李江江

摘要 為對車輛撞擊農(nóng)村公路波形護欄過程中車輛及防護欄的動力響應(yīng)進行研究，文章以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態(tài)變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規(guī)律。研究結(jié)果表明：（1）車輛撞擊護欄后，護欄最大動態(tài)變形先增大，后減小。（2）車輛速度先呈下降趨勢；托架、立柱、波形梁板隨時間的增大，吸收的能量呈上升趨勢，先增大后保持穩(wěn)定，能量變化曲線斜率逐漸減小。（3）撞擊過程中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

關(guān)鍵詞 撞擊；公路；波形防護欄；動力響應(yīng)；能量

中圖分類號 U417.12文獻標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0064-03

0 引言

村級公路對加強城鄉(xiāng)聯(lián)系，促進農(nóng)村地區(qū)的資源開發(fā)，疏通和擴大農(nóng)產(chǎn)品信息交流渠道，改善農(nóng)村投資環(huán)境，促進小城鎮(zhèn)建設(shè)等都具有十分重要的意義[1]。但是，由于受資金限制，部分農(nóng)村公路建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)低，公路建設(shè)期間設(shè)置的安全防護工程較少，公路通車后存在較大的安全隱患[2]。隨著汽車保有量劇增，駕駛?cè)藛T素質(zhì)參差不齊，急需建設(shè)完善公路安全生命防護工程，確保農(nóng)村公路安全通行，長期發(fā)揮效益[3]。

目前，國內(nèi)外學(xué)者分別從不同角度對公路波形護欄進行了一系列研究。趙永利等[4]基于有限元軟件，建立了車輛碰撞護欄模型，研究了剛性護欄與半剛性護欄兩種工況條件下車輛質(zhì)量對護欄變形、車輛質(zhì)心加速度及車輛軌跡的影響；閆書明[5]基于有限元軟件，研究了車輛撞擊波形梁護欄圓頭式和地錨式端頭時車輛可能發(fā)生的事故模式，并提出了卷曲波形的端頭設(shè)計；潘兵宏等[6]基于能量守恒方法，并利用有限元軟件建立了護欄模型，綜合考慮了車型、碰撞角度、速度對護欄能量的影響；張秀麗等[7]基于室內(nèi)靜載實驗和ANSYS有限元軟件，比較了兩種方法波形梁加載頭位移和載荷的關(guān)系及能量分布情況，驗證了ANSYS軟件分析的可行性；何勇[8]闡述了我國交通道路的發(fā)展?fàn)顩r，比較了美、日兩國關(guān)于道路護欄的設(shè)計原理及結(jié)構(gòu)特征，最后就我國變截面波形梁護欄的設(shè)計原理及優(yōu)點進行了介紹。綜上所述，道路防護欄可以大幅度降低事故嚴(yán)重性，防護欄結(jié)構(gòu)對車輛撞擊過程中動態(tài)響應(yīng)的影響較為顯著，但對撞擊過程中農(nóng)村公路波形護欄動力響應(yīng)的研究較少。

鑒于此，該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態(tài)變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規(guī)律。

1 工程概況

該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護工程為研究背景。該項目共有13條通村路，覆蓋雷山縣丹江、郎德、望豐、大塘、西江等5個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，路線總長為20.037 km。項目區(qū)域內(nèi)自然條件復(fù)雜，以山區(qū)公路為主，臨水臨崖、陡坡急彎等危險路段較多，原道路的標(biāo)志、標(biāo)牌、警示樁、波形護欄和鋼筋混凝土護欄設(shè)置不完善，對于行車和行人造成很大的安全隱患。以雷山縣大朝路口至大朝公路為例，公路現(xiàn)狀如圖1所示；該段位于雷山縣西江鎮(zhèn)，路線起點位于大朝路口與村道C051貓鼻嶺至北建段平面交叉，終點止于大朝村，全長1.593 km；路基寬度為4.5 m，路面寬度為3.5 m；路面類型為水泥混凝土路面，公路等級為等外級；該工程受益約1 200人。

項目既有波形護欄為舊規(guī)范B級波形梁護欄。該次設(shè)計考慮對破損部分進行修復(fù)，長度不足部分予以接長。新增的C級護欄板采用310 mm×85 mm×2.5 mm等截面波形梁，波形梁板長度一般為4 320 mm，C級護欄的立柱欄采用φ114×4.5 mm鋼管；護欄托架采用4.5 mm厚的鋼板焊接而成。波形梁板、立柱、托架等護欄鋼構(gòu)件均采用Q235鋼；該項目波形梁護欄采用的連接螺栓、拼接螺栓均為高強螺栓。一般路段波形護欄的設(shè)置在路基外側(cè)，采用打入式；臨崖、臨坎路段波形護欄設(shè)置在加固路肩或既有漿砌護肩、擋墻及路面上時，采用打入式，打入時應(yīng)采取措施避免對結(jié)構(gòu)造物的破壞；部分路段因原有擋墻或護肩為干砌片石，波形護欄采用打入式易損壞原有構(gòu)造，故可采用埋入式。

2 波形護欄安全性能仿真計算

2.1 波形梁板模型的建立

該文基于有限元軟件，建立C級波形護欄的數(shù)值模型，其波形梁板模型如圖2所示。

采用殼模型對波形梁板進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置為彈塑性本構(gòu)模型，波形梁板的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

2.2 護欄模型的建立

基于有限元軟件，建立由波形梁板、空心圓管立柱、托架三部分組成的護欄模型，如圖3所示。

模型中采用剛性接觸模擬，護欄的物理力學(xué)參數(shù)如表2所示。

現(xiàn)有研究表明，車輛對護欄撞擊影響范圍最大為12跨。因此，設(shè)置護欄長為72 m，單跨立柱間距為4 m，共18跨。護欄單跨模型如圖4所示。

該文設(shè)置立柱嵌入深度為200 mm，1.5 t小型客車以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護欄24 m位置處。

3 結(jié)果分析

車輛撞擊護欄開始計時，護欄最大動態(tài)變形及車輛速度變化分別如圖5～6所示。

由圖5～6可知，車輛撞擊護欄后，護欄最大動態(tài)變形先增大，后減小；車輛速度先呈下降趨勢。護欄最大變形為856.78 mm，發(fā)生在0.948 s處；此時車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。當(dāng)運動1.5 s后，護欄最大變形從856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護欄的彈性變形部分在逐漸恢復(fù)；此時速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

車輛撞擊護欄開始計時，組成護欄的三部分波形梁板、空心圓管立柱、托架在此過程中吸收的能量變化如圖7所示。

由圖7可知，三部分隨時間的增大，吸收的能量呈上升趨勢，先增大后保持穩(wěn)定，能量變化曲線斜率在逐漸減小。托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，說明護欄結(jié)構(gòu)共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

在0.24 s之前，立柱能量曲線在托架能量曲線之下，可能與車輛位移還沒有完全到達立柱位置，之后立柱能量曲線均位于托架能量曲線之上。0.68 s時立柱能量曲線及波形梁板能量曲線相同，可能與護欄變形有關(guān)，如圖5所示，此時護欄處于位移下降或穩(wěn)定階段。

4 結(jié)論

該文以雷山縣2022年農(nóng)村公路安全防護工程為研究背景，基于有限元軟件，建立了波形梁板-空心圓管立柱-托架護欄結(jié)構(gòu)，最后利用車輛模型撞擊護欄不利位置，研究撞擊過程中護欄最大動態(tài)變形、車輛速度、護欄三部分的能量變化規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

（1）以60 km/h（16.67 m/s）的速度、20 °的角度撞擊護欄24 m位置處時，0.948 s時護欄最大變形為856.78 mm；此時車輛速度約為14.78 m/s，較車輛初始16.67 m/s減小了11.34%。

（2）1.5 s時護欄從最大變形856.78 mm減小到555.47 mm，減小了35.17%；變形開始減小的原因可能是護欄的彈性變形部分在逐漸恢復(fù)；此時速度減小到14.414 m/s，較初始減小了13.53%。

（3）托架最終吸收能量約為17.2 kJ、立柱最終吸收能量約為55.4 kJ、波形梁板最終吸收能量約為59.65 kJ，

說明護欄結(jié)構(gòu)共吸收了132.25 kJ，其中托架吸收了13.01%、立柱吸收了41.89%、波形梁板吸收了45.1%，說明護欄結(jié)構(gòu)中主要吸收能量的為立柱與波形梁板。

參考文獻

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