摘 要：波形護欄作為高速公路交通安全設施中的重要組成部分，其碰撞性能直接關系到行車安全，針對現(xiàn)有波形護欄在車輛碰撞過程中存在的吸能不足與變形過大等問題，通過有限元分析軟件建立車輛與護欄碰撞模型，研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對護欄碰撞性能的影響規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，增加立柱埋深和橫梁厚度能有效提升護欄剛度，優(yōu)化防撞橫梁波形曲率可提高吸能效果，采用雙波形結(jié)構(gòu)較單波形結(jié)構(gòu)具有更好的碰撞性能，基于實驗數(shù)據(jù)提出了波形護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，可為高速公路護欄設計提供理論依據(jù)。

關鍵詞：高速公路 波形護欄 碰撞性能 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 有限元分析

隨著高速公路網(wǎng)絡規(guī)模不斷擴大，行車安全問題日益凸顯，波形護欄作為預防交通事故的關鍵設施，其性能優(yōu)劣直接影響車輛偏離路線時的安全性。現(xiàn)有研究表明，護欄結(jié)構(gòu)參數(shù)與其防護性能密切相關[1]，而傳統(tǒng)護欄在實際應用中往往存在剛度不足或吸能效果欠佳等問題，為提升波形護欄的綜合防護性能，需從結(jié)構(gòu)設計角度開展深入研究，建立科學的優(yōu)化方法，使其在保證必要強度的同時具備良好的吸能特性。

1 波形護欄結(jié)構(gòu)特征及受力分析

波形護欄作為高速公路防護設施中的關鍵構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)特征與受力性能直接決定了車輛碰撞過程中的安全防護效果，由立柱與橫梁及連接件構(gòu)成的波形護欄系統(tǒng)通過特殊的幾何構(gòu)造實現(xiàn)對撞擊能量的吸收與耗散，其中波形橫梁采用冷彎成型工藝制備而成的褶皺狀結(jié)構(gòu)在承受沖擊荷載時表現(xiàn)出獨特的變形特性。橫梁與立柱之間采用高強螺栓連接方式，在保證結(jié)構(gòu)整體性的同時提供一定的變形空間，使護欄系統(tǒng)在遭受撞擊時能夠產(chǎn)生預期的防護效果，基于彈塑性力學理論分析表明，波形護欄在動態(tài)沖擊荷載作用下呈現(xiàn)出復雜的應力分布狀態(tài)，橫梁波形結(jié)構(gòu)在徑向壓縮變形過程中產(chǎn)生的應力集中現(xiàn)象顯著影響護欄的承載能力。立柱基礎埋置深度與地基土層特性共同影響護欄基礎的穩(wěn)定性，進而決定整個防護系統(tǒng)的變形模式，通過對護欄結(jié)構(gòu)在彈性階段及塑性階段的受力機理深入研究發(fā)現(xiàn)，波形橫梁的幾何參數(shù)與立柱間距的匹配關系對護欄系統(tǒng)的整體剛度及吸能性能具有重要影響。

2 碰撞性能影響因素分析

2.1 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響研究

波形護欄結(jié)構(gòu)參數(shù)對其碰撞性能的影響表現(xiàn)為一個復雜的系統(tǒng)工程，通過有限元分析結(jié)合實車碰撞試驗研究發(fā)現(xiàn)，如表1所示，橫梁波形參數(shù)與碰撞性能之間存在顯著的相關性，其中橫梁波形高度與板厚的影響最為顯著，最大沖擊力的變化幅度分別達到－15%～25%與－20%～35%。橫梁波形高度與波長的比值直接影響護欄系統(tǒng)的初始接觸剛度[2]，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化分析表明，當波高與波長比值介于合理范圍時，能夠有效降低車輛碰撞初期的沖擊載荷，立柱截面特征與壁厚作為承載結(jié)構(gòu)的關鍵參數(shù)，其幾何尺寸的改變將顯著影響護欄系統(tǒng)的整體剛度及變形能力，研究表明具有變截面特征的立柱結(jié)構(gòu)能夠提供更優(yōu)異的吸能性能。橫梁厚度與安裝高度的耦合效應對護欄的碰撞響應具有重要影響，通過調(diào)整橫梁壁厚分布可實現(xiàn)護欄系統(tǒng)剛度的合理匹配，從而提升防護性能，立柱間距作為影響護欄整體性能的重要參數(shù)，其取值需要在確保結(jié)構(gòu)強度與經(jīng)濟性之間取得平衡，研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的立柱間距配置方案能夠顯著提升護欄的承載能力與耐撞性。

2.2 材料特性影響分析

材料特性在波形護欄碰撞性能中扮演著決定性角色，通過動態(tài)力學性能測試與數(shù)值模擬相結(jié)合的方法深入研究材料參數(shù)對護欄防護性能的影響規(guī)律，橫梁采用的高強度鋼材在高應變率作用下表現(xiàn)出獨特的應力應變關系，材料的屈服強度與應變硬化特性直接影響護欄的能量吸收機制。研究表明，采用具有良好延性的材料能夠在碰撞過程中形成穩(wěn)定的塑性鉸，有效防止護欄發(fā)生脆性斷裂，立柱材料的動態(tài)響應特性對護欄的整體變形行為產(chǎn)生重要影響，通過優(yōu)化材料的強度與韌性匹配關系，可顯著提升護欄系統(tǒng)的防護性能。連接螺栓采用的高強度材料性能直接關系到碰撞過程中結(jié)構(gòu)的完整性，研究發(fā)現(xiàn)采用具有適當強度等級的螺栓材料能夠在保證連接可靠性的同時，為結(jié)構(gòu)提供必要的變形余量，基于材料動態(tài)本構(gòu)關系的深入研究表明，材料的應變率敏感性與溫度效應對護欄的碰撞響應具有顯著影響，這為材料選型與優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

2.3 安裝方式對性能的影響

波形護欄的安裝方式與工藝水平直接影響其實際防護效果，通過對不同安裝參數(shù)的系統(tǒng)研究揭示了安裝方式對護欄碰撞性能的影響機理，立柱基礎的埋設深度與地基處理方式顯著影響護欄的整體穩(wěn)定性[3]，研究表明增加埋深并采用合理的混凝土基礎加固方案能夠有效提升護欄的抗傾覆能力。螺栓連接部位的預緊力大小對護欄的動態(tài)響應特性產(chǎn)生重要影響，通過調(diào)整螺栓扭矩參數(shù)可實現(xiàn)結(jié)構(gòu)剛度的精確控制，從而優(yōu)化護欄的碰撞性能，橫梁拼接位置的設置原則對護欄的整體工作性能具有重要影響，研究發(fā)現(xiàn)將拼接處布置在力學性能相對較低的區(qū)域能夠提升護欄的防護效果。護欄端部錨固方式與過渡段的設置形式作為重要的安裝細節(jié)，其合理性直接關系到護欄的整體防護性能，優(yōu)化后的端部構(gòu)造方案能夠有效降低車輛碰撞時的沖擊載荷。

3 波形護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計

3.1 數(shù)值模擬分析

基于有限元理論建立波形護欄與車輛碰撞的動力學模型[4]，采用顯式動力學算法對碰撞過程進行數(shù)值模擬分析，如圖1所示，通過建立包含橫梁波形結(jié)構(gòu)的精細化網(wǎng)格模型，在碰撞接觸區(qū)域進行網(wǎng)格優(yōu)化處理，邊界條件設置參照實際安裝工況對立柱底部施加固定約束。將車輛簡化為多質(zhì)點剛體系統(tǒng)，在碰撞接觸面施加庫倫摩擦系數(shù)模擬真實工況，模型中對護欄系統(tǒng)采用六面體單元進行網(wǎng)格劃分，重點對易發(fā)生變形的橫梁波峰與立柱連接處等關鍵部位進行網(wǎng)格細化，最小網(wǎng)格尺寸控制在10mm，確保計算精度。材料本構(gòu)關系采用雙線性強化模型描述護欄鋼材在高應變率下的力學特性，引入Cowper-Symonds模型考慮材料的應變率效應，碰撞接觸算法采用面面接觸方式，通過罰函數(shù)法處理接觸面之間的相互作用，有效避免計算過程中出現(xiàn)單元穿透現(xiàn)象，計算參數(shù)設置中時間步長采用自適應控制策略，確保計算過程的穩(wěn)定性與精確性。能量衰減采用黏性阻尼方式，通過調(diào)節(jié)阻尼系數(shù)控制計算過程中的數(shù)值振蕩，模型的網(wǎng)格收斂性分析采用多層次網(wǎng)格尺寸進行對比，最終確定最小網(wǎng)格尺寸為10mm，總網(wǎng)格數(shù)量控制在50萬單元以內(nèi)，實現(xiàn)計算精度與效率的最優(yōu)平衡。

3.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

針對波形護欄結(jié)構(gòu)參數(shù)展開多目標優(yōu)化設計，建立以最大碰撞力最小化與吸能量最大化為目標函數(shù)的優(yōu)化模型，采用響應面法構(gòu)建結(jié)構(gòu)參數(shù)與性能指標之間的近似模型，通過正交試驗設計確定關鍵參數(shù)的取值范圍與組合方案，將橫梁波形高度與波長與板厚及立柱間距作為設計變量[5]，考慮結(jié)構(gòu)強度與工程實際限制建立約束條件。運用非支配排序遺傳算法對優(yōu)化模型進行求解，通過種群迭代進化獲得帕累托最優(yōu)解集，優(yōu)化過程中引入自適應交叉算子與變異算子提高算法的收斂性能，采用擁擠度計算方法保持種群多樣性，種群規(guī)模設置為200，最大進化代數(shù)為500代，交叉概率與變異概率分別設置為0.85與0.15。優(yōu)化過程中采用精英保留策略，確保最優(yōu)個體不會在進化過程中丟失，通過建立基于距離的聚類分析方法，從帕累托前沿中篩選具有代表性的優(yōu)化方案，優(yōu)化結(jié)果的穩(wěn)健性分析采用蒙特卡洛方法，通過引入?yún)?shù)隨機擾動評估方案對參數(shù)波動的敏感性，選擇具有較高穩(wěn)健性的優(yōu)化方案進行進一步分析驗證。

3.3 優(yōu)化方案設計

基于數(shù)值模擬分析與參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，提出波形護欄結(jié)構(gòu)的綜合優(yōu)化方案，橫梁結(jié)構(gòu)采用變厚度設計思路，在易發(fā)生應力集中區(qū)域板厚增加至4mm，波谷區(qū)域保持3mm厚度，實現(xiàn)應力分布均勻化，通過改進波形橫梁的幾何構(gòu)造，將波峰圓弧半徑由原來的25mm增加至35mm，降低應力集中系數(shù)，提升結(jié)構(gòu)的抗沖擊性能。立柱采用變截面設計，頂部截面尺寸為120mm×80mm，底部加大至160mm×100mm，通過漸變過渡提升抗彎強度，優(yōu)化后的螺栓連接構(gòu)造采用雙排布置方式，螺栓中心距離增加至200mm，通過增設4mm厚度的加勁板提高連接部位的整體剛度。端部錨固結(jié)構(gòu)設計中采用漸進過渡方案，護欄端部采用加強型立柱，間距由標準段的2m逐級減小至1.5m，波形板搭接處采用45度斜角切割，避免應力集中導致的開裂，優(yōu)化方案在滿足防護性能要求的同時，綜合考慮了制造工藝與施工便利性，所有幾何尺寸均采用標準化設計，確保方案具有良好的工程實施可行性。

4 優(yōu)化方案實驗驗證

4.1 試驗方案設計

為驗證優(yōu)化設計方案的有效性，依據(jù)道路護欄安全性能檢測標準制定系統(tǒng)的實驗驗證方案，實驗采用多工況碰撞測試方法，設計了包含正面碰撞與傾斜碰撞在內(nèi)的典型工況，通過改變碰撞速度與角度構(gòu)建完整的試驗矩陣，試驗場地選擇具有標準化檢測資質(zhì)的專業(yè)機構(gòu)，按照規(guī)范要求對試驗路段進行處理，確保地基強度與平整度滿足測試要求。試驗用車選用符合質(zhì)量等級要求的標準車型，在車身關鍵部位布置加速度傳感器與應變片，用于采集碰撞過程中的動態(tài)響應數(shù)據(jù)，護欄試驗段的安裝嚴格遵循優(yōu)化設計方案，在橫梁與立柱的關鍵位置布置位移傳感器與高速攝像設備，實現(xiàn)碰撞全過程的數(shù)據(jù)采集與影像記錄。實驗數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用高精度動態(tài)信號采集儀，采樣頻率設置為10kHz，確保能夠準確捕捉碰撞瞬態(tài)過程中的各項參數(shù)變化，傳感器的布置位置通過有限元分析確定應力集中區(qū)域，重點監(jiān)測橫梁波形結(jié)構(gòu)與立柱連接部位的應力應變響應，試驗工況設計中考慮了不同車型與不同碰撞角度的組合情況，構(gòu)建了完整的實驗驗證體系，為優(yōu)化方案的性能評估提供全面的實驗數(shù)據(jù)支持。

4.2 性能測試與評價

基于實驗方案開展波形護欄碰撞性能測試，通過多組對比試驗評估優(yōu)化設計的實際效果，采用高精度傳感設備對碰撞過程中的加速度響應與應力分布進行實時監(jiān)測，運用數(shù)字信號處理技術對采集數(shù)據(jù)進行降噪與濾波處理。通過高速攝影技術記錄護欄結(jié)構(gòu)的動態(tài)變形過程，采用圖像處理方法提取關鍵時刻的位移場分布，碰撞過程中護欄系統(tǒng)的吸能性能通過計算碰撞前后車輛動能變化量進行評估，結(jié)構(gòu)完整性則依據(jù)碰撞后橫梁變形量與立柱傾斜角度進行判定。對護欄不同部位的應變響應進行統(tǒng)計分析，評估結(jié)構(gòu)各部位在碰撞過程中的受力特征，驗證優(yōu)化設計的合理性，通過對比分析優(yōu)化前后護欄在相同工況下的性能差異，結(jié)合車輛碰撞指數(shù)評價方法對防護性能提升效果進行定量評估。

4.3 優(yōu)化效果分析

通過系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理與分析，對優(yōu)化設計方案的防護性能進行全面評估，實驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的波形護欄在正面碰撞工況下最大沖擊力降低顯著，結(jié)構(gòu)吸能效率提升達到預期目標，橫梁變形模式呈現(xiàn)出理想的漸進失效特征，有效避免了局部應力集中導致的突發(fā)性破壞，立柱基礎穩(wěn)定性得到明顯改善，在傾斜碰撞工況下表現(xiàn)出良好的抗傾覆性能。碰撞過程中車輛的減速度曲線更為平緩，優(yōu)化后的護欄結(jié)構(gòu)能夠為車輛提供更長的制動距離與緩沖時間，連接部位未出現(xiàn)螺栓斷裂與開裂現(xiàn)象，結(jié)構(gòu)的整體性得到有效保證，實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果與數(shù)值模擬預測具有良好的一致性，驗證了優(yōu)化設計方案的可靠性與先進性。

5 結(jié)語

通過系統(tǒng)研究波形護欄碰撞性能的影響因素，建立了護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計方法，研究表明，立柱埋深與橫梁厚度是影響護欄剛度的關鍵參數(shù)，適當增加這兩個參數(shù)值能顯著提升護欄抗沖擊能力。同時，優(yōu)化后的雙波形結(jié)構(gòu)較傳統(tǒng)單波形結(jié)構(gòu)在吸能性能方面提升顯著，且能有效降低車輛碰撞時的最大沖擊力，實驗結(jié)果驗證了優(yōu)化方案的可行性，為提高高速公路安全防護水平提供了新的技術途徑。

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