城市桥梁新型铝合金防撞护栏安全性
焦驰宇; 朱格西; 龙佩恒; 史文浩; 肖翔
【期刊名称】《《科学技术与工程》》
【年(卷),期】2019(019)030
【总页数】7页(P310-316)
【关键词】城市桥梁; 铝合金; 防撞护栏; 数值模拟; 安全性能
【作 者】焦驰宇; 朱格西; 龙佩恒; 史文浩; 肖翔
【作者单位】北京建筑大学未来城市设计高精尖创新中心 北京100044; 同济大学土木工程防灾国家重点实验室 上海 200092; 北京建筑大学工程结构与新材料北京高等学校工程研究中心 北京100044; 北京建筑大学北京节能减排关键技术协同创新中心 北京 100044; 北京市市政工程设计研究总院有限公司 北京 100082
【正文语种】中 文
【中图分类】U443.5
近年来，随着中国经济的快速发展，城市交通也越来越发达。与此同时，车辆的增加也使得交通安全问题愈发严重。一直以来，防撞护栏都被视作是桥梁道路上的主要安全措施。随着工业的迅猛发展，中国的钢材能源越来越少，而城市桥梁传统防撞护栏大多以钢材料为主，并在型钢表面进行镀锌处理以达到防腐的目的。这样做既对钢材料产生了大量的需求，同时也会对环境造成一定程度的污染。为实现可持续发展，同时满足城市景观的需要，采用6005T5铝合金材料替代传统的梁柱-混凝土组合护栏的钢材质部分。6005铝合金属于Al-Mg-Si系中等强度铝合金，因具有良好的焊接性、挤压成形性以及耐腐蚀性，是被广泛应用的工业用结构材料[1]。目前，对新型护栏应用的研究已有大量报道。兰兴阳等[2]提出一种新型高强度铝合金波形梁护栏结构，并结合现行规范对新型护栏进行了有限元仿真模拟，发现其结构形式可行，防撞能力满足我国相关规范要求的 A 级标准。王儒飞[3]验算了防撞护栏在车辆碰撞作用下锚固区混凝土受力情况，并利用有限元分析主梁在车辆碰撞荷载作用下的受力影响。邰永刚等[4]提出了一种施工方便且造价低的高防护等级护栏改造方案，并利用计算机仿真模拟与实车碰撞试验相结合方法证明此方案能满足评价标准要求。林国辉等[5]提出了护栏在遭受车辆碰撞时，构件破坏位置可控的破坏点控制方法，并
根据该方法研究了一种新型护栏结构型式。彭桔志等[6]分析了旋转式防撞护栏的典型性能，之后结合实际工程对旋转式防撞护栏的典型应用条件进行了总结。张鹏等[7]结合波形梁冲击数值试验，通过ANSYS/LS-DYNA程序对车辆碰撞模拟计算的精度和效率进行了探究。雷正保等[8]通过建立车辆—护栏有限元仿真模型并结合实车碰撞试验，对新型柔性护栏安全性能进行了综合分析，发现仿真模型所得车辆运行轨迹、车体加速度及护栏最大横向位移等安全指标与试验结果一致，满足评价标准要求。杨济匡等[9]基于有限元分析方法，探究了高速公路双波形梁护栏对客车碰撞的防护性能，并对护栏结构进行了改进分析。闫书明[10]建立了多种车辆—护栏有限元仿真模型，通过与多次车辆碰撞试验结果对比，验证了建模方法的正确性，说明有限元仿真模拟评价护栏安全性能有较高的可行性；周炜等[11]对车辆与护栏碰撞系统进行有限元建模和仿真模拟，并通过试验验证发现其主要特征参数具有很高的一致性。
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上述研究对不同形式防撞护栏的模拟方法及安全性能进行了较为深入的研究，但关于铝合金材质的新型防撞护栏数值模拟的研究尚鲜见报道。新型铝合金材料不仅能够有效避免钢护栏腐蚀污染，弥补再利用率低的不足，还可以降低护栏的全寿命周期成本。为此，以某桥大修改建工程为背景(该桥全长743.7 m)，是多跨连续梁桥，在道路两侧设有传统型钢护
栏，改建工程包括采用6005T5铝合金材料防撞护栏代替传统型钢护栏。针对新型铝合金防撞护栏方案，通过建立有限元模型对6005T5铝合金材料防撞护栏在车辆撞击下的力学性能进行评价分析，以期评价新型铝合金防撞护栏的安全性能。
1 有限元分析
1.1 几何模型建立
本次城市桥梁改建所使用的新型铝合金护栏高度为1 100 mm，混凝土防撞墩高度为250 mm，金属材质部分高度为850 mm，中间设10 mm法兰盘，立柱间距为2 m，立柱由内立柱与外立柱套接组合而成，横挡高度为150 mm，为把手形，两横档间距为510 mm。护栏构造图如图1所示。
图1 新型铝合金护栏构造图Fig.1 New aluminum alloy guardrail construction diagram
1.2 有限元模型建立
采用MIDAS/Civil有限元软件建立静力学模型，以上述新型铝合金防撞护栏为基本参数建立
360免费wifi有限元模型。依据《美国公路桥梁设计规范》(AASHTO-LRFD)规定的计算要求，护栏验算跨数最大选取3跨且为奇数跨，因此建模时选取护栏跨数为3跨。建模时护栏的横挡与立柱采用梁单元，铝合金法兰盘采用板单元，混凝土防撞墩采用实体单元建模。护栏计算模型图及护栏立柱横档图如图2、图3所示。
沉淀的爱边界条件：横挡与立柱间的连接采用刚性连接，法兰盘板单元节点与立柱梁单元最底端节点采用节点共用形式，法兰盘与混凝土防撞墩连接的锚固螺栓采用弹性连接模拟，以便于提取最不利剪力值。
荷载：考虑自重及车辆碰撞下的最不利荷载230.28 kN，碰撞最不利荷载的计算由1.3节详细说明，汽车碰撞荷载以节点荷载的形式施加在中间跨护栏上横挡的跨中位置。
1.3 车辆撞击横向力计算
依据JTG-D81—2017《公路交通安全设施设计规范》条文6.3.2桥梁护栏防护等级的选取，依据工程背景选取城市道路设计速度为80 km/h，按照一级公路考虑，车辆事故严重等级为“中”。考虑栏杆的防护等级为四(SB)级，则依据JTG B05- 01—2013《公路护栏安全性能评价标准》条文5.3.3确定设防等级为四级的试验碰撞条件如表1所示。
在研究的受力范围内，车辆和护栏的刚度可理想化为线弹性刚度。此外，依据JTG-D81—2017《公路交通安全设施设计规范》条文3.5.5计算车辆作用在护栏上的最大横向力：
表1 设防等级为四级的试验碰撞条件Table 1 Test collision conditions with four levels of fortification防护等级碰撞车型车辆总质量/t碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)小型客车1.510020四中型客车108020大型客车186020
图2 新型铝合金护栏MIDAS/Civil计算模型Fig.2 MIDAS/Civil calculation model for new aluminum alloy guardrail
图3 护栏立柱横档模型图Fig.3 Guardrail column railing model diagram
(1)
式(1)中：F横max为车辆作用在护栏上的最大横向力，kN；m为车辆质量，kg；v1为车辆碰撞速度，m/s；θ为碰撞角度，(°)；C为车辆重心距离前保险杠的距离，m；b为车辆宽度的一半，m；D为护栏的最大横向动态变形值，金属护栏取0.3～0.6 m。
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依据JTG B05- 01—2013《公路护栏安全性能评价标准》条文5.3.3确定各车辆的质量m，碰撞速度1以及碰撞角度θ；依据条文5.5.1确定试验车辆主要技术参数从而确定车辆重心距离前保险杠的距离C以及车辆宽度。分别计算四(SB)级防护等级下小型客车、中型客车、大型客车三种不同车型的汽车碰撞力，得到各车辆最大碰撞力如表2所示。
个人先进事迹500字表2 各车辆横向碰撞力计算值Table 2 Calculated values of lateral collision force of vehicle车辆类型小型客车(1.5 t)中型客车(10 t)大型客车(18 t)F横max/kN92.40230.28170.80
计算可得在四(SB)级防护等级条件下各车辆类型作用在护栏上的最不利横向力大小为230.28 kN。
2 防撞护栏螺栓验算
文明小博客如图4所示，依据前述描述对栏杆关键部位进行分析验算，螺栓验算部位大样图如图5所示。初步拟定螺栓直径及法兰盘厚度如表3所示。
四十用英语怎么写图4 护栏螺栓验算部位示意图Fig.4 Schematic diagram of checkpoint of guardrail bolts
图5 螺栓验算部位大样图Fig.5 Bolt check site detail drawing表3 初拟螺栓直径及法兰盘厚度Table 3 Initial bolt diameter and flange thickness
底部螺栓直径/mm横梁中部连接件螺栓直径/mm立柱与横档连接处螺栓直径/mm法兰盘厚度/mm16121210雨天行车注意事项
2.1 底部螺栓抗剪验算
验算部位为图4中①处螺栓，验算工况考虑的最不利状况，使螺栓与混凝土防撞墩连接处螺栓剪力最大，即碰撞力作用于立柱处。取汽车碰撞力为240 kN，以20°加载。计算单个螺栓所受剪力合力，依据GB 50017—2017《钢结构设计规范》条文12.5.1，按抗剪承载力计算：
(2)
式(2)中：nv为单个螺栓受剪面数量，取2；d为螺栓直径，为螺栓抗剪强度设计值，MPa。
依据模型计算提取①处螺栓(图4)最不利剪力合力为151.56 kN。经计算，初拟直径为16 m
m螺栓抗剪承载力为112.59 kN，不满足要求，可采用8.8级直径为20 mm螺栓，计算所得螺栓抗剪承载力为175.93 kN，满足计算要求。
