荊迪菲， 康可心， 宋燦燦

(1.同濟大學(xué) 道路與交通工程教育部重點實驗室， 上海 201804； 2.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司, 貴州 貴陽 550014)

公路罩面是路面維護改造的一種常規(guī)方式，具有對公路正常運營影響小且養(yǎng)護費用低的優(yōu)點。而罩面會造成路面抬高，進而導(dǎo)致路側(cè)護欄的防護高度不斷下降，從而造成其防護性能無法滿足我國現(xiàn)有規(guī)范[1-2]要求，極大地降低了公路行車的安全性。若重新布置護欄則存在施工難度大、經(jīng)濟投入高、維護周期長[3]等缺陷；因此，本著節(jié)約養(yǎng)護維修成本和對舊護欄合理利用以實現(xiàn)經(jīng)濟、環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的原則，本文采用護欄加高再利用技術(shù)使改造后的護欄防撞性能滿足我國現(xiàn)行規(guī)范[1-2]對護欄防撞等級的要求，以更好地保障公路行車安全及適應(yīng)現(xiàn)行交通的需求。

目前，國內(nèi)外對波形梁護欄加高改造方案的研究甚少。MARZOUGUI D[4]等采用仿真試驗和實車足尺試驗相結(jié)合的方式，發(fā)現(xiàn)防護高度降低會影響護欄對車輛的導(dǎo)向功能。李志鋒[5]提出3種護欄加高方式并通過有限元的方式進行評價驗證并得出一種較優(yōu)方案。郄彥輝[6]提出了高度可調(diào)節(jié)護欄的改造方案并用采用仿真試驗和實車碰撞試驗相結(jié)合的方式驗證了該改造方案的可行性，為舊有波形梁護欄改造提供了新思路。

以上結(jié)果表明，護欄加高改造方案的合理性與護欄的安全防護性能息息相關(guān)。現(xiàn)行規(guī)范[2]對波形梁護欄的立柱間距及埋深提出了更高的要求，早期修建的波形梁護欄已不滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求，因此，亟需根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范對護欄進行加高設(shè)計?，F(xiàn)有的內(nèi)套管焊接加高法在實際操作中存在工廠批量化生產(chǎn)和焊接的質(zhì)量可能導(dǎo)致加高件的強度和整體性達不到設(shè)計要求的弊端，而本文采用內(nèi)套管節(jié)點加高法可將不同的改造高度集于同一內(nèi)套管內(nèi)，且設(shè)有兩個相互垂直的工作面，在保證強度的同時保證了經(jīng)濟性。

實車碰撞試驗是研究汽車碰撞護欄安全性能最直接、系統(tǒng)的方式，但考慮到時間、經(jīng)濟成本的問題，本文采用有限元分析的方式來模擬碰撞過程對護欄加高改造方案進行評價。本文采用HyperMesh和LS-DYNA聯(lián)合仿真的方式，建立了汽車與護欄碰撞耦合有限元模型，模擬碰撞全過程并對車輛狀態(tài)和護欄變形情況等碰撞測試指標進行分析，提出滿足要求的護欄加高改造方案。

1 護欄加高方案

1.1 改造高度的確定

本文就波形梁護欄臨界防護高度做了有限元仿真試驗，在標準護欄高度基礎(chǔ)上分別降低50、100、150和200 mm，使1.5 t皮卡車和10 t貨車分別與護欄進行側(cè)碰試驗，通過分析車輛重心加速度和速度、車輛駛出角度、護欄最大動態(tài)變形量、車輛側(cè)翻指標，發(fā)現(xiàn)當護欄高度低于標準護欄高度的150 mm時，兩類車輛均發(fā)生側(cè)翻事故，即波形梁護欄安全性能無法滿足規(guī)范要求。公路經(jīng)多次罩面后，路面將抬高至200 mm[8]。公路一次罩面厚度約為40～50 mm[7]，結(jié)合立柱的結(jié)構(gòu)尺寸及螺栓孔位的選擇，本文最終的設(shè)計加高改造高度為135、150和200 mm。

1.2 改造結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本文采用內(nèi)套管節(jié)點加高法對原立柱進行加高并用連接螺栓來連接各組件?？紤]到外套管在受到外力碰撞時易破壞的特性，將預(yù)留15 mm對外套管進行保護。圖1是利用內(nèi)套管節(jié)點加高法對立柱進行200 mm加高的護欄立柱結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖。

圖1 護欄加高改造方案

內(nèi)套管是加高改造方案的核心部件，為了達到使其具備普適性及重復(fù)利用的目的，本文將3種改造高度集中于同一種內(nèi)套管內(nèi)，并根據(jù)不同高度需求在內(nèi)套管上鉆孔以方便螺栓的連接。為滿足不同的加高需求，且考慮到碰撞過程中螺栓孔位處的應(yīng)力集中將對強度產(chǎn)生影響，采用兩個工作面以增大螺栓孔的間隔，保證其整體強度。如圖2所示，內(nèi)套管擁有兩個相互垂直的安裝工作面。第一工作面進行150 mm的加高改造，第二工作面進行135和200 mm的加高改造。

圖2 內(nèi)套管的孔位設(shè)計(單位： mm)

靠近端頭A的孔位進行內(nèi)套管和原立柱的固定，靠近端頭B的孔位連接內(nèi)套管、外套管和托架。內(nèi)套管的三視圖如圖3所示。

此外，應(yīng)加密現(xiàn)有波形梁護欄以滿足規(guī)范對B級波形梁護欄的要求。在兩根立柱中間增設(shè)一根立柱使立柱間距由4000mm縮短為符合規(guī)范的2000mm，新增設(shè)立柱的埋深為1400mm。

圖3 內(nèi)套管的三視圖(單位：mm)

2 護欄改造仿真試驗設(shè)計

2.1 護欄有限元模型

按照《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81-2017)[1]要求，運用SoildWorks 建立護欄的CAD模型并導(dǎo)入HyperMesh建立有限元模型，護欄各組件有限元模型如圖4所示。

采用1D面板下rigids中的 RgdBody 單元類型以剛體約束法完成護欄各部件及加高所需的內(nèi)套管和外套管螺栓孔位的約束。隨后進行模型調(diào)整、網(wǎng)格劃分并定義護欄材料及屬性，對立柱400mm以下及兩端進行全自由度約束。護欄共設(shè)置9跨，每跨2000mm，護欄全長共計18m，得到護欄整體有限元模型如圖5所示，護欄材料參數(shù)如表1所示。

(a) 立柱

(a) 未加高

2.2 試驗車輛

車輛模型均在車頭及碰撞中接觸位置部分進行細化并加密網(wǎng)格以提高碰撞試驗結(jié)果的準確性，如圖6所示。同時，車輛正碰試驗的能量變化驗證了車輛模型的有效性，如圖7所示。

表1 護欄的材料參數(shù)Table 1 The material parameters of guardrail密度RHO/(t·mm-3)彈性模量E/ MPa泊松比NU屈服應(yīng)力SIGY/MPa7.89E-092.00E+050.3235剪切模量ETAN/MPaCowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)C/(1·s-1)Cowper-Symonds應(yīng)變率參數(shù)P1 00040.45

圖6 車輛的有限元模型

圖7 車輛正碰試驗的能量變化

2.3 試驗方案

根據(jù)上述加高改造設(shè)計方案和規(guī)范[1-2]關(guān)于B級波形梁護欄碰撞初始條件的規(guī)定，皮卡車碰撞速度為60km/h，貨車碰撞速度為40km/h，兩種車型碰撞角度均為20°，試驗共設(shè)置1個對照組和3個試驗組，汽車護欄碰撞的仿真試驗方案如表2所示。

表2 試驗方案Table 2 The test scheme試驗編號加高高度/mm試驗車型碰撞速度(km·h-1)碰撞角度/(°)屬性 A1X01.5 t 皮卡車6020對照組 A1Y10 t 貨車4020對照組 B1X1351.5 t 皮卡車6020試驗組 B1Y10 t 貨車4020試驗組 B2X1501.5 t皮卡車6020試驗組 B2Y10 t貨車4020試驗組 B3X2001.5 t 皮卡車6020試驗組 B3Y10 t 貨車4020試驗組

3 車輛碰撞結(jié)果

3.1 皮卡車碰撞結(jié)果

對照組和試驗組皮卡車的初始碰撞狀態(tài)和與護欄的位置關(guān)系如圖8所示。

(a)A1X

皮卡車以60 km/h的速度與波形梁護欄以20°的角度進行碰撞，各試驗組的護欄經(jīng)碰撞試驗后，通過對各試驗組車輛運行狀態(tài)觀察得知，車輛行駛姿態(tài)正常且未發(fā)生側(cè)翻，護欄各組件未發(fā)生脫落或斷裂，表明加高改造后的護欄的阻擋功能和導(dǎo)向功能滿足規(guī)范[2]要求。

3.2 貨車碰撞結(jié)果

貨車以40 km/h的速度與標準高度的波形梁護欄以20°的角度進行碰撞，對照組和試驗組貨車的初始碰撞狀態(tài)和與護欄的位置關(guān)系如圖9所示。

(a)A1Y

各試驗組的護欄經(jīng)碰撞試驗后，車輛行駛姿態(tài)正常，均沒有發(fā)生側(cè)翻且以合適的角度駛離護欄。護欄各組件未發(fā)生脫落或斷裂,表明加高改造后的護欄的阻擋功能和導(dǎo)向功能滿足規(guī)范[2]要求。

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01-2013)[2](以下簡稱《標準》)對護欄阻擋、緩沖和導(dǎo)向功能的規(guī)定，本文選取車輛重心加速度和速度、車輛駛出角度、護欄的橫向最大動態(tài)變形量為分析評價護欄安全性能的指標，并采用LS-Prepost作為后處理器繪制各組車輛碰撞過程的安全性能指標變化圖。

4.1 車輛重心加速度

乘員的加速度作為與乘員安全直接相關(guān)的指標被用來評價公路護欄的緩沖功能?！稑藴省芬?guī)定，當乘員碰撞后加速度小于200 m/s2時，表明護欄具備合格的導(dǎo)向功能?！稑藴省芬?guī)定在未設(shè)置假人的情況下，可使用車輛的重心加速度作為參考指標。

a.皮卡車。

皮卡車的重心加速度如圖10所示，各組車輛重心加速度變化趨勢大致相同，均存在明顯的2處峰值。第一處峰值出現(xiàn)在皮卡車碰撞護欄并離開時，持續(xù)約0.1 s；第二處峰值出現(xiàn)在皮卡車離開護欄并最終達到穩(wěn)定狀態(tài)時。

圖10 皮卡車重心的加速度

從加速度的變化規(guī)律可知，隨著護欄防護高度的增加，車輛最大加速度逐漸減小，表明對護欄進行加高改造不會降低護欄的緩沖能力。同時，各加高高度的車輛重心加速度均小于200 m/s2，表明所有加高方案均滿足《標準》對緩沖能力的要求。

b.貨車。

貨車的重心加速度如圖11所示，各組車輛中心加速度變化趨勢大致相同。與皮卡車相比，貨車加速度的值明顯低于皮卡車，這是貨車自重大導(dǎo)致的加速度變化值小的緣故。

從加速度變化規(guī)律可知，貨車加速度變化呈現(xiàn)多峰值的變化規(guī)律，且隨防護高度增加，峰值在降低，但峰值次數(shù)增加，這與車輛多次碰撞護欄有關(guān)。

圖11 貨車重心的加速度

車輛重心加速度均小于200 m/s2，表明各加高方案均滿足《標準》對緩沖能力的要求。

圖12所示為皮卡車和貨車的最大加速度和護欄改造高度的回歸關(guān)系，皮卡車和貨車的車輛最大重心加速度和護欄改造高度呈明顯的線性關(guān)系，且隨護欄改造高度的增加，車輛重心最大加速度減小。且皮卡車的加速度均高于貨車的加速度，這與皮卡車自重較輕有關(guān)。

圖12 車輛最大加速度與護欄改造高度的關(guān)系

4.2 車輛重心速度

根據(jù)《標準》規(guī)定，乘員速度與乘員加速度同樣作為與乘員安全性能直接相關(guān)的指標被用于評價護欄的緩沖性能?！稑藴省芬?guī)定在未設(shè)置假人的情況下，可使用車輛的重心速度作為參考指標。

a. 皮卡車。

各組試驗車輛重心速度隨時間的變化如圖13所示，各試驗組的車輛重心速度變化趨勢相同，且由上文對車輛重心加速度的分析知，3組試驗組的車輛重心速度均比對照組的車輛重心速度下降得慢，車輛駛出護欄后的速度比對照組高4.2%。

圖13 皮卡車重心速度

從速度的變化規(guī)律可知，隨著護欄防護高度的增加，車輛速度變化減慢，車輛駛出護欄后的速度高于標準高度護欄下的車輛駛出速度。同時，各組車輛重心速度均小于等于12 m/s，表明所有加高方案均滿足《標準》對緩沖能力的要求。

b. 貨車。

各組試驗車輛重心速度隨時間的變化如圖14所示，各組車輛重心速度變化趨勢大致相同，車輛速度上下波動頻繁是車身左右搖晃不斷碰撞護欄的緣故。與皮卡車重心速度變化類似，貨車重心速度仍呈下降趨勢，且由于貨車自重較大等因素，貨車重心速度下降幅度小于皮卡車重心速度。

圖14 貨車重心的速度

車輛重心速度均小于12 m/s，表明各加高方案均滿足《標準》對緩沖能力的要求。

4.3 車輛駛出角度

《標準》規(guī)定車輛的駛出角度應(yīng)小于碰撞角度的60%，即在20°的初始碰撞角度下，車輛的駛出角度應(yīng)小于12°。LS-Prepost作為后處理器對各組分析后，車輛駛出角度與護欄防護高度的回歸關(guān)系如圖15所示。

圖15 車輛駛出角度與護欄防護高度的關(guān)系

皮卡車和貨車的駛出角度與護欄防護高度均呈線性關(guān)系，皮卡車的駛出角度均高于貨車的駛出角度。隨著護欄防護高度的增加，車輛駛出角度不斷減小，表明護欄的導(dǎo)向能力上升，加高方案發(fā)揮了作用。

4.4 護欄的最大動態(tài)變形量

根據(jù)《標準》對于護欄防撞性能的規(guī)定，當碰撞后護欄的最大動態(tài)變形量小于或等于1000mm時，表明護欄滿足B級防護等級的需求。

a.皮卡車。

各試驗組護欄橫向動態(tài)變形量隨時間的變化如圖16所示。汽車碰撞護欄的過程中，各組護欄最大動態(tài)變形量變化情況相同，均出現(xiàn)了2個波峰，且護欄最大橫向動態(tài)變形值隨護欄改造高度的增大而不斷下降，這是內(nèi)套管強化了護欄立柱強度的緣故。

圖16 護欄橫向動態(tài)變形量

根據(jù)變形數(shù)值可知，B1X組最大動態(tài)變形量最大，最大值為247 mm，遠遠小于《標準》中1000mm的允許值，表明各加高方案均能滿足B級防護等級的要求。

b.貨車。

各試驗組護欄橫向動態(tài)變形量隨時間的變化如圖17所示。與皮卡車碰撞護欄結(jié)果相比，貨車碰撞護欄后最大動態(tài)變形量也呈現(xiàn)2個明顯峰值，這是由于車頭和車尾撞擊護欄造成的，且車尾撞擊護欄時產(chǎn)生的動態(tài)變形量明顯高于車頭。護欄的最大橫向動態(tài)位移隨著護欄加高改造高度的增加而減小，這表明加高改造后的護欄具有更高的強度和更穩(wěn)定的防護性能。

圖17 護欄橫向動態(tài)變形量

車輛碰撞護欄造成的最大動態(tài)變形量的最大值仍小于《標準》規(guī)定的1000mm的允許值，能夠滿足B級防護等級的要求。且通過觀察發(fā)現(xiàn)，碰撞過程中立柱根部最先發(fā)生屈服，加高改造部位沒有發(fā)生損壞(圖18)。這是因為立柱加高后碰撞時對立柱根部產(chǎn)生的力矩增加，拉應(yīng)力增加，因此立柱根部率先吸收能量先發(fā)生屈服。

圖18 立柱損壞情況

5 安全狀況評價結(jié)果

各組加高護欄碰撞試驗的仿真結(jié)果統(tǒng)計如表3所示。

表3 仿真試驗結(jié)果Table 3 Reslut of simulation test評價指標加速度峰值車輛駛出速度/(m·s-1)車輛駛出角度/(°)護欄最大動態(tài)變形/mm 碰撞要求≤20.0g≤12.0≤12.0≤1 000A1X9.1g11.511.5260皮卡車B1X8.2g12.011.0248B2X7.8g12.010.5210B3X7.5g12.07.0176A1Y4.4g8.511.8720貨車B1Y3.7g9.210.0121B2Y3.5g8.77.285B3Y3.2g8.75.370

根據(jù)《標準》對護欄性能的要求，結(jié)合仿真碰撞結(jié)果，護欄安全性能評價如下：

阻擋功能：碰撞過程中護欄的完整性與車輛被攔截的姿態(tài)體現(xiàn)了護欄的阻擋功能。碰撞過程中，護欄構(gòu)件未發(fā)生脫落，護欄板未發(fā)生斷裂，未發(fā)生護欄上的碰撞物侵入車輛乘員艙及阻擋駕駛員視線，護欄完整性好。碰撞過程中護欄對車輛進行了有效攔截，未發(fā)生車輛穿越、翻越和騎跨現(xiàn)象，車輛處于安全姿態(tài)。以上兩點表明加高之后的護欄充分發(fā)揮了阻擋功能。

緩沖功能：車輛碰撞護欄過程中，司乘人員的碰撞速度與最大加速度體現(xiàn)了護欄的緩沖功能。護欄加高之后，司乘人員的碰撞速度均小于12 m/s，且碰撞過程中速度變化平穩(wěn)。碰撞后司乘人員的最大加速度遠小于200 m/s2。表明加高護欄發(fā)揮了良好的緩沖功能。

導(dǎo)向功能：車輛碰撞護欄后的駛出角度體現(xiàn)了護欄的導(dǎo)向功能。護欄加高后，車輛離開護欄時駛出角度均小于駛?cè)虢嵌鹊?0%(20°×60%=12°)，碰撞結(jié)束后車輛未駛?cè)胂噜徿嚨?。表明加高護欄發(fā)揮了良好的導(dǎo)向功能。

吸能作用：護欄的最大橫向位移體現(xiàn)了其吸能作用。加高護欄碰撞過程中，護欄橫向最大位移均遠小于1 000 m，表明護欄充分發(fā)揮了吸能作用。

以上結(jié)果表明該種加高改造護欄能有效阻擋車輛，具備良好的阻擋、緩沖、導(dǎo)向及吸能功能，其防撞性能滿足《標準》對B級波形梁護欄的要求。

6 結(jié)語

本文提出了一種新的基于內(nèi)套管節(jié)點加高法的新型護欄加高改造方案，設(shè)計的內(nèi)套管可同時滿足不同高度的護欄加高需求。該種加高方式可用于B級波形梁護欄的加高改造。

本文通過有限元仿真試驗驗證了內(nèi)套管節(jié)點加高法這種加高方式的可靠性及實用性，改造后的護欄滿足《標準》中B級波形梁護欄防護性能的要求，可對現(xiàn)役公路運營過程中舊有波形梁護欄改造與設(shè)計提供參考。