袁旭陽
(青海省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司, 青海 西寧 810000)
在山區(qū)高架樞紐互通設(shè)計(jì)中,由于受地形限制,其轉(zhuǎn)彎半徑往往較小,運(yùn)行速度較大的車輛在該類路段行駛時(shí)容易以大角度碰撞橋梁護(hù)欄,車輛很容易發(fā)生側(cè)翻墜落事故。
閆書明等針對(duì)危險(xiǎn)路段提出了具備630 kJ防撞能力的橋梁護(hù)欄,但隨著高速公路上超載超限的大型車輛越來越多,在某些特殊危險(xiǎn)路段630 kJ防撞能力的橋梁護(hù)欄可能不再安全。該文以某滿足760 kJ碰撞能量要求的HA級(jí)防撞橋梁護(hù)欄為研究對(duì)象,采用LS-DYNA平臺(tái)模擬分析不同車型碰撞過程,研究成果可為山區(qū)復(fù)雜高架樞紐互通護(hù)欄設(shè)計(jì)提供參考。
實(shí)踐應(yīng)用表明:F形坡面護(hù)欄較單坡面具有更好的導(dǎo)向性和緩沖性能,因此試驗(yàn)護(hù)欄選擇F形坡面的機(jī)構(gòu)形式,且在護(hù)欄的頂部設(shè)置阻爬砍可有效防止車輛側(cè)翻的功能。合理的高度設(shè)計(jì)可有效增加混凝土護(hù)欄在公路上的安全儲(chǔ)備。綜合設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)護(hù)欄高度的要求,取護(hù)欄高度為1.3 m,混凝土強(qiáng)度為C40。確定HA級(jí)橋梁混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)墻體外輪廓尺寸如圖1所示。
圖1 橋梁護(hù)欄墻體外輪廓(單位:mm)
根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中關(guān)于橋梁混凝土護(hù)欄配筋強(qiáng)度的要求,墻體中豎筋采用直徑為16的Ⅲ級(jí)鋼筋,縱筋采用直徑為12 mm的Ⅲ級(jí)鋼筋,如圖2所示。
圖2 HA級(jí)橋梁混凝土護(hù)欄配筋圖(單位:mm)
基于有限元方法的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可計(jì)算碰撞類復(fù)雜物理過程。在LS-DYNA中可采用拉格朗日增量動(dòng)態(tài)方程描述碰撞大變形幾何非線性效應(yīng),調(diào)用顯示中心差分法即可完成對(duì)碰撞幾何非線性的模擬;對(duì)于材料非線性行為的描述采用Von Mises屈服準(zhǔn)則;對(duì)于碰撞邊界非線性的模擬可采用罰函數(shù)法。
根據(jù)車輛實(shí)際尺寸建立車輛有限元模型,車身結(jié)構(gòu)采用計(jì)入大變形的四邊形單點(diǎn)積分殼單元模擬,單元翹屈度控制在15以內(nèi),長(zhǎng)寬比不大于4,角度控制在[45°,135°]區(qū)間;使用Cowper-Symons模型來考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng);邊界非線性問題通過設(shè)置基于懲罰函數(shù)法的Automatic_Single_Surface接觸類型解決。車輛參數(shù)及有限元模型見表1及圖3。
表1 車輛類型及參數(shù)
圖3 車輛有限元模型
有限元模擬時(shí),忽略路面變形,將路面作為剛性處理。碰撞系統(tǒng)坐標(biāo)系以車輛行駛方向?yàn)閤坐標(biāo),寬度方向?yàn)閥坐標(biāo),z方向垂直于xy平面。
護(hù)欄混凝土部分采用Mat159號(hào)材料進(jìn)行模擬,鋼筋采用彈塑性材料模擬,其應(yīng)力-應(yīng)變曲線根據(jù)Hopkinson壓桿沖擊試驗(yàn)確定,兩者之間的連接通過設(shè)置*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID進(jìn)行約束。
通過開展實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的合理性和正確性,試驗(yàn)采用核定重量2 t的小車以30 km/h的速度正面撞擊HA級(jí)鋼筋混凝土護(hù)欄,觀察護(hù)欄損傷情況,并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(圖4)。
圖4 實(shí)車碰撞混凝土護(hù)欄試驗(yàn)與模擬損傷對(duì)比
由圖4可知:實(shí)車碰撞與有限元模擬結(jié)構(gòu)裂縫分布及損傷情況基本一致,兩者結(jié)果高度吻合。故可認(rèn)為該有限元模型能較為精確地模擬護(hù)欄碰撞過程,從而驗(yàn)證了有限元模型的正確性和合理性。
分別建立小客車、大客車、整體式貨車及鞍式貨車4種車型有限元模型以模擬其碰撞過程,其中小客車及大客車主要考察車輛碰撞以后的加速度及導(dǎo)向阻攔功能,整體式貨車及鞍式貨車主要考察碰撞后導(dǎo)向功能及混凝土護(hù)欄損傷情況。
(1) 小客車碰撞結(jié)果分析
建立小客車碰撞護(hù)欄仿真模型,碰撞條件為:1.5 t小客車,車身長(zhǎng)4.6 m,寬1.77 m,高1.4 m,以100 km/h的速度碰撞護(hù)欄,碰撞角度為20°。圖5為小客車碰撞護(hù)欄過程有限元模擬示意圖。結(jié)果表明:車輛頭部碰撞護(hù)欄后,沒有出現(xiàn)翻越和穿出護(hù)欄現(xiàn)象,經(jīng)過護(hù)欄導(dǎo)向后平穩(wěn)駛出,而且能夠正常行駛,結(jié)果表明護(hù)欄導(dǎo)向和阻擋功能良好。
圖5 小客車碰撞過程
圖6、7分別為小客車碰撞護(hù)欄的加速度時(shí)程曲線和碰撞護(hù)欄后車輛行駛軌跡圖。
圖6 小客車碰撞過程加速度時(shí)程曲線
圖7 小客車碰撞行駛軌跡圖(單位:m)
圖6、7表明:x向(縱向)乘員碰撞后加速度為95.8 m/s2,y向(橫向)乘員碰撞后加速度為123 m/s2,均小于200 m/s2;x向(縱向)乘員碰撞速度為3.8 m/s,y向(橫向)乘員碰撞速度為7.8 m/s,均小于12 m/s;小客車碰撞混凝土護(hù)欄后行駛軌跡未駛出導(dǎo)向框,且小客車駛出導(dǎo)向框后沒有翻車,車身保持完整,結(jié)果表明護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。
(2) 大客車碰撞結(jié)果分析
建立大客車碰撞護(hù)欄仿真模型。碰撞條件為:10 t大客車、車身長(zhǎng)10 m,寬2.4 m、高3.1 m,以60 km/h的速度碰撞護(hù)欄、其碰撞角度為20°。圖8、9分別為標(biāo)準(zhǔn)碰撞條件下大客車碰撞護(hù)欄過程圖和碰撞護(hù)欄后車輛行駛軌跡圖。圖8、9表明:大客車頭部碰撞護(hù)欄后,沒有出現(xiàn)翻越和穿出護(hù)欄現(xiàn)象,經(jīng)過護(hù)欄導(dǎo)向后平穩(wěn)駛出,而且能夠正常行駛,表明護(hù)欄導(dǎo)向和阻擋功能良好。大客車碰撞特高防撞等級(jí)F形混凝土護(hù)欄后,未駛出導(dǎo)向框,且大客車未翻車,車身較為完整。
圖8 大客車碰撞過程
圖9 大客車碰撞行駛軌跡圖(單位:m)
(3) 整體式貨車碰撞
建立整體式貨車碰撞護(hù)欄模型,碰撞條件為:40 t整體式貨車,以65 km/h的速度碰撞護(hù)欄、其碰撞角度為20°。圖10、11分別為整體式貨車碰撞護(hù)欄過程圖和整體式貨車碰撞護(hù)欄后行駛軌跡圖。
圖10 整體式貨車碰撞過程
圖11 整體式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位:m)
圖10、11表明:大貨車頭部碰撞護(hù)欄后,沒有出現(xiàn)翻越和穿出護(hù)欄現(xiàn)象,經(jīng)過護(hù)欄導(dǎo)向后平穩(wěn)駛出,而且能夠正常行駛,結(jié)果表明護(hù)欄導(dǎo)向和阻擋功能良好。大貨車碰撞混凝土護(hù)欄后,未駛出導(dǎo)向框,且大客車駛離后未翻車,車身較為完整。圖12為整體式貨車碰撞后護(hù)欄損壞情況,混凝土護(hù)欄局部損壞,損傷部位為護(hù)欄上部,損傷表征為混凝土破損,但未對(duì)護(hù)欄造成破壞性影響。
圖12 整體式貨車碰撞護(hù)欄損壞情況
(4) 鞍式貨車碰撞
建立鞍式貨車碰撞護(hù)欄模型,碰撞條件為:55 t鞍式貨車,以65 km/h的速度碰撞護(hù)欄、其碰撞角度為20°。圖13、14分別為鞍式貨車碰撞護(hù)欄過程圖和鞍式貨車碰撞護(hù)欄后行駛軌跡圖。
圖13 鞍式貨車碰撞過程
圖14 鞍式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位:m)
圖13、14表明:鞍式貨車頭部碰撞護(hù)欄后,沒有出現(xiàn)翻越和穿出護(hù)欄現(xiàn)象,經(jīng)過護(hù)欄導(dǎo)向后平穩(wěn)駛出,而且能夠正常行駛,結(jié)果表明護(hù)欄導(dǎo)向和阻擋功能良好。鞍式貨車碰撞特高防撞等級(jí)F形混凝土護(hù)欄后,未駛出導(dǎo)向框,且鞍式客車駛離后未翻車,車身較為完整。圖15為鞍式貨車碰撞后護(hù)欄損壞情況,混凝土護(hù)欄局部損壞,損傷情況較整體式貨車嚴(yán)重,主要受損部位為護(hù)欄上下部區(qū)域,損傷表征為混凝土破損,但仍未對(duì)護(hù)欄造成破壞性影響。
圖15 鞍式貨車碰撞護(hù)欄損壞情況
以某HA級(jí)防撞混凝土護(hù)欄為研究對(duì)象,使用LS-DYNA建立4種不同車型的仿真模型和混凝土護(hù)欄模型,并通過實(shí)車碰撞對(duì)有限元模型進(jìn)行了驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)4種車型撞擊混凝土護(hù)欄后車輛行駛軌跡及護(hù)欄損傷情況進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:
(1) 實(shí)車撞擊試驗(yàn)表明:基于大變形和接觸非線性理論建立的碰撞模型具有較高的模擬精度,試驗(yàn)碰撞結(jié)果與有限元模擬結(jié)果基本一致,護(hù)欄破壞特征高度吻合,有限元模型可用于對(duì)不同車型撞擊護(hù)欄的動(dòng)力分析。
(2) 通過建立4種不同車型與護(hù)欄的高精度計(jì)算機(jī)碰撞仿真模型,并對(duì)其碰撞過程進(jìn)行分析求解,碰撞后小型車輛縱向和橫向速度分別為3.8、7.8 m/s,小于規(guī)范要求的12 m/s;縱向和橫向加速度分別為95.8、123 m/s2,小于規(guī)范要求200 m/s2,護(hù)欄阻擋功能滿足規(guī)范要求。
(3) 4種車型撞擊護(hù)欄后車輛行駛軌跡均在導(dǎo)向框范圍內(nèi),說明該護(hù)欄具有較好的導(dǎo)向功能。
(4) 整體式貨車及鞍式貨車撞擊護(hù)欄后護(hù)欄表面混凝土有一定損傷,但均未造成結(jié)構(gòu)性破壞。