王劍波 周釗 閆紅光

摘要：文章結(jié)合雅康高速公路工程項目實際，設計了高原山區(qū)高速公路橋梁易除雪護欄，并運用有限元分析軟件Hyperworks建立貨車-護欄有限元碰撞模型，同時使用LS-DYNA軟件進行碰撞仿真分析。結(jié)果表明，該易除雪護欄在滿足西部山區(qū)高速公路橋梁段除雪便捷性的同時，能夠承受大型車輛的碰撞，且碰撞過程中車輛的前圍變形量、行駛狀態(tài)、運行軌跡、三向加速度等指標值滿足車內(nèi)乘員安全性的要求，為該類型護欄的應用及推廣提供參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：高速公路;除雪;橋梁護欄;LS-DYNA;安全性能

中圖分類號：U412.36+6A210755

0 引言

四川雅康高速公路地處四川盆地向青藏高原爬升的梯度帶上，沿線多處高海拔地區(qū)，部分路段冬季冰雪期長達4個月，且多為雨夾雪天氣，路面除雪保通難度大，且整條公路多超長縱坡，橋隧比高達82%，隧道群間連接的短橋梁不便除雪車作業(yè)除雪，貨車的雪天行車氣候條件十分惡劣[1]。為降低橋梁路段車輛發(fā)生墜崖事故的風險性，在其路側(cè)均使用加強型鋼筋混凝土墻式護欄防護，該類型護欄高且不通透，不利于將冬季除雪外拋出路外，只能堆積在路側(cè)，不但影響道路正常通行，而且積雪融化結(jié)冰后，還會給行車帶來更大的安全隱患?？梢姡芯块_發(fā)高原山區(qū)高速公路橋梁的易除雪護欄，降低冬季除雪難度，對提高高速公路通行效率、保障行車安全具有重要的現(xiàn)實意義。

近年來，國內(nèi)外諸多學者和單位開展了關(guān)于高速公路路側(cè)護欄優(yōu)化設計及防護安全的研究和探索。國外的研究成果中，美國國家公路與交通運輸協(xié)會（AASHTO）發(fā)布的《安全設施評價手冊》中提出了用假人直接評價護欄性能的優(yōu)劣點，并給出了相關(guān)建議[2];日本道路協(xié)會在《護欄的設置和說明》提出了用車體重心加速度評價乘員碰撞護欄的風險性[3];歐盟提出了用車體三向加速度指標體系（ASI）評價乘員碰撞護欄過程中的風險程度[4];Ren等采用LS-DYNA有限元法建立三維道路護欄模型，從沖擊剛度和剛度、車輛乘員的安全性、碰撞能量吸收等方面評價護欄安全性[5];Plaxico等提出了有限元三維仿真模型，研究汽車與波形護欄的碰撞模擬，來替代實車碰撞試驗評價護欄的安全性[6]。國內(nèi)的研究成果中，韓海峰等基于UC-win/Road駕駛模擬實驗，提出了不同車速條件下護欄的防撞等級[7];崔洪軍等研究了護欄高度變化對防撞能力影響，確定了護欄防撞性能不能滿足規(guī)范要求的臨界高度值[8];康浩等分別依托滬寧高速公路護欄應用實際，提出了路側(cè)護欄安全性評價指標和防撞性能仿真計算方法[9];陳濤等從波形護欄的安全性評價方法方面提出了波形護欄安全性評價的三維非線性有限元仿真方法[10];龍科軍等用加速度嚴重指數(shù)為指標評價路側(cè)安全性，根據(jù)LS-DYNA軟件分析結(jié)果確定了路側(cè)危險度合理分級數(shù)和各級所對應的ASI閾值[11];李文勇等利用HyperWorks軟件對W形護欄的貨車碰撞安全性進行了仿真計算，提出了W形護欄在結(jié)構(gòu)上存在的不足[12];楊立偉等從波形護欄開發(fā)應用方面提出了適用于山區(qū)高寒地段波形梁組合式鋼護欄的設計方案[13];高云凱等采用PAM-CRASH 軟件，模擬集裝箱汽車列車與橋梁護欄的碰撞過程，評估了多種護欄的耐撞性并指導了護欄的設計[14];陳錫逵、馮濤等研究了山區(qū)高速公路路側(cè)防護安全度和危險路段路側(cè)護欄的設置方法，建立了路側(cè)防護安全度的計算模型及評價標準，提出了梁柱式鋼護欄的適用性[15-16]。

本文依據(jù)《公路交通安全設施設計規(guī)范（JTG D81-2017）》，結(jié)合雅康高速公路工程項目實際，設計了高原山區(qū)高速公路橋梁易除雪護欄[17]，并運用Hyperworks建立貨車-護欄有限元碰撞模型，然后使用LS-DYNA軟件進行仿真計算分析[18-19]，得出護欄在除雪安全性、可靠性等方面的評價結(jié)論，為該類型護欄的應用及推廣提供可靠依據(jù)。

1 易除雪護欄安全性評價仿真建模

1.1 易除雪護欄建模

在雅康高速公路工程項目中，大多數(shù)橋梁采用鋼筋混凝土墻式護欄，防護等級達到SA級，以防止大型車輛肇事后沖出墜落山谷。易除雪護橋梁欄設計在不破壞原鋼筋混凝土墻式護欄防護等級的基礎(chǔ)上，自其底部路面結(jié)合處開孔，便于除雪使積雪通過除雪孔直接落入橋下，護欄結(jié)構(gòu)尺寸見圖1。

圖1結(jié)構(gòu)中，N1～N6為護欄鋼筋編號，每延米護欄材料數(shù)量見表1。為便于人工除雪工具拋雪，設計除雪孔口徑長30 cm、寬20 cm，與路面水平夾角15°貫穿護欄，各除雪孔平行間距150 cm，見圖2。

由于護欄骨架為鋼筋，捆扎后用C30混凝土澆筑成型，包含了鋼筋和混凝土兩種不同材料，因此在建立有限元模型時必須考慮受到材料的不均勻性因素的影響。經(jīng)過分析，本文采用分離模型對鋼筋和混凝土各自劃分成足夠小的網(wǎng)格單元進行計算。首先用SolidWorks建立護欄三維模型，之后在HyperMesh中劃分網(wǎng)格單元，其有限元部分模型見圖3。

根據(jù)鋼筋混凝土護欄材料特點，仿真時選用LS-DYNA中MAT_111的材料類型，其關(guān)鍵字菜單見圖4。

圖中：RHO-材料質(zhì)量密度;G-剪切模量;SFMAX-極限強度;A-內(nèi)聚強度;B-標準化壓力硬化;C-應變率系數(shù);N-壓力硬化指數(shù);FC-準靜態(tài)單軸抗壓強度;T-最大拉伸靜水壓力;EPS0-準靜態(tài)閾值應變率;EFMIN-斷裂前塑性應變量;SFMAX-標準化最大強度;PC-壓碎壓力;UC-破碎體積應變;PL-鎖定壓力;UL-鎖定體積應變;D1-傷害常數(shù);D2-傷害不變;K1-壓力常數(shù);K2-壓力常數(shù);K3-壓力常數(shù);FS-故障類型

根據(jù)《高速公路護欄安全性能評價標準（JTG/T F83-01-2004》要求，護欄模型長度為40 m。橋梁護欄與路基之間基本為整體澆筑，所以護欄在碰撞時視為路面以下20 cm處底部施加全約束。

1.2 貨車有限元建模

根據(jù)《高速公路護欄安全性能評價標準（JTG/T F83-01-2004》要求，碰撞貨車最大總重為18 t，故本研究用貨車最大重量仿真極限碰撞條件下的護欄安全性。與護欄碰撞的大貨車模型是以東風商用車EQ3318GFJ為原型建立，其外廓尺寸為7 700 mm×2 300 mm×2 900 mm。首先根據(jù)貨車結(jié)構(gòu)參數(shù)建立SolidWorks三維模型，對模型中發(fā)動機、變速箱等質(zhì)量剛度較大的部件采用體單元建模，懸架彈簧、減震器等采用彈簧阻尼單元建模，對整車碰撞性能無明顯影響的部件則由相應的質(zhì)量單元代替。建模完成轉(zhuǎn)為STP格式后導入HyperMesh軟件中劃分網(wǎng)格。為保證模型的計算精度，需要對模型中的三角形單元進行數(shù)量控制[20]，板材殼單元的具體要求見表2。

貨車模型共48 033個單元，41 255個節(jié)點。碰撞仿真時定義整車全局接觸以及地面接觸，重力環(huán)境下完成碰撞。貨車-護欄碰撞仿真分析模型見圖5。

2 易除雪護欄可靠性仿真分析

2.1 仿真初始條件

易除雪護欄的可靠性評價需用貨車碰撞仿真結(jié)果進行判斷。貨車與護欄的仿真結(jié)果與碰撞速度、碰撞夾角等初始條件關(guān)系密切。根據(jù)《高速公路護欄安全性能評價標準（JTG/T F83-01-2004》對護欄碰撞試驗條件的要求，本有限元仿真分析時取車輛碰撞初速度為80 km/h，碰撞初始角為20°。

2.2 仿真模型有效性分析

為檢查貨車與護欄碰撞模型的有效性，將有限元模型文件用LS-DYNA 軟件進行動力學計算分析，仿真過程能量變化曲線如圖6所示，隨著動能的減少內(nèi)能逐漸增加，沙漏能和界面滑移能也在規(guī)定的范圍內(nèi)，碰撞過程中總能量基本守恒，說明該模型是有效的。

從圖6可知系統(tǒng)碰撞總能量為500 kJ，且隨著碰撞過程中總能量基本保持不變，符合能量守恒定律。碰撞過程中，界面滑移能為25.6 kJ ，占總能量的5.1%;沙漏能大小為12.5 kJ，占總能量2.5%，均在規(guī)定的能量變化范圍內(nèi)，說明碰撞仿真計算結(jié)果是準確可靠的。

2.3 形護欄與貨車碰撞結(jié)果分析

根據(jù)《高速公路護欄安全性能評價標準（JTG/T F83-01-2004》規(guī)定，護欄安全性能指標是乘員安全性、汽車運行狀態(tài)軌跡和護欄結(jié)構(gòu)完整性。本文通過Hypermesh 、HyperGaph 軟件對貨車-護欄碰撞進行有限元仿真分析，并對護欄的安全性指標進行評價。

2.3.1 車內(nèi)乘員安全性分析

車內(nèi)乘員安全性主要考慮的是前圍板變形對駕駛室的侵入量、車體加速度和車輛運行狀態(tài)軌跡，以此來判斷碰撞對車內(nèi)乘員的傷害程度。

（1）前圍變形量分析

前圍板侵入量超過限值會傷害乘員腿部，仿真貨車在以80 km/h初速度碰撞護欄的過程中，貨車前圍最大變形量為39.3 cm，小于標準最大限值，故前圍變形量對車內(nèi)乘員無傷害，如圖7 所示。

（2）車體加速度分析

車體加速度是評價車內(nèi)乘員安全性的間接指標，經(jīng)過多次試驗及假人的各項指標與車體加速度數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果表明，當車體3個方向加速度均值≤20 g時，不會對車內(nèi)乘員造成傷害。本仿真中，車體X、Y、Z方向最大加速度值分別為4.2 g、3.8 g、6.3 g，均小于標準限值，見圖8?？梢?，碰撞時對乘員造成沖擊傷害概率較小。

（3）貨車運行狀態(tài)、軌跡分析

要確保車內(nèi)乘員安全，要求在碰撞過程中，貨車不得出現(xiàn)穿越、翻越、騎跨護欄等現(xiàn)象。為避免失控車輛侵入其他車道造成二次事故，要求碰撞后車輛駛出角度不大于碰撞初始角度的60%。貨車在與護欄碰撞的0 ms、150 ms、300 ms、450 ms時的運行狀態(tài)及軌跡如圖9所示。

貨車沿與護欄20°夾角方向發(fā)生碰撞后，以10.2°夾角方向駛離，小于碰撞初始角度的60%，可見，護欄對貨車的防御和引導作用較好。

2.3.2 護欄防撞性能分析

橋梁用剛性護欄防撞性能好壞的指標是護欄動態(tài)變形量，標準規(guī)定極限值≤10 cm。使用HyperGaph 軟件對護欄碰撞過程的分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，t=160 ms時護欄的動態(tài)變形量達到峰值為3.35 cm，小于標準規(guī)定的安全閾值，見圖10?？梢?，該橋梁易除雪護欄防撞性能良好，滿足安全使用需求。

3 結(jié)語

本文依托工程項目應用實際，設計了山區(qū)高速公路橋梁易除雪護欄，采用Hyperworks仿真分析軟件建立了貨車-易除雪護欄碰撞有限元模型，并使用LS-DYNA 仿真計算軟件對有限元模型進行計算，以此系統(tǒng)評價易除雪護欄的安全性、可靠性。仿真分析結(jié)果表明，易除雪護欄在滿足西部山區(qū)高速公路橋梁段除雪便捷性的同時，能夠承受大型車輛的碰撞，且碰撞過程中車輛的前圍變形量、行駛狀態(tài)、運行軌跡、三向加速度等指標值滿足車內(nèi)乘員安全性的要求;護欄的最大動態(tài)變形量也在標準規(guī)定的范圍內(nèi)，滿足工程實際需要。本研究為在高海拔山區(qū)高速公路橋梁段使用、推廣易除雪護欄提供了切實可靠的支撐。

參考文獻：

[1]袁飛云，王劍波.雅康高速長下坡高橋隧比路段交通安全設施優(yōu)化設計研究[J].交通科技，2018（5）：114-117.

[2]Manual for Assessing Safety Hardware（MASH），American Association of State Highway and Transportation Officials（AASHTO）[Z].2010.

[3]日本道路協(xié)會.護欄設置標準[Z].2004.