張生學

(河北省交通規(guī)劃設計院 石家莊市 050011)

0 引言

我國的高速公路總里程超過13萬公里，排名世界第一，為推動社會經(jīng)濟發(fā)展起到了積極作用。隨著人民生活水平的不斷提高，私家車的數(shù)量正在急劇增加，全國機動車保有量已達3.5億輛，在高速公路上的車流量也在逐漸增大，由于高速公路行車速度較快，路況更加復雜，帶來了一系列的交通安全問題。因此，提高高速公路的行車安全，減少事故中的人員傷亡和財產(chǎn)損失成為交通基礎設施建設的重要任務之一[1-3]。

拒有關統(tǒng)計資料表明，我國約有30%的交通事故是因為汽車與護欄發(fā)生碰撞引起的，由于前期對護欄結(jié)構型式不太重視，導致多數(shù)車輛會發(fā)生躍出護欄的現(xiàn)象，從而容易導致人員傷亡，同時，當汽車與護欄發(fā)生碰撞后，會因為駛出角過大，導致事故車輛與正常行駛車輛發(fā)生二次碰撞，造成更大的交通事故。因此，研究汽車與公路護欄之間的碰撞問題，掌握碰撞過程中的相關規(guī)律，才能為合理選擇護欄結(jié)構型式和設置護欄，進一步完善和優(yōu)化護欄提供指導[4-8]。

下面擬采用有限元分析法，對F型和單坡型兩種混凝土護欄的碰撞安全性進行分析，以期能為高速公路護欄設計施工提供借鑒。

1 有限元模型

1.1 小車模型

選用Ford Taurus 車型作為碰撞試驗的仿真車型，該車型的總質(zhì)量為1.5t，車輛長×寬×高=4.6m×1.8m×1.4m，總結(jié)點數(shù)為26945個，總單元數(shù)為28794個，總零件數(shù)為140個。利用HyperWorks軟件中的HyperMesh模塊建立該型轎車的有限元模型，見圖1。

圖1 小車有限元模型

1.2 護欄模型

我國常用的混凝土護欄結(jié)構形式為F型與單坡型，根據(jù)相關設計標準規(guī)范，兩種形式護欄的基本結(jié)構和尺寸見圖2。護欄防護等級按高速公路設計時速120km/h選取，護欄模型事故等級按最高等級SS級選取，采用HyperMesh模塊建立護欄的有限元模型，護欄單元類型為六面體單元，密度大小為2.4t/m3，護欄的長度為42m，模型建立過程中忽略護欄之間的連接，將護欄視為一個整體進行分析，整個護欄模型共包含32284個節(jié)點和26881個單元。見圖2。

圖2 F型和單坡型護欄示意

1.3 混凝土模型

護欄的混凝土材料選用LS-DYNA程序中自帶的連續(xù)面帽蓋模型(Mat-159)，該模型是一種彈塑性損傷模型，通過損傷指標來衡量混凝土的性能劣化特性?；炷羻卧捎肧ECTION-SOLID八節(jié)點實體單元，混凝土強度等級為C30，混凝土骨料最大粒徑為19mm，侵蝕應變?nèi)≈禐?.1，見圖3。

圖3 護欄混凝土有限元模型

2 參數(shù)設置

(1)碰撞點設置

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》的相關要求，車輛與護欄的碰撞點應選在護欄起點沿行車方向的1/3處，汽車與護欄的碰撞角度為20°，汽車碰撞初速度為100km/h。

(2)接觸及約束設置

汽車自身的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFCE(接觸式自動單面)，汽車輪胎與地面的接觸采用*RIGIDWALL-PLANER(剛性墻平面接觸)，汽車與護欄的接觸采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE(接觸式自動單面)。由于混凝土護欄的強度和剛度較大，因此在模擬碰撞過程中可忽略護欄的位移影響，即對護欄的底部進行約束(底部設置為固定端，約束6個自由度的方向)。

(3)傳感器即坐標設置

在汽車內(nèi)部設置加速度傳感器并通過剛體與汽車連接在一起，用以捕捉碰撞過程中車輛的速度變化情況，同時，在加速度傳感器上設置坐標系，車輛行駛方向為x正方向，與車身垂直方向為y方向。

3 安全性分析

3.1 阻擋功能

經(jīng)模擬分析得到的汽車在兩種護欄結(jié)構形式下的碰撞損壞程度見圖4。從圖4中可以看到：在F型護欄或者單坡型護欄下，車輛均未發(fā)生騎跨現(xiàn)象，乘員艙完好，基本無損壞，表明兩種型式的混凝土護欄可以起到阻擋轎車躍出的效果；在碰撞仿真過程中，車輛的前右輪胎均發(fā)生了不同程度的破壞，但兩者的破壞程度有些區(qū)別，車輛在與F型護欄碰撞時產(chǎn)生的輪胎擠壓變形比車輛與單坡型護欄的碰撞更為嚴重。因此，僅就保護車輛而言，單坡型護欄的防護效果比F型護欄的防護效果更好。

圖4 不同混凝土護欄形勢下阻擋功能模擬結(jié)果

3.2 緩沖功能

當車輛與護欄發(fā)生碰撞后，護欄會限制原來車輛的運動軌跡，在慣性力作用下，車輛會產(chǎn)生巨大的加速度，車內(nèi)人員在加速度作用下極易發(fā)生碰撞等傷害，加速度越大，車內(nèi)人員受到傷害的可能性和傷害程度也就越大，因此，需要對碰撞過程中的加速度進行模擬，從而掌握不同結(jié)構型式護欄的緩沖防撞性能。兩種結(jié)構型式下的緩沖功能模擬結(jié)果見圖5。從圖5(a)中可以看到：單坡型護欄和F型護欄的y方向的最大加速度分別為167m/s2和146m/s2，x方向的最大加速度分別為137m/s2和120m/s2，兩種結(jié)構型式護欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向加速度不大于200m/s2相關技術要求。

從圖5(b)中可以看到：單坡型護欄和F型護欄的x方向和y方向的速度分量呈先增大后逐步趨于穩(wěn)定的變化特征，F(xiàn)型護欄的速度分量略大于單坡型護欄，當碰撞時間為0.06～0.08s時，速度分量基本達到穩(wěn)定值；兩種結(jié)構型式護欄的緩沖功能均滿足縱向和橫向速度分量不大于12m/s的相關技術要求。

從圖5(c)中可以看到：在兩種結(jié)構型式的護欄下，小車的重心先開始略有降低，然后迅速升高，再迅速減小的一個變化過程；在碰撞后0～0.02s內(nèi)，由于小車輪胎發(fā)生壓縮變形，導致整體重心略有下降；當碰撞后0.02～0.24s時間內(nèi)，小車重心開始急速上升，這是因為護欄坡面均有一定的傾斜角，當車輛與護欄碰撞后，會沿著傾斜坡面產(chǎn)生爬升效應(小車動能轉(zhuǎn)化為勢能)，因而小車重心迅速增大，當碰撞后0.24s后，車輛重心達到最大值，單坡型和F型的最大躍起高度分別為0.135m和0.15m，因此F型護欄所消耗的動能更大，從而使得碰撞時產(chǎn)生的加速度小于單坡型護欄；當碰撞0.24s后，小車逐漸回到地面。

圖5 不同混凝土護欄形勢下緩沖功能模擬結(jié)果

3.3 導向功能

所謂導向功能是小車在與護欄碰撞后能最大程度上避免側(cè)翻或者翻躍護欄的情況發(fā)生，以及避免被護欄彈回導致小車與其它車輛發(fā)生二次碰撞的情況發(fā)生，兩種結(jié)構型式護欄的車輛在碰撞后的行駛軌跡見圖6。根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》中對公路護欄導向功能的相關要求，當車輛與護欄發(fā)生碰撞后不得翻車，同時碰撞后的行駛軌跡不應超過直線F(直線F與護欄的平行間距為2.2+1.8+0.16×4.6=4.736m，直線F的長度為10m)，以100km/h的模擬車速來看，在兩種護欄結(jié)構型式下，車輛均未超出直線F，同時也沒有發(fā)生翻躍護欄的現(xiàn)象，因此，兩種結(jié)構型式護欄均滿足導向功能要求。

圖6 不同混凝土護欄形勢下導向功能模擬結(jié)果

4 結(jié)論

采用有限元分析方法，對F型和單坡型兩種護欄結(jié)構下的安全性進行了模擬分析，得出如下結(jié)論：

(1)兩種護欄型式下均可以起到阻擋轎車躍出的效果，但單坡型護欄的防護效果比F型護欄的防護效果更好。

(2)單坡型護欄的加速度分量大于F型護欄，F(xiàn)型護欄的速度分量略大于單坡型護欄，但均滿足橫向和縱向加速度不大于200m/s2、速度分量不大于12m/s的相關技術要求。小車與F型護欄碰撞后產(chǎn)生的躍起高度大于與單坡型護欄碰撞產(chǎn)生的躍起高度。

(3)在兩種護欄結(jié)構型式下，車輛均未超出直線F，同時也沒有發(fā)生翻躍護欄的現(xiàn)象，均滿足導向功能要求。