭，保險(xiǎn)杠和車頭的殼單元厚分別為6mm和4mm，進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)均為護(hù)欄側(cè)網(wǎng)格較密，轉(zhuǎn)折處網(wǎng)格細(xì)化，四周網(wǎng)格逐漸變大。車輪組件、集裝箱和車架均采用實(shí)體單元的形式模擬，車輪組件采用映射網(wǎng)格劃分；集裝箱采用自由網(wǎng)格劃分，尾部進(jìn)行合理細(xì)化；車架采用自由網(wǎng)格劃分。建立的汽車模型以及護(hù)欄-汽車的耦合模型圖如圖3所示。

圖3 護(hù)欄-汽車的耦合有限元模型圖

2.3 確定車輛碰撞力

進(jìn)行有限元分析之前應(yīng)確定車輛碰撞荷載，參照相關(guān)規(guī)范得出計(jì)算護(hù)欄碰撞力公式為：

在上述公式中ν、θ分別為車輛碰撞速度和碰撞角度，b、C、Z分別為車輛寬度、重心距前保險(xiǎn)杠的距離以及護(hù)欄橫向變形。九堡大橋設(shè)計(jì)速度22.2m/s，以此作為碰撞速度，取轎車質(zhì)量1.4×106g。相關(guān)規(guī)范規(guī)定道路橋梁金屬制護(hù)欄Z取值范圍應(yīng)為0.3～0.6m，本文取最小值0.3m。根據(jù)公式（1）計(jì)算在22.2m/s碰撞速度型不同碰撞角度工況時(shí)的碰撞力，如表1所示。

表1 22.2m/s速度下不同碰撞角度的碰撞力

3 有限元分析結(jié)果

在本文中，我們主要分析汽車模型以22.2m/s的碰撞速度在不同碰撞角度條件下碰撞護(hù)欄中部引起的護(hù)欄體系的變形情況。我們根據(jù)以20°碰撞角度撞擊鋼護(hù)欄的Mises應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，護(hù)欄橫梁的受力和變形主要集中在中間段橫梁部位，護(hù)欄橫梁跨中具有比較大的應(yīng)力。

圖4 20°碰撞角度下護(hù)欄Mises應(yīng)力云圖

碰撞速度相同時(shí)，碰撞角度下的碰撞情況引起的護(hù)欄橫向位移也有較大的差別，本文中以護(hù)欄的中間橫梁段作為對(duì)象研究護(hù)欄在不同碰撞角度下的橫向位移情況，以中跨以及相鄰跨部分為連續(xù)路徑畫出t=0.35s時(shí)各工況沿路徑的位移曲線圖，如圖5所示。我們分析圖得知，護(hù)欄中間段橫梁橫向位移與碰撞角度具有一定的關(guān)系，碰撞角度越大則橫梁橫向位移越大。

圖5 各工況沿路徑的位移曲線

不同碰撞角度下立柱和支托的最大應(yīng)力與碰撞角度有近似正比的關(guān)系，碰撞角度越大，則最大應(yīng)力越大，其中支托與立柱相比，前者的最大應(yīng)力比后者的大。按照Q345結(jié)構(gòu)鋼3.45×108Pa的初始屈服應(yīng)力計(jì)算，當(dāng)角度在20°時(shí)支托部件就已經(jīng)進(jìn)入了塑性階段，而當(dāng)角度為45°時(shí)立柱才開始進(jìn)入塑性階段。

4 結(jié)語

通過對(duì)車輛碰撞道路橋梁的有限元模擬分析，得出以下結(jié)論：①護(hù)欄體系在碰撞過程中主要的受力部位為橫梁跨中截面、支托弧形轉(zhuǎn)彎處以及立柱與支托接觸部分，這些部位最先遭受損壞，因此在道路橋梁工程中應(yīng)注意護(hù)欄體系上述部位的設(shè)計(jì)；②車輛與道路橋梁的碰撞角度是影響護(hù)欄碰撞的一個(gè)重要因素，在碰撞速度保持不變的情況下，行車方向與護(hù)欄的夾角越大，護(hù)欄所受車輛撞擊產(chǎn)生的應(yīng)力和位移越大。