摘要：根据具体工程桥型结构及其相应路段车辆通行特点，对桥墩进行安全防护装置定制设计。桥墩安全防护装置是一种有效的被动防撞设施，它主要是降低事故的严重程度，受到撞击后，装置通过自身变形吸收撞击能量；能保持结构自身的完整性，且变形后装置不会碰到桥墩，起到了很好的隔离效果。
关键词：高分子弹性层；桥墩；防车撞；装置
1概况
由于汽车保有量的增长速度明显高于公路及城市道路的增长速度，导致我国道路交通安全不容乐观，汽车撞击桥墩导致的交通安全事故频频发生，严重时会造成桥墩倒塌、车毁人亡，带来无可挽回的生命和财产损失。
相比之下，桥墩安全防护装置仍然多采用传统的防护方式且缺乏相关防护规范依据，如墩柱底部加粗或采用钢管围栏进行保护，没有从根本上解决降低车辆撞击力，而“硬抗”的传统设防思路实质上增加了行车的安全隐患。AFC桥墩附着式安全防护装置能够在不影响通行的情况下有效利用桥墩自身抗力，降低车辆撞击力，保护桥梁结构的同时有效降低事故车辆的损伤。
根据具体工程桥型结构及其相应路段车辆通行特点，对桥墩进行安全防护装置定制设计。
2桥墩安全防护装置介绍
桥墩安全防护装置考虑到现有桥墩防撞要求的差异性，根据不同墩柱截面、不同撞击能量需求、不同防撞场合设计了多种结构和功能形式的安全防护装置，适用于任何有防撞需求的桥梁及其他建筑结构。
装置具有很高的安全防护性能，主要为处在高碰撞风险概率的市政立交、收费站、交叉口、隧道洞口等有防撞需求的结构提供可靠的安全保障。桥墩安全防护装置是一种有效的被动防撞设施，它主要是降低事故的严重程度，而不是减少事故的发生。根据桥梁结构的不同，可以选用不同的防护方案。针对本项目特点，根据桥墩结构状况，采用桥墩附着式柔性安全防护装置和桥墩隔离式柔性导流防撞设施。
2.1桥墩附着式柔性安全防护装置
桥墩附着式柔性安全防护装置基本结构由外壳、高分子弹性层、耗能防撞块组成。该装置基于刚度协调匹配原理对消能装置进行协调设计，通过缓冲吸能与结构导向，可达到保护桥梁的使用效果。根据不同桥墩截面的常用装置有圆形（本项目用）和矩形两种。本装置较传统防护措施，具有重量轻、安装方便、占用空间小、吸能效果好、施工养护方便等特点。
2.2桥墩隔离式柔性导流防撞设施
桥墩隔离式柔性导流防撞设施由柔性导流防撞块、防撞立柱、水平防撞管及警示外壳组成。
3桥墩安全防护装置计算分析
防撞装置和汽车的碰撞发生作用时间极短且涉及大变形，故本文数值计算采用显示有限元求解器Ls-Dyna模拟碰撞工况。
在Ls-Dyna中采用中心差分法来求解有限元动力平衡方程，其包含的核心内容为：
（1）将系统求解的t分割为N个时段△t，将每个△t的运动状态找到后，即获得整个时段的系统反应；
（2）在t+△t时段的运动状态是根据上一个t时刻的位移、速度、加速度来得出的，因此每一个时段内的位移、速度、加速度的变分形式决定了整个求解精度。
在dyna中的平衡方程表达为：
其中，M为质量矩阵，
为节点力和边界条件向量，
为应力差分向量，
为抗沙漏能矩阵，
为该时刻节点加速度向量。
的迭代格式为：
其中，
，
u，v分别代表位移和速度向量，位移更新格式为：
有限差分法的另一个特点是其存在稳定条件，即临界时间步，一般△t与有限元模型中的最小单元尺寸相关，如最小单元尺寸越小，其时间步会变得越小，这会影响整个计算时间。为了提高计算效率，通用的有限元程序如Ls-Dyna，abaqus都设有质量缩放功能，即在保证计算精度的情况下，对个别单元尺寸较小需要非常小时间步来计算的部分，采用一定的质量缩放来改变它的特性，使计算速度加快。
4数值仿真计算
4.1 车辆模型
车辆有限元模型几何尺寸见表4.1。
表4.1 有限元模型车辆
4.2装置模型
装置有限元模型。
4.3计算工况
撞击工况选取小车的正面撞击与侧面撞击，分别选取裸墩和设防的情况进行对比分析，撞击速度采用小车100km/h。具体工况如下表所示。
表4.3 工况统计表
5结果分析
5.1附着式安全防护装置计算结果
表5.1附着式防撞装置防护效果对比表
从撞击力结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小车撞击力减小35.0%。
从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度也有显著改善，保护桥墩的同时，降低了事故车辆的损伤。
5.2隔离式防撞装置防护效果计算结果
表5.2 隔离式防撞装置防护效果对比表
由表5.2可得：
（1）从撞击力对比结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小车正撞力减小71%，小车侧撞力减小24%；
（2）从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度明显减少，对车辆起到较好保护作用；
6小结
6.1附着式桥墩安全防护装置
从撞击力结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小车撞击力减小35.0%，装置对撞击力峰值有明显的延后作用，且撞击时间变长。
从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度也有显著改善，保护桥墩的同时，降低了事故车辆的损伤。
6.2隔离式桥墩安全防护装置
从撞击力对比结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少；装置对撞击力峰值有明显的延后作用，且撞击时间变长。
受到撞击后，装置通过自身变形吸收撞击能量；能保持结构自身的完整性，且变形后装置不会碰到桥墩，起到了很好的隔离效果；并且对车辆有明显的导向作用，从而减少装置所受的撞击力。
参考文献：
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[3]JohnO.Hallquist.LS-DYNA TheoreicalManual[M].California：Livemore Software TechnologyCorporation，1998。
论文作者:杨敏超
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/30
标签：桥墩论文; 装置论文; 安全防护论文; 防撞论文; 车辆论文; 柔性论文; 结构论文; 《基层建设》2019年第14期论文;