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摘要：在分析了我国高速公路汽车护栏碰撞事故的基础上，考虑到全尺寸实验需要大量的人力、物力以及不可重复等缺点，本为采用计算机仿真的方法。通过应用有限元分析软件ABAQUS建立汽车实体模型钢筋混凝土护栏弹塑性模型，模拟不同角度，不同速度下的冲击载荷碰撞钢筋混凝土护栏过程的动力响应。着重分析了高速公路钢筋混凝土护栏受撞时的应力作用、损伤区域变化,汽车碰撞时的能量变化。
关键词：钢筋混凝土护栏；冲击荷载；计算机仿真；有限元法
Abstract: On the base of the characteristic analysis in the process with the car crash into guardrail in our country, considering that full-scale test requires a large amount of manpower and resources and impossible to repeat, numerical method is used in this paper.Through the finite element software ABAQUS to establish solid model of the car, and reinforced concrete guardrail elastic-plastic model, the whole crash process of different angles and velocities impact load. Focus on the analysis of the stress function and damage area and energy change when the reinforced concrete guardrail was hit in highway.
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
0引言
车辆与护栏的碰撞研究是护栏研究中十分重要的课题之一。它们碰撞是一个非常复杂的过程，汽车与公路护栏发生碰撞事故时, 通常速度很高,伴随着能量的剧烈变化, 可能导致混凝土护栏严重失效及汽车行驶方向失控, 因此进行护栏防护性能的研究对防治交通事故、降低人民的生命和财产损失有着非常重要的意义[1]。目前常用的混凝土护栏大致可以分为NJ型、F型、单坡面型、直壁式和可移动护栏[2]。我国使用较多的是NJ型和F型2种混凝土护栏结构.根据我国标准<<高速公路交通安全设施设计及施工技术规范>>[3], F型是NJ型的改进形式，适用于中央分隔带宽度较窄，交通量大的路段，一般在快速路及主干路应用。当汽车与护栏相撞时，部分动能可以转化为势能，最大限度保障汽车的安全。护栏的主要设计参数有高度、坡度和埋深等。由于实车碰撞护栏较难实现，国内外的研究机构提出一些有效的力学模型并开发了相应的计算机软件[4-5]，本文选择大型通用软件ABAQUS进行数值模拟,其在非线性分析方面有巨大优势。
1.1 基本假设
为分析混凝土护栏的冲击力及汽车在平面内的运动形态等，采用以下假定：
汽车无动力加速, 以一定速度和角度冲向护栏。假设车体在碰撞中为平面运动, 忽略汽车的竖向转动和腾空。
1.2 材料參数
钢筋混凝土护栏长32米，分为四段，每段包含四个2m-节护栏。纵筋为HRB335钢筋，箍筋为HPB235钢筋，钢筋采用本构关系为强化的二折线模型，无刚度退化。线第一上升段的斜率，为钢筋的弹性模量，第二上升段为钢筋强化阶段，此时的斜率大致可取为第一段的 1/100[6]. 混凝土为C30混凝土，混凝土本构关系是混凝土结构设计规范所建议的曲线，其应力应变关系可由函数表达式[7]定义。汽车重量为2T，由于在碰撞时只有汽车前部接触护栏，可忽略汽车实际情况的影响，外观尺寸为。由于汽车与护栏碰撞时的容易产生轮胎前部悬空和旋转，为达到较真实的模拟效果，汽车下部切除长0.6m，宽2.5m，高0.5m。分别以60 km/h、80 km/h、 100km/h撞向护栏，角度分别为15°，20°，25°。
图1汽车结构计算模型 图2钢筋计算模型
Fig.1 Car structure calculation model Fig.2 Steel calculation model
1.3 有限元模型参数
（1）汽车建模时的数据参数定义：汽车选为实体单元，汽车模型的离散共选用1396个节点和1052个20节点3维立方体单元。考虑汽车重心，分割其为两部分，分别赋予不同密度值，=,。
（2）钢筋混凝土护栏中定义：钢筋选用Truss单元，模型离散选用共22136个节点和24376个T3D2单元，并采用 Embedded 技术进行自由度耦合，每节护栏之间为Tie连接。，=,； =，,=，。混凝土为实体单元，离散为42420个节点和33600个20节点3维立方体单元，=，，。
（3）建模时公路定义刚体模型。
2 计算结果与分析
研究过程中汽车速度为60 km/h，80 km/h，100km/h，碰撞角度分别为15°，20°，25°。
2.1护栏应力、接触力大小与时间的关系
图3碰撞角为20°，汽车以不同速度下的接触力曲线。可以看到：60 km/h时的混凝土最大接触应力为， 80 km/h时最大接触应力为， 100 km/h最大接触应力为。
图3接触应力和时间的关系（碰撞角为20°） 图4 接触应力和时间的关系（80km/h）
Fig.3 Relationship between contact stressFig.4 Relationship between contact stress
and time with the incident angle is 20° and time in speed for 80km/h
图4碰撞速度80km/h，角度15°、20°、25°的动力响应曲线，最大接触应力分别为，，。
2.2 损伤与时间的关系
碰撞速度80km/h，碰撞角为15°、20°、25°，汽车离开钢筋混凝土护栏相同时间时的损伤和时间的关系图。我们清楚的看到在相同速度，碰撞角增大，网格出现变形的程度越严重，达到相同损伤值时所用时间较短。
图5 损伤和时间的关系图6 钢筋混凝土护栏损伤云图
Fig.5 Relationship between damage and timeFig.6cloud damage
3结论
汽车为弹性实体，钢筋混凝土护栏为弹塑性材料，高速公路路简化为为刚体。通过模拟不同速度，不同角度下的冲击载荷碰撞钢筋混凝土的动力响应得出以下结论：
1.不同载荷的仿真模拟结果与真实试验结果趋势基本吻合，说明本设计模型可靠，具有较高的准确性。
2.碰撞速度相同时，碰撞角度增大，网格变形程度越严重,损伤区域明显增加；角度相同，碰撞速度增大,达到相同破坏程度所用时间变短，护栏受到破坏较为严重；考虑交通事故速度、角度是着重考虑的重要参数。
参考文献
[1] Qiao Weigao, Jia Cuiping. Analyse and study of free-way traffic accidents[C]. Proceedings of The First International Conference( ICTE 2007),Cheng du, China, July 22-24, 2007, 3563- 3568.
[2] Charles.F.McDevitt.Basics of Concrete Barriers FWHA Reports 2000, Washington, D.C.
[3] 中华人民共和国交通部 JTJ074-94.高速公路交通安全设施设计及施工技术规范[S]。北京:人民交通出版社，1994。
[4] 黄帆，应川计算机模拟技术研究汽车碰撞安全性，世界汽车,1997(3)。
[5] G.H.Powell, Computer Programs for evaluation of automobile barrier system,FHWA.U.S Department of Transportation，April 1980,
[6] 何政，欧进萍，钢筋混凝土结构非线性分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2006.
[7] GB50010-2002, 混凝土结构设计规范[S].
关键词：钢筋混凝土护栏；冲击荷载；计算机仿真；有限元法
Abstract: On the base of the characteristic analysis in the process with the car crash into guardrail in our country, considering that full-scale test requires a large amount of manpower and resources and impossible to repeat, numerical method is used in this paper.Through the finite element software ABAQUS to establish solid model of the car, and reinforced concrete guardrail elastic-plastic model, the whole crash process of different angles and velocities impact load. Focus on the analysis of the stress function and damage area and energy change when the reinforced concrete guardrail was hit in highway.
中图分类号： TU37 文献标识码： A 文章编号：
0引言
车辆与护栏的碰撞研究是护栏研究中十分重要的课题之一。它们碰撞是一个非常复杂的过程，汽车与公路护栏发生碰撞事故时, 通常速度很高,伴随着能量的剧烈变化, 可能导致混凝土护栏严重失效及汽车行驶方向失控, 因此进行护栏防护性能的研究对防治交通事故、降低人民的生命和财产损失有着非常重要的意义[1]。目前常用的混凝土护栏大致可以分为NJ型、F型、单坡面型、直壁式和可移动护栏[2]。我国使用较多的是NJ型和F型2种混凝土护栏结构.根据我国标准<<高速公路交通安全设施设计及施工技术规范>>[3], F型是NJ型的改进形式，适用于中央分隔带宽度较窄，交通量大的路段，一般在快速路及主干路应用。当汽车与护栏相撞时，部分动能可以转化为势能，最大限度保障汽车的安全。护栏的主要设计参数有高度、坡度和埋深等。由于实车碰撞护栏较难实现，国内外的研究机构提出一些有效的力学模型并开发了相应的计算机软件[4-5]，本文选择大型通用软件ABAQUS进行数值模拟,其在非线性分析方面有巨大优势。
1.1 基本假设
为分析混凝土护栏的冲击力及汽车在平面内的运动形态等，采用以下假定：
汽车无动力加速, 以一定速度和角度冲向护栏。假设车体在碰撞中为平面运动, 忽略汽车的竖向转动和腾空。
1.2 材料參数
钢筋混凝土护栏长32米，分为四段，每段包含四个2m-节护栏。纵筋为HRB335钢筋，箍筋为HPB235钢筋，钢筋采用本构关系为强化的二折线模型，无刚度退化。线第一上升段的斜率，为钢筋的弹性模量，第二上升段为钢筋强化阶段，此时的斜率大致可取为第一段的 1/100[6]. 混凝土为C30混凝土，混凝土本构关系是混凝土结构设计规范所建议的曲线，其应力应变关系可由函数表达式[7]定义。汽车重量为2T，由于在碰撞时只有汽车前部接触护栏，可忽略汽车实际情况的影响，外观尺寸为。由于汽车与护栏碰撞时的容易产生轮胎前部悬空和旋转，为达到较真实的模拟效果，汽车下部切除长0.6m，宽2.5m，高0.5m。分别以60 km/h、80 km/h、 100km/h撞向护栏，角度分别为15°，20°，25°。
图1汽车结构计算模型 图2钢筋计算模型
Fig.1 Car structure calculation model Fig.2 Steel calculation model
1.3 有限元模型参数
（1）汽车建模时的数据参数定义：汽车选为实体单元，汽车模型的离散共选用1396个节点和1052个20节点3维立方体单元。考虑汽车重心，分割其为两部分，分别赋予不同密度值，=,。
（2）钢筋混凝土护栏中定义：钢筋选用Truss单元，模型离散选用共22136个节点和24376个T3D2单元，并采用 Embedded 技术进行自由度耦合，每节护栏之间为Tie连接。，=,； =，,=，。混凝土为实体单元，离散为42420个节点和33600个20节点3维立方体单元，=，，。
（3）建模时公路定义刚体模型。
2 计算结果与分析
研究过程中汽车速度为60 km/h，80 km/h，100km/h，碰撞角度分别为15°，20°，25°。
2.1护栏应力、接触力大小与时间的关系
图3碰撞角为20°，汽车以不同速度下的接触力曲线。可以看到：60 km/h时的混凝土最大接触应力为， 80 km/h时最大接触应力为， 100 km/h最大接触应力为。
图3接触应力和时间的关系（碰撞角为20°） 图4 接触应力和时间的关系（80km/h）
Fig.3 Relationship between contact stressFig.4 Relationship between contact stress
and time with the incident angle is 20° and time in speed for 80km/h
图4碰撞速度80km/h，角度15°、20°、25°的动力响应曲线，最大接触应力分别为，，。
2.2 损伤与时间的关系
碰撞速度80km/h，碰撞角为15°、20°、25°，汽车离开钢筋混凝土护栏相同时间时的损伤和时间的关系图。我们清楚的看到在相同速度，碰撞角增大，网格出现变形的程度越严重，达到相同损伤值时所用时间较短。
图5 损伤和时间的关系图6 钢筋混凝土护栏损伤云图
Fig.5 Relationship between damage and timeFig.6cloud damage
3结论
汽车为弹性实体，钢筋混凝土护栏为弹塑性材料，高速公路路简化为为刚体。通过模拟不同速度，不同角度下的冲击载荷碰撞钢筋混凝土的动力响应得出以下结论：
1.不同载荷的仿真模拟结果与真实试验结果趋势基本吻合，说明本设计模型可靠，具有较高的准确性。
2.碰撞速度相同时，碰撞角度增大，网格变形程度越严重,损伤区域明显增加；角度相同，碰撞速度增大,达到相同破坏程度所用时间变短，护栏受到破坏较为严重；考虑交通事故速度、角度是着重考虑的重要参数。
参考文献
[1] Qiao Weigao, Jia Cuiping. Analyse and study of free-way traffic accidents[C]. Proceedings of The First International Conference( ICTE 2007),Cheng du, China, July 22-24, 2007, 3563- 3568.
[2] Charles.F.McDevitt.Basics of Concrete Barriers FWHA Reports 2000, Washington, D.C.
[3] 中华人民共和国交通部 JTJ074-94.高速公路交通安全设施设计及施工技术规范[S]。北京:人民交通出版社，1994。
[4] 黄帆，应川计算机模拟技术研究汽车碰撞安全性，世界汽车,1997(3)。
[5] G.H.Powell, Computer Programs for evaluation of automobile barrier system,FHWA.U.S Department of Transportation，April 1980,
[6] 何政，欧进萍，钢筋混凝土结构非线性分析[M]. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社.2006.
[7] GB50010-2002, 混凝土结构设计规范[S].