基于碰撞仿真的新型装配式护栏防护性能

宋旭明 潘鹏宇 荣亚威 唐冕

(中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

近年来，快速发展的交通运输系统也带来了日益严重的交通安全问题，大量数据表明安装护栏后由车辆失控引起的坠桥事故明显减少。

护栏的功能主要是阻挡碰撞能量小于或者等于设计防护能量的车辆并导正其行驶方向。混凝土刚性护栏在与车辆碰撞中，变形小，而且可有效阻挡车辆驶出道路外，但是当车辆与护栏的碰撞角度较大时，容易造成较大的碰撞力和加速度，对乘车人员和护栏本身带来较大伤害；另一方面，目前护栏的设计与研发较少考虑桥梁护栏的特殊性，如护栏处桥面板通常为悬挑结构，而道路护栏则安装在坚实路基上，装配式护栏和现场浇筑护栏在边界条件上也有不同等等，这些差异会影响护栏受撞击时的受力状态，比如桥面板破坏而影响护栏的性能。因此，在桥梁护栏的计算过程中考虑桥面板的协同受力是有必要的。此外，研发新型护栏，在保证护栏阻挡效果的同时，适当降底混凝土护栏刚度，提高护栏缓冲吸能效果有利于提升车乘人员的安全保障。

一直以来，国内外众多学者致力于不断提升护栏的防撞性能。2001年Bank等[1]研究了一种利用新型复合材料变形以对车辆碰撞进行吸能的新型护栏。2006年Borovinsk等[2]基于CAE仿真分析对波形梁护栏进行了改造优化，结果表明在立柱上增加一个钢条可以提高碰撞过程中护栏对车辆的导向作用。2009年张鹏等[3]通过改造F型混凝土刚性护栏截面形式，将F型混凝土护栏横截面中心挖空形成新型IF型混凝土护栏，并采用LS-DYNA数值模拟证明了新型护栏具有更加良好的防撞性能。2013年金秀娜[4]对A型护栏的多个参数展开研究，从护栏的损害性、吸能性以及导向性3个方面对其进行了优化，同时提出两种防阻块优化结构。2019年单成林等[5]提出钢-聚氨酯夹层结构，有限元分析结果表明该结构具有良好的吸能缓冲效果和防撞性能。孙胜江等[6]提出连续玄武岩纤维复合材料(BFRP)护栏，在LS-DYNA中进行车辆撞击护栏仿真分析，结果表明BFRP护栏比钢制梁柱式护栏具备更好的吸能缓冲效果，防撞性能更佳。

目前关于装配式护栏防撞性能研究较少，本文中提出了一种新型装配式护栏设计方案。选取泡沫混凝土作为新型护栏缓冲块材料，并在单坡型混凝土护栏迎撞面嵌入该缓冲块实现护栏优化，考虑桥面板协同受力，通过HyperWorks软件与LS-DYNA建立并求解小型汽车和40 t大型货车与新、旧两种护栏的碰撞仿真模型，验证新型装配式护栏改造方案提高护栏防撞性能的可行性，为刚性护栏结构设计、缓冲块材料选取提供新思路。

1 桥面板和护栏碰撞仿真理论介绍

1.1 桥面悬臂板计算方法

《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)在桥梁护栏的设计计算中借鉴了美国规范，基于屈服线理论提出了汽车碰撞荷载下桥面悬臂板的设计方法[7]。屈服线理论是一种极限荷载的分析方法。屈服线指的是钢筋混凝土板上的一条破坏裂缝，沿着这条裂缝的所有钢筋均已屈服且发生塑性旋转。该理论广泛运用于多类板构件，可得到裂缝处构件的承载能力。

《公路交通安全设施设计细则》规定，对于钢筋混凝土和预应力混凝土护栏，碰撞发生在护栏标准段和端部的基于屈服线理论的分析方法如图1所示。

图1 屈服线理论的分析方法[1]Fig.1 Analysis method of yield line theory[1]

根据屈服线理论可推导碰撞发生于不同部位时护栏对横向荷载的抗力标准值Rw。

(1)发生点为护栏标准段：

(1)

屈服线发生的临界长度Lc应为:

(2)

(2)碰撞发生点为护栏端部或伸缩缝处：

(3)

式中:Ft为作用于混凝土护栏顶部的横向荷载;H为护栏有效高度;Lc为屈服线破坏模式临界长度;Lt为碰撞荷载分布纵向长度;Rw为护栏总的横向承载力；Mw为护栏关于其竖向轴弯曲承载力矩；Mb为护栏顶部除Mw外的横梁附加弯曲承载力矩；Mc为悬臂型护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩。

《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)补充规定支撑混凝土护栏的桥面板的设计主要需要考虑3个极限状态[6]，分别是：

状态Ⅰ：桥面悬臂板可提供抗弯抗载能力Ms，与式(4)规定的拉力T同时作用，应超过护栏根部的Mc。轴向每延米的拉力T可表示为：

(4)

状态Ⅱ：以桥面板的悬臂部分为基础对承受竖向荷载的桥面悬臂板进行设计。

状态Ⅲ：根据现行《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2015)规定的作用于悬臂梁上的汽车荷载以可变荷载组合，按承载能力极限状态验算[8]。

目前我国规范基于汽车碰撞力作用下的桥面板设计步骤如下：

(1)根据已确定的护栏等级、尺寸与配筋计算获得护栏总的横向承载能力Rw，屈服线破坏模式的临界长度Lc，护栏根部的抗弯承载力Mc；

(2)根据Rw与Lc，基于式(4)得到拉力T；

(3)进行极限状态Ⅰ下的桥面悬臂板设计，将拉力T与护栏根部的抗弯承载力M组合，取单位长度的桥面悬臂板进行拉弯构件的承载能力极限状态设计；

(4)进行极限状态Ⅰ下配筋设计，以竖向碰撞力为偶然荷载，对桥面板进行承载能力极限状态碰撞设计。

1.2 非线性显式有限元分析理论

车辆与护栏碰撞过程中，车辆与被撞结构一般均发生了大变形。这一过程极为复杂，在有限元计算中通常由两种方法描述，一种是Lagarange(拉格朗日)坐标即质点坐标系描述，此方法以变形体的初始坐标作为自变量；另一种是Eular(欧拉)即流动坐标描述，此方法的自变量为参考构型的瞬时坐标。碰撞过程中常采用Lagerange法来描述物体运动与变形，并建立运动微分方程。根据体系的变形体应变能、外力势能与总动能建立能量泛函，结合能量泛函与驻值条件即可求得动力系统的定解条件与控制方程，即Hamilton能量变分原理[9]。

在LS-DYNA中建立有限元模型进行非线性显式动力学分析碰撞过程时，存在多种能量的相互转换。本文在计算过程中不考虑阻尼能，整个过程满足等式：总能量=动能+内能+沙漏能+滑移界面能。由于影响 LS-DYNA所建立的有限元模型的因素很多，仿真计算模型可能并不满足上述等式，即使满足上述等式，其中某些能量也可能不满足条件，需要通过多次参数调试，以保证结果的可靠性。当模型满足碰撞过程中最大沙漏能不大于总能量的10%时，即可初步确定该模型的可靠性[10]。

2 新型装配式护栏构造特点

2.1 新型护栏结构形式

混凝土刚性护栏在保有较好的阻挡性能的同时在导向性能与缓冲性能方面相对半刚性护栏和柔性护栏有所欠缺，本文结合目前国内外推广运用的刚性护栏提出了新型装配式护栏。

新型护栏由桥面悬臂板、预制混凝土护栏节段和梯形缓冲块组成。护栏节段内留有灌浆预留孔道和灌浆预留槽口，桥面悬臂板有预埋钢筋，护栏与悬臂板通过卡榫加以嵌固，外露钢筋深入预留槽口后对槽口进行灌浆即可实现护栏节段与桥面悬臂板的紧密连接。新型护栏无需经过搭模现浇等繁杂工序，施工方便快捷。

新型装配式护栏采用摩擦型缓冲块(泡沫混凝土)代替刚性混凝土部分截面，缓冲块与护栏直接通过低摩擦材料连接，车辆撞击护栏时，缓冲块产生压缩变形并与护栏混凝土块之间发生摩擦滑移，耗散吸收碰撞能量，降低乘员在碰撞过程中的加速度以提升车乘安全性能，也可有效减小桥面悬臂板在车辆碰撞条件下承受的碰撞荷载，从而提高桥梁的安全性。

新型护栏尺寸参考现行《公路交通安全设施设计细则》中HA级单坡型路侧混凝土护栏(后文称旧护栏)，为保证新型护栏导向性，迎撞面坡度采用HA级单坡型护栏形式，护栏背面混凝土材料加厚以弥补缓冲块对护栏截面的削弱，桥面板与护栏之间采用螺栓以及预留锚固钢筋的方式连接。图2为原有单坡型护栏和新型装配式护栏横截面的结构示意图。

图2 护栏横截面尺寸(单位：cm)Fig.2 Section dimension of guardrail(Unit:cm)

2.2 新型护栏配筋设计

新型护栏基于HA级单坡型护栏的截面进行优化，部分截面以缓冲块代替，根据《公路交通安全设施设计细则》进行设计。

截面Ⅰ—Ⅰ为缓冲块顶部对应的护栏预制混凝土截面，截面Ⅱ—Ⅱ为缓冲块底部对应的护栏预制混凝土截面，截面Ⅲ—Ⅲ为护栏底部截面，这3个控制截面每延米配筋如表1所示，钢筋为直径16 mm或20 mm的HRB400钢筋。

表1 新型护栏控制截面配筋1)Table 1 Reinforcement of new type guardrail control section

1)钢筋数量(9/6)表示直径16 mm钢筋数量为9根，直径20 mm 钢筋数量为6根。

如图3所示为新型护栏的构造钢筋与受力钢筋横截面布置图。拟定新型装配式护栏迎撞面每延米拟采用10根直径20 mm的钢筋，根部每延米布置5根直径20 mm的钢筋。

图3 新型护栏横截面配筋图(单位：cm)Fig.3 Reinforcement of new guardrail section(Unit:cm)

3 碰撞仿真数值模型

3.1 汽车模型及验证

为分析新型装配式护栏防撞性能，选取小型客车和40 t大型货车两种车型作为碰撞仿真试验车辆。相关车辆模型均符合《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05—01—2013)[11]车辆相关要求。汽车模型见图4。

图4 车辆仿真实验有限元模型Fig.4 Finite element models of test vehicle

在碰撞仿真分析中，为保证分析中所采用车辆模型的可靠有效，在碰撞分析前对选取的车辆有限元模型进行正碰试验加以验证。在距离车辆保险杠前20 cm处设置一道刚性墙，车辆以50 km/h的速度垂直撞击该刚性墙。地面与被碰撞的刚性墙均采用LS-DYNA中提供的刚性墙(RIGID-WALL)来模拟。

图5所示为两种车型有限元正碰实验图，碰撞过程中车辆部件变形合理，未发生单元畸变与穿透，仿真实验碰撞效果基本合理。经过分析，对于小型客车和40 t大型货车，碰撞模型沙漏能分别为系统初始总能量的2.07%、4.97%，小于规定值10%，故正碰试验的结果可靠，可用于进一步仿真分析。

图5 车辆正碰实验Fig.5 Frontal collision test

通过Hyperview后处理软件生成车辆与护栏碰撞过程的能量曲线，经过分析，车辆与护栏碰撞过程中的沙漏能均小于总能量的10%，仿真效果良好。图6为小型客车碰撞新型护栏过程的能量变化曲线。

图6 碰撞能量曲线Fig.6 Energy curves of collision

3.2 护栏材料

在显式动力学仿真时采用了分离式模型，分离式模型虽收敛较慢，但可更精确的计算桥面悬臂板混凝土和钢筋的受力情况。

相对子弹或者爆炸等高速冲击而言，车辆碰撞属于混凝土结构低速冲击分析问题，选用了MAT159(CSCM模型)模拟混凝土，该本构模型考虑了混凝土材料的硬化、损伤及应变率相关性，适合于研究车辆碰撞问题。

护栏-桥面悬臂板模型中的钢筋采用MAT3进行模拟，并采用软件中的*CONSTRIAINED-LAG RANGE-IN-SOLID关键字连接两种材料。

采用泡沫混凝土作为新型护栏缓冲块材料，缓冲块与护栏之间的摩擦系数取为0.1。泡沫混凝土的多孔结构使其具备了较高的减震耗能性能，目前被广泛应用于各类结构物的抗爆炸与耐冲击的防护工程中[12-13]。泡沫混凝土采用LS-DYNA中提供的可压扁泡沫材料本构模型。该本构模型与应变率相关，单向压扁时泊松比取值为零，弹性模量取为常数且应力为弹性效应。泡沫混凝土的力学参数见表2[14]。

表2 泡沫混凝土材料参数Table 2 Material parameters of foam concrete

3.3 护栏-桥面悬臂板模型控制要点

车辆和护栏的碰撞过程十分复杂,判断车体各接触面的接触发生方向尤为困难。本文中选用自动接触，能自动确定壳单元的接触面方向。汽车自身采用自动单面接触，汽车与护栏之间采用自动面-面接触。

图7为护栏桥面板动力学LS-DYNA有限元模型，护栏和桥面悬臂板之间共节点。采用SOLID164单元模拟护栏以及桥面悬臂板的混凝土，钢筋采用BEAM161单元模拟，模型顺桥向长度为40 m。试验车辆与新型装配式防撞护栏发生碰撞，悬臂板根部内侧地面采用刚性墙模拟，刚性墙的摩擦系数与悬臂板地面摩擦系数保持一致，悬臂板根部固结。小型客车与护栏碰撞模型如图7所示。

图7 车辆-护栏整体模型Fig.7 Vehicle-guardrail overall model

4 数值计算结果分析

为研究新型装配式护栏的防撞性能，以HA级单坡型护栏为对比对象，进行小型客车和40 t大型货车碰撞护栏模拟实验。

根据《公路护栏安全性能评价标准》对于HA等级护栏的试验碰撞条件，两种车辆碰撞角度均为20°，小型客车碰撞速度为100 km/h，40 t大货车为65 km/h。通过非线性显式动力学有限元软件LS-DYNA进行碰撞数值分析，从护栏导向性、车辆乘员位置加速度、结构碰撞力这3个方面来分析新型护栏的安全防护性能。

4.1 碰撞过程轨迹

4.1.1 小型客车运行轨迹

通过图8可知，小型客车在0.02 s时与新型护栏发生碰撞，在0.10 s车头开始转向且在0.20 s时车头已完成转向并驶离护栏，此时车尾处在和护栏平行的位置，最后在0.40 s时小客车整体完成转向并驶离护栏，车尾在整个过程中变形不显著，碰撞轨迹显示车尾也并未与护栏有明显接触，说明小型客车在车头转向后车尾未与护栏发生较大撞击。整个转向脱离过程迅速，车辆没有发生翻越护栏现象，护栏状态良好。

图8 小型客车碰撞轨迹Fig.8 Trajectory of the car collision

Hyperview给出小型客车与新旧两种护栏碰撞的质心高度变化曲线和车辆行驶角度曲线，如图9、图10所示。不难看出，小型客车与新型装配式护栏的碰撞过程中，车辆与护栏在0.40 s内完成碰撞与转向，顺利驶出护栏，驶出角为10°左右，与单坡型护栏碰撞的驶出角为5°左右，新型护栏对失控小型客车仍有较好的导向能力；与新型护栏的碰撞中，车辆质心上升高度峰值较旧护栏略高，整体来看，新、旧护栏对小型客车的导向性能差别不大。

图9 小型客车质心高度曲线Fig.9 Curves of car centroid height

图10 小型客车行驶角度曲线Fig.10 Curves of car driving angle

4.1.2 40 t大型货车运行轨迹

如图11所示为不同时间节点40 t大型货车与新型装配式护栏的碰撞轨迹，可以看出，车辆在0.10 s时开始转向，在0.80 s时车头完成转向并顺利驶出护栏，在1.00 s时车辆尾部由于甩尾而导致护栏与车辆发生轻微二次碰撞，而后沿着几乎平行于护栏的方向行驶，并且期间车辆无翻转、骑越或冲出护栏的现象，整个过程中，新型装配式护栏以及桥面板能承受40 t大型货车的碰撞而未发生明显破坏。从碰撞行驶轨迹可看出新型装配式护栏可有效避免失控车辆冲出道路，具有良好的阻挡和导向功能。

图11 大型货车碰撞轨迹Fig.11 Trajectory of the truck collision

图12、图13分别给出40 t大型货车与新旧两种护栏碰撞的质心高度变化曲线和车辆行驶角度曲线。易看出，40 t货车与两种护栏碰撞的驶出角度均为2°左右，两种护栏发生碰撞后的车辆行驶角度随时间变化规律近似，说明新型护栏在刚度降低后仍具备良好的导向性。

图12 大型货车质心高度曲线Fig.12 Curves of truck centroid height

图13 大型货车行驶角度曲线Fig.13 Curves of truck driving angle

车辆与新型护栏的碰撞中质心最大上升高度比HA级单坡型护栏大，但两者的上升高度值均较小，为13～15 cm；在0.7～1.1 s，货车与护栏发生二次碰撞，与HA级单坡型护栏碰撞时的质心上升高度明显大于新型护栏。另一方面，在40 t货车与旧护栏碰撞的1.1 s后，车辆质心高度仍有上升趋势，说明新型护栏具有更好的导向性能。

4.2 乘车安全性

车辆碰撞过程中的加速度是直接评价驾驶员行驶安全性的一个重要指标，若是护栏的吸能缓冲效果好，能使车辆碰撞时速度变化更慢，就能够更好地保证车乘安全。《公路护栏安全性能评价标准》中规定驾驶员位置处的纵向(顺桥向)、横向加速度均应小于20g。

分别讨论小型客车和40 t大型货车与护栏碰撞的情况，提取车辆驾驶座位置处的加速度进行分析。

4.2.1 小型客车加速度

图14是小型客车与新、旧护栏发生碰撞后驾驶员位置处的横向加速度和纵向加速度时程曲线。

图14 小型客车碰撞过程加速度曲线Fig.14 Acceleration curves during car collision

汽车与旧护栏碰撞产生的横向加速度峰值为16.032g，新护栏则是10.66g，与新型护栏碰撞产生的横向加速度明显减小，减小比率为33.5%，其吸能缓冲效果得到体现；汽车与旧护栏碰撞产生的纵向加速度峰值为15.515g，新护栏则是16.136g，略大于旧护栏，但两者差别不大；小型客车与新旧两种护栏碰撞的纵横向加速度都小于20g，符合规范要求。

4.2.2 40 t大型货车加速度

图15是40 t大型货车与新、旧护栏发生碰撞后驾驶员位置处的横向加速度和纵向加速度时程曲线。

图15 大型货车碰撞过程加速度曲线Fig.15 Acceleration curves during truck collision

从横向加速度曲线可以看出，与新护栏碰撞产生的加速度基本上全程小于旧护栏。汽车与旧护栏碰撞产生的横向加速度峰值为17.659g，新护栏则是6.917g，降低了60.8%；汽车与旧护栏碰撞产生的纵向加速度峰值为6.011g，新护栏则是5.847g，略小于旧护栏；在1.1～1.2 s，大型货车由于甩尾使得纵横向加速度皆增大且出现峰值，对驾驶员的安全有较大影响，新型护栏可有效降低加速度峰值；40 t大型货车与新旧两种护栏碰撞的纵横向加速度都小于20g，符合规范要求。新型护栏与大型货车碰撞体现了较好的安全防护性能。

4.3 护栏与桥面板安全性

车辆撞击护栏时碰撞力的大小影响护栏和桥面板安全，建立新旧两种护栏与桥面板的动力耦合模型，求解后对比两种车型产生的纵横向碰撞力分量，可以对新型装配式护栏的安全性进行评价。

4.3.1 小型客车碰撞力

图16分别给出了小型客车撞击护栏时对护栏-桥面板系统产生的横向和纵向碰撞力时程曲线。不难看出，撞击新护栏产生的纵横向碰撞力分量峰值均小于旧护栏，其中纵向碰撞力分量减小的更为明显。新护栏工况下产生横向碰撞力峰值为227.9 kN，纵向碰撞力峰值为80.0 kN，较旧护栏工况分别减小13.7%和49.2%。

图16 小型客车碰撞过程碰撞力曲线Fig.16 Curves of impact force during car collision

4.3.2 40 t大型货车碰撞力

图17分别给出了40 t大型货车撞击护栏时对护栏-桥面板系统产生的纵横向碰撞力分量时程曲线。

图17 大型货车碰撞过程碰撞力曲线Fig.17 Curves of impact force during truck collision

易知，撞击新护栏产生的纵横向碰撞力分量峰值均小于旧护栏，其中纵向碰撞力峰值在0.4～0.6 s时间段内减小幅度很大。新护栏工况下产生的横向碰撞力峰值为1 706.4 kN，纵向碰撞力分量为502.4 kN，较旧护栏工况分别减小17.5%和34.5%。

5 结论

经过上述对碰撞仿真模拟结果的分析，得到以下结论：

(1)适当降低单坡型混凝土护栏刚度，在护栏迎撞面嵌入部分泡沫混凝土材料来改善导向性和提高车乘安全性是可行的。

(2)分析车辆撞击过程运行轨迹，在相同的碰撞初速度和行驶角度下，新型装配式防撞护栏受到小型客车碰撞时仍具有较好的导向性和阻挡功能，和旧护栏差别不大；在40 t大型货车撞击时，新型装配式防撞护栏体现出更好的导向性。

(3)两种车型碰撞新旧两种护栏产生的纵向加速度差别不大；新型装配式防撞护栏受到两种实验车辆撞击时，车辆横向加速度减小效果明显，且新型护栏可有效降低大型车甩尾的影响，能够更好的保护乘车人员的安全；与新型护栏碰撞产生的加速度均小于规范容许值。

(4)无论是小型客车还是40 t大型货车撞击护栏，新型装配式护栏均能在一定程度上减小碰撞力峰值，其中纵向碰撞力峰值减小效果更为明显，达到缓和冲击，吸收能量，降低对桥梁和结构损害的目的。

(5)基于碰撞仿真数值计算的新型装配式护栏设计方案可为实车碰撞实验提供参考,并通过实车碰撞验证其防撞效果。