基于有限元的高速公路混凝土护栏碰撞安全性分析

张生学

(河北省交通规划设计院 石家庄市 050011)

0 引言

我国的高速公路总里程超过13万公里，排名世界第一，为推动社会经济发展起到了积极作用。随着人民生活水平的不断提高，私家车的数量正在急剧增加，全国机动车保有量已达3.5亿辆，在高速公路上的车流量也在逐渐增大，由于高速公路行车速度较快，路况更加复杂，带来了一系列的交通安全问题。因此，提高高速公路的行车安全，减少事故中的人员伤亡和财产损失成为交通基础设施建设的重要任务之一[1-3]。

拒有关统计资料表明，我国约有30%的交通事故是因为汽车与护栏发生碰撞引起的，由于前期对护栏结构型式不太重视，导致多数车辆会发生跃出护栏的现象，从而容易导致人员伤亡，同时，当汽车与护栏发生碰撞后，会因为驶出角过大，导致事故车辆与正常行驶车辆发生二次碰撞，造成更大的交通事故。因此，研究汽车与公路护栏之间的碰撞问题，掌握碰撞过程中的相关规律，才能为合理选择护栏结构型式和设置护栏，进一步完善和优化护栏提供指导[4-8]。

下面拟采用有限元分析法，对F型和单坡型两种混凝土护栏的碰撞安全性进行分析，以期能为高速公路护栏设计施工提供借鉴。

1 有限元模型

1.1 小车模型

选用Ford Taurus 车型作为碰撞试验的仿真车型，该车型的总质量为1.5t，车辆长×宽×高=4.6m×1.8m×1.4m，总结点数为26945个，总单元数为28794个，总零件数为140个。利用HyperWorks软件中的HyperMesh模块建立该型轿车的有限元模型，见图1。

图1 小车有限元模型

1.2 护栏模型

我国常用的混凝土护栏结构形式为F型与单坡型，根据相关设计标准规范，两种形式护栏的基本结构和尺寸见图2。护栏防护等级按高速公路设计时速120km/h选取，护栏模型事故等级按最高等级SS级选取，采用HyperMesh模块建立护栏的有限元模型，护栏单元类型为六面体单元，密度大小为2.4t/m3，护栏的长度为42m，模型建立过程中忽略护栏之间的连接，将护栏视为一个整体进行分析，整个护栏模型共包含32284个节点和26881个单元。见图2。

图2 F型和单坡型护栏示意

1.3 混凝土模型

护栏的混凝土材料选用LS-DYNA程序中自带的连续面帽盖模型(Mat-159)，该模型是一种弹塑性损伤模型，通过损伤指标来衡量混凝土的性能劣化特性。混凝土单元采用SECTION-SOLID八节点实体单元，混凝土强度等级为C30，混凝土骨料最大粒径为19mm，侵蚀应变取值为1.1，见图3。

图3 护栏混凝土有限元模型

2 参数设置

(1)碰撞点设置

根据《公路护栏安全性能评价标准》的相关要求，车辆与护栏的碰撞点应选在护栏起点沿行车方向的1/3处，汽车与护栏的碰撞角度为20°，汽车碰撞初速度为100km/h。

(2)接触及约束设置

汽车自身的接触采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFCE(接触式自动单面)，汽车轮胎与地面的接触采用*RIGIDWALL-PLANER(刚性墙平面接触)，汽车与护栏的接触采用*CONTACT-AUTOMATIC-SINGLE-SURFACE(接触式自动单面)。由于混凝土护栏的强度和刚度较大，因此在模拟碰撞过程中可忽略护栏的位移影响，即对护栏的底部进行约束(底部设置为固定端，约束6个自由度的方向)。

(3)传感器即坐标设置

在汽车内部设置加速度传感器并通过刚体与汽车连接在一起，用以捕捉碰撞过程中车辆的速度变化情况，同时，在加速度传感器上设置坐标系，车辆行驶方向为x正方向，与车身垂直方向为y方向。

3 安全性分析

3.1 阻挡功能

经模拟分析得到的汽车在两种护栏结构形式下的碰撞损坏程度见图4。从图4中可以看到：在F型护栏或者单坡型护栏下，车辆均未发生骑跨现象，乘员舱完好，基本无损坏，表明两种型式的混凝土护栏可以起到阻挡轿车跃出的效果；在碰撞仿真过程中，车辆的前右轮胎均发生了不同程度的破坏，但两者的破坏程度有些区别，车辆在与F型护栏碰撞时产生的轮胎挤压变形比车辆与单坡型护栏的碰撞更为严重。因此，仅就保护车辆而言，单坡型护栏的防护效果比F型护栏的防护效果更好。

图4 不同混凝土护栏形势下阻挡功能模拟结果

3.2 缓冲功能

当车辆与护栏发生碰撞后，护栏会限制原来车辆的运动轨迹，在惯性力作用下，车辆会产生巨大的加速度，车内人员在加速度作用下极易发生碰撞等伤害，加速度越大，车内人员受到伤害的可能性和伤害程度也就越大，因此，需要对碰撞过程中的加速度进行模拟，从而掌握不同结构型式护栏的缓冲防撞性能。两种结构型式下的缓冲功能模拟结果见图5。从图5(a)中可以看到：单坡型护栏和F型护栏的y方向的最大加速度分别为167m/s2和146m/s2，x方向的最大加速度分别为137m/s2和120m/s2，两种结构型式护栏的缓冲功能均满足纵向和横向加速度不大于200m/s2相关技术要求。

从图5(b)中可以看到：单坡型护栏和F型护栏的x方向和y方向的速度分量呈先增大后逐步趋于稳定的变化特征，F型护栏的速度分量略大于单坡型护栏，当碰撞时间为0.06～0.08s时，速度分量基本达到稳定值；两种结构型式护栏的缓冲功能均满足纵向和横向速度分量不大于12m/s的相关技术要求。

从图5(c)中可以看到：在两种结构型式的护栏下，小车的重心先开始略有降低，然后迅速升高，再迅速减小的一个变化过程；在碰撞后0～0.02s内，由于小车轮胎发生压缩变形，导致整体重心略有下降；当碰撞后0.02～0.24s时间内，小车重心开始急速上升，这是因为护栏坡面均有一定的倾斜角，当车辆与护栏碰撞后，会沿着倾斜坡面产生爬升效应(小车动能转化为势能)，因而小车重心迅速增大，当碰撞后0.24s后，车辆重心达到最大值，单坡型和F型的最大跃起高度分别为0.135m和0.15m，因此F型护栏所消耗的动能更大，从而使得碰撞时产生的加速度小于单坡型护栏；当碰撞0.24s后，小车逐渐回到地面。

图5 不同混凝土护栏形势下缓冲功能模拟结果

3.3 导向功能

所谓导向功能是小车在与护栏碰撞后能最大程度上避免侧翻或者翻跃护栏的情况发生，以及避免被护栏弹回导致小车与其它车辆发生二次碰撞的情况发生，两种结构型式护栏的车辆在碰撞后的行驶轨迹见图6。根据《公路护栏安全性能评价标准》中对公路护栏导向功能的相关要求，当车辆与护栏发生碰撞后不得翻车，同时碰撞后的行驶轨迹不应超过直线F(直线F与护栏的平行间距为2.2+1.8+0.16×4.6=4.736m，直线F的长度为10m)，以100km/h的模拟车速来看，在两种护栏结构型式下，车辆均未超出直线F，同时也没有发生翻跃护栏的现象，因此，两种结构型式护栏均满足导向功能要求。

图6 不同混凝土护栏形势下导向功能模拟结果

4 结论

采用有限元分析方法，对F型和单坡型两种护栏结构下的安全性进行了模拟分析，得出如下结论：

(1)两种护栏型式下均可以起到阻挡轿车跃出的效果，但单坡型护栏的防护效果比F型护栏的防护效果更好。

(2)单坡型护栏的加速度分量大于F型护栏，F型护栏的速度分量略大于单坡型护栏，但均满足横向和纵向加速度不大于200m/s2、速度分量不大于12m/s的相关技术要求。小车与F型护栏碰撞后产生的跃起高度大于与单坡型护栏碰撞产生的跃起高度。

(3)在两种护栏结构型式下，车辆均未超出直线F，同时也没有发生翻跃护栏的现象，均满足导向功能要求。