农村公路路侧油桶式混凝土护栏安全性能研究论文_戴青苗

长安大学 陕西西安 710064

摘要：为了准确揭示农村公路路侧常见但未经过安全验证的油桶式混凝土护栏的安全性能，基于Hypermesh和ANSYS/LS-DYNA软件建立了“汽车—护栏”碰撞耦合模型，并验证模型的可靠性。对比分析三种不同车型碰撞下油桶式混凝土护栏的阻挡功能、缓和功能以及导向功能，结果表明：油桶式混凝土护栏的缓冲功能满足安全要求，当汽车载重增大时，其阻挡功能和导向功能逐渐不能满足安全要求。

关键词：油桶式混凝土护栏；碰撞耦合模型；有限元仿真；安全性能

引言

随着我国交通运输行业的不断发展，农村公里程逐年增加。截止2017年年末，全国农村公路里程已高达400.93万公里，占全国公路总里程的83.99%[1]。然而农村公路由于技术等级较低，建养资金有限，路侧通常只设置一些简易护栏，以致部分险要路段防护安全得不到保证。农村地区汽车保有量增加，超员、超速现象多发，亦增加了路侧交通事故发生的概率。因此，农村公路路侧护栏安全性能研究迫在眉睫。

本文选择油桶式混凝土护栏作为研究对象，以阻挡功能、缓冲功能及导向功能作为安全评价标准，结合国内外研究成果，根据农村公路特有的交通特征，研究护栏安全性能。

1.仿真模型建立

1.1护栏仿真模型

油桶式护栏是在废旧沥青桶或汽油桶内填装沙石或混凝土，或利用油桶作为浇筑模板，制作混凝土桩，并固定于路肩的警示设施。研究假设油桶式混凝土护栏在碰撞过程中不发生位移及轴向转动，将其简化成直径0.8m，高1.2m的柱体，相邻护栏间距为2m。护栏模型采用常应力弹性体单元，混凝土材料选择专门用来模拟钢筋混凝土的*MAT_Brittle_Damage材料，密度2.5×10-9t/mm3，弹性模量3.0×104MPa，泊松比0.2，拉伸极限3MPa，剪切极限14.5MPa、断裂韧度14.9×10-3kg/mm、粘性参数0.72MPa/s、屈服应力29MPa[2]。

1.2汽车仿真模型

根据调查，农村公路的主要车型为小汽车、小客车和小货车。因此，选择这三种车型作为碰撞车型。本文采用的汽车有限元模型的相关车型参数来自于NCAC碰撞实验。为更加真实地反映农村道路汽车特性，将小汽车、小客车、小货车质量分别定为1.5t、2.5t、5t，其余参数见表1。

2.模型可靠性验证

沙漏控制可用于仿真结果的可靠性验证，沙漏能量不超过内能的10%即认为碰撞耦合模型是可靠的[3]。图1中三种车型单点积分产生的沙漏能基本都低于内能的10%。同时，碰撞过程中总能量＋摩擦能＋沙漏能＝动能＋内能，均符合能量守恒定律。所以在Hypermesh软件中建立的“汽车—护栏”碰撞耦合模型是可靠的，由ANSYS/LS-DYNA软件计算的结果可有效评价护栏的安全性能。

a）小汽车b）小客车c）小货车

图1 能量变化曲线图

3.仿真结果与安全性能评价

根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01-2013）选择阻挡功能、缓冲功能和导向功能评价护栏安全性能。

3.1阻挡功能

护栏的阻挡功能是指护栏遭遇汽车撞击时，其具有足够的刚度，不致发生屈服、断裂，能阻拦汽车穿越、翻越和骑跨的功能。一般刚性护栏最大动态变形量不应超过10cm。三种车型撞击护栏的过程如图2所示，护栏的位移量变化如图3所示。

t=0.0s t=0.1s t=0.2s t=0.3s t=0.4s

图2 汽车碰撞运行轨迹图

a）小汽车b）小客车c）小货车

图3 护栏位移量变化图

由图2可知，三种车型撞击护栏后均未出现穿越、翻越和骑跨护栏的现象。由图3可知，第二次碰撞后，护栏在X、Y、Z方向均发生变形位移。小汽车的最大位移量为2.7cm，满足要求。小客车和小货车的最大位移分别为12.0cm和13.0cm，护栏的阻拦功能不满足安全要求。

3.2缓冲功能

护栏的缓冲功能主要是为了保护驾驶员与乘客在事故中不受严重伤害。本文采用撞击过程中汽车重心处加速度在X、Y、Z方向合成值不超过20G作为安全评价标准。由图4可知，小汽车、小客车、小货车撞击护栏加速度的最大值分别为6.3G、11.2G、8.6G，缓冲功能均满足要求。

图4 加速度变化图

3.3 导向功能

护栏的导向功能是指汽车撞击护栏后能够校正回到行车道或停在合理范围内，同时不发生侧翻的能力。由图2可知，三种车型与护栏发生碰撞后均未发生侧翻。小汽车发生碰撞后行车方向得到及时校正，重新回到行车道。小客车发生碰撞后行车方向得到一定矫正后也重新回到行车道。小货车发生碰撞后，行车方向虽得到一定矫正，但是在二次碰撞时发生阻绊偏转。因此，当汽车载重量较大时油桶式混凝土护栏的导向功能不能满足要求。

结论

（1）油桶式混凝土护栏的缓冲功能满足要求，农村公路路侧采用油桶式混凝土护栏时，碰撞对驾驶员的伤害较小。

（2）载重量较大的汽车撞击油桶式混凝土护栏时，护栏变形较大，其阻挡功能不能满足安全要求。

（3）油桶式混凝土桩由于自身圆形流线型的特点，在受到撞击时能较好地校正汽车行车方向，避免其冲出路外，但当汽车载重量增大时，其导向功能也不能满足安全要求。

（4）农村公路重车比例较小时，可采用油桶式混凝土护栏作为路侧护栏；当重车比例较大时，其安全性能不够，不宜作为防撞护栏使用。

参考文献：

[1]中华人民共和国交通运输部. 2017年交通运输行业发展统计公报[R]. 中华人民共和国交通运输部，2018.

[2]雷正保，彭作，刘兰，等. 弯道混凝土护栏碰撞特性的优化设计[J]. 振动与冲击，2009，28（5）：6-9.

[3]李彤煜，周德源，胡煜文. 单坡形护栏在车辆撞击下的仿真研究[J]. 佳木斯大学学报（自然科学版），2016，34（2）：207-210.

论文作者:戴青苗

论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期

论文发表时间:2018/12/17

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