高原山区高速公路桥梁易除雪护栏设计与碰撞仿真分析

王剑波 周钊 闫红光

摘要：文章结合雅康高速公路工程项目实际，设计了高原山区高速公路桥梁易除雪护栏，并运用有限元分析软件Hyperworks建立货车-护栏有限元碰撞模型，同时使用LS-DYNA软件进行碰撞仿真分析。结果表明，该易除雪护栏在满足西部山区高速公路桥梁段除雪便捷性的同时，能够承受大型车辆的碰撞，且碰撞过程中车辆的前围变形量、行驶状态、运行轨迹、三向加速度等指标值满足车内乘员安全性的要求，为该类型护栏的应用及推广提供参考依据。

关键词：高速公路;除雪;桥梁护栏;LS-DYNA;安全性能

中图分类号：U412.36+6A210755

0 引言

四川雅康高速公路地处四川盆地向青藏高原爬升的梯度带上，沿线多处高海拔地区，部分路段冬季冰雪期长达4个月，且多为雨夹雪天气，路面除雪保通难度大，且整条公路多超长纵坡，桥隧比高达82%，隧道群间连接的短桥梁不便除雪车作业除雪，货车的雪天行车气候条件十分恶劣[1]。为降低桥梁路段车辆发生坠崖事故的风险性，在其路侧均使用加强型钢筋混凝土墙式护栏防护，该类型护栏高且不通透，不利于将冬季除雪外抛出路外，只能堆积在路侧，不但影响道路正常通行，而且积雪融化结冰后，还会给行车带来更大的安全隐患。可见，研究开发高原山区高速公路桥梁的易除雪护栏，降低冬季除雪难度，对提高高速公路通行效率、保障行车安全具有重要的现实意义。

近年来，国内外诸多学者和单位开展了关于高速公路路侧护栏优化设计及防护安全的研究和探索。国外的研究成果中，美国国家公路与交通运输协会（AASHTO）发布的《安全设施评价手册》中提出了用假人直接评价护栏性能的优劣点，并给出了相关建议[2];日本道路协会在《护栏的设置和说明》提出了用车体重心加速度评价乘员碰撞护栏的风险性[3];欧盟提出了用车体三向加速度指标体系（ASI）评价乘员碰撞护栏过程中的风险程度[4];Ren等采用LS-DYNA有限元法建立三维道路护栏模型，从冲击刚度和刚度、车辆乘员的安全性、碰撞能量吸收等方面评价护栏安全性[5];Plaxico等提出了有限元三维仿真模型，研究汽车与波形护栏的碰撞模拟，来替代实车碰撞试验评价护栏的安全性[6]。国内的研究成果中，韩海峰等基于UC-win/Road驾驶模拟实验，提出了不同车速条件下护栏的防撞等级[7];崔洪军等研究了护栏高度变化对防撞能力影响，确定了护栏防撞性能不能满足规范要求的临界高度值[8];康浩等分别依托沪宁高速公路护栏应用实际，提出了路侧护栏安全性评价指标和防撞性能仿真计算方法[9];陈涛等从波形护栏的安全性评价方法方面提出了波形护栏安全性评价的三维非线性有限元仿真方法[10];龙科军等用加速度严重指数为指标评价路侧安全性，根据LS-DYNA软件分析结果确定了路侧危险度合理分级数和各级所对应的ASI阈值[11];李文勇等利用HyperWorks软件对W形护栏的货车碰撞安全性进行了仿真计算，提出了W形护栏在结构上存在的不足[12];杨立伟等从波形护栏开发应用方面提出了适用于山区高寒地段波形梁组合式钢护栏的设计方案[13];高云凯等采用PAM-CRASH 軟件，模拟集装箱汽车列车与桥梁护栏的碰撞过程，评估了多种护栏的耐撞性并指导了护栏的设计[14];陈锡逵、冯涛等研究了山区高速公路路侧防护安全度和危险路段路侧护栏的设置方法，建立了路侧防护安全度的计算模型及评价标准，提出了梁柱式钢护栏的适用性[15-16]。

本文依据《公路交通安全设施设计规范（JTG D81-2017）》，结合雅康高速公路工程项目实际，设计了高原山区高速公路桥梁易除雪护栏[17]，并运用Hyperworks建立货车-护栏有限元碰撞模型，然后使用LS-DYNA软件进行仿真计算分析[18-19]，得出护栏在除雪安全性、可靠性等方面的评价结论，为该类型护栏的应用及推广提供可靠依据。

1 易除雪护栏安全性评价仿真建模

1.1 易除雪护栏建模

在雅康高速公路工程项目中，大多数桥梁采用钢筋混凝土墙式护栏，防护等级达到SA级，以防止大型车辆肇事后冲出坠落山谷。易除雪护桥梁栏设计在不破坏原钢筋混凝土墙式护栏防护等级的基础上，自其底部路面结合处开孔，便于除雪使积雪通过除雪孔直接落入桥下，护栏结构尺寸见图1。

图1结构中，N1～N6为护栏钢筋编号，每延米护栏材料数量见表1。为便于人工除雪工具抛雪，设计除雪孔口径长30 cm、宽20 cm，与路面水平夹角15°贯穿护栏，各除雪孔平行间距150 cm，见图2。

由于护栏骨架为钢筋，捆扎后用C30混凝土浇筑成型，包含了钢筋和混凝土两种不同材料，因此在建立有限元模型时必须考虑受到材料的不均匀性因素的影响。经过分析，本文采用分离模型对钢筋和混凝土各自划分成足够小的网格单元进行计算。首先用SolidWorks建立护栏三维模型，之后在HyperMesh中划分网格单元，其有限元部分模型见图3。

根据钢筋混凝土护栏材料特点，仿真时选用LS-DYNA中MAT_111的材料类型，其关键字菜单见图4。

图中：RHO-材料质量密度;G-剪切模量;SFMAX-极限强度;A-内聚强度;B-标准化压力硬化;C-应变率系数;N-压力硬化指数;FC-准静态单轴抗压强度;T-最大拉伸静水压力;EPS0-准静态阈值应变率;EFMIN-断裂前塑性应变量;SFMAX-标准化最大强度;PC-压碎压力;UC-破碎体积应变;PL-锁定压力;UL-锁定体积应变;D1-伤害常数;D2-伤害不变;K1-压力常数;K2-压力常数;K3-压力常数;FS-故障类型

根据《高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/T F83-01-2004》要求，护栏模型长度为40 m。桥梁护栏与路基之间基本为整体浇筑，所以护栏在碰撞时视为路面以下20 cm处底部施加全约束。

1.2 货车有限元建模

根据《高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/T F83-01-2004》要求，碰撞货车最大总重为18 t，故本研究用货车最大重量仿真极限碰撞条件下的护栏安全性。与护栏碰撞的大货车模型是以东风商用车EQ3318GFJ为原型建立，其外廓尺寸为7 700 mm×2 300 mm×2 900 mm。首先根据货车结构参数建立SolidWorks三维模型，对模型中发动机、变速箱等质量刚度较大的部件采用体单元建模，悬架弹簧、减震器等采用弹簧阻尼单元建模，对整车碰撞性能无明显影响的部件则由相应的质量单元代替。建模完成转为STP格式后导入HyperMesh软件中划分网格。为保证模型的计算精度，需要对模型中的三角形单元进行数量控制[20]，板材壳单元的具体要求见表2。

货车模型共48 033个单元，41 255个节点。碰撞仿真时定义整车全局接触以及地面接触，重力环境下完成碰撞。货车-护栏碰撞仿真分析模型见图5。

2 易除雪护栏可靠性仿真分析

2.1 仿真初始条件

易除雪护栏的可靠性评价需用货车碰撞仿真结果进行判断。货车与护栏的仿真结果与碰撞速度、碰撞夹角等初始条件关系密切。根据《高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/T F83-01-2004》对护栏碰撞试验条件的要求，本有限元仿真分析时取车辆碰撞初速度为80 km/h，碰撞初始角为20°。

2.2 仿真模型有效性分析

为检查货车与护栏碰撞模型的有效性，将有限元模型文件用LS-DYNA 软件进行动力学计算分析，仿真过程能量变化曲线如图6所示，随着动能的减少内能逐渐增加，沙漏能和界面滑移能也在规定的范围内，碰撞过程中总能量基本守恒，说明该模型是有效的。

从图6可知系统碰撞总能量为500 kJ，且随着碰撞过程中总能量基本保持不变，符合能量守恒定律。碰撞过程中，界面滑移能为25.6 kJ ，占总能量的5.1%;沙漏能大小为12.5 kJ，占总能量2.5%，均在规定的能量变化范围内，说明碰撞仿真计算结果是准确可靠的。

2.3 形护栏与货车碰撞结果分析

根据《高速公路护栏安全性能评价标准（JTG/T F83-01-2004》规定，护栏安全性能指标是乘员安全性、汽车运行状态轨迹和护栏结构完整性。本文通过Hypermesh 、HyperGaph 软件对货车-护栏碰撞进行有限元仿真分析，并对护栏的安全性指标进行评价。

2.3.1 车内乘员安全性分析

车内乘员安全性主要考虑的是前围板变形对驾驶室的侵入量、车体加速度和车辆运行状态轨迹，以此来判断碰撞对车内乘员的伤害程度。

（1）前围变形量分析

前围板侵入量超过限值会伤害乘员腿部，仿真货车在以80 km/h初速度碰撞护栏的过程中，货车前围最大变形量为39.3 cm，小于标准最大限值，故前围变形量对车内乘员无伤害，如图7 所示。

（2）車体加速度分析

车体加速度是评价车内乘员安全性的间接指标，经过多次试验及假人的各项指标与车体加速度数据对比分析结果表明，当车体3个方向加速度均值≤20 g时，不会对车内乘员造成伤害。本仿真中，车体X、Y、Z方向最大加速度值分别为4.2 g、3.8 g、6.3 g，均小于标准限值，见图8。可见，碰撞时对乘员造成冲击伤害概率较小。

（3）货车运行状态、轨迹分析

要确保车内乘员安全，要求在碰撞过程中，货车不得出现穿越、翻越、骑跨护栏等现象。为避免失控车辆侵入其他车道造成二次事故，要求碰撞后车辆驶出角度不大于碰撞初始角度的60%。货车在与护栏碰撞的0 ms、150 ms、300 ms、450 ms时的运行状态及轨迹如图9所示。

货车沿与护栏20°夹角方向发生碰撞后，以10.2°夹角方向驶离，小于碰撞初始角度的60%，可见，护栏对货车的防御和引导作用较好。

2.3.2 护栏防撞性能分析

桥梁用刚性护栏防撞性能好坏的指标是护栏动态变形量，标准规定极限值≤10 cm。使用HyperGaph 软件对护栏碰撞过程的分析结果发现，t=160 ms时护栏的动态变形量达到峰值为3.35 cm，小于标准规定的安全阈值，见图10。可见，该桥梁易除雪护栏防撞性能良好，满足安全使用需求。

3 结语

本文依托工程项目应用实际，设计了山区高速公路桥梁易除雪护栏，采用Hyperworks仿真分析软件建立了货车-易除雪护栏碰撞有限元模型，并使用LS-DYNA 仿真计算软件对有限元模型进行计算，以此系统评价易除雪护栏的安全性、可靠性。仿真分析结果表明，易除雪护栏在满足西部山区高速公路桥梁段除雪便捷性的同时，能够承受大型车辆的碰撞，且碰撞过程中车辆的前围变形量、行驶状态、运行轨迹、三向加速度等指标值满足车内乘员安全性的要求;护栏的最大动态变形量也在标准规定的范围内，满足工程实际需要。本研究为在高海拔山区高速公路桥梁段使用、推广易除雪护栏提供了切实可靠的支撑。

参考文献：

[1]袁飞云，王剑波.雅康高速长下坡高桥隧比路段交通安全设施优化设计研究[J].交通科技，2018（5）：114-117.

[2]Manual for Assessing Safety Hardware（MASH），American Association of State Highway and Transportation Officials（AASHTO）[Z].2010.

[3]日本道路协会.护栏设置标准[Z].2004.