摘要：为了对槽型中分带混凝土护栏的支撑块功能进行分析，本文采用高精度计算机仿真与台车试验相结合的技术手段进行分析论证，重点分析了设置支撑块与未设置支撑块对槽型中分带混凝土护栏防护功能的影响。结果表明：在中分带混凝土护栏的槽底设置支撑块可传递车辆碰撞时的冲击力，使两排护栏达到协同防护的作用，从而防止护栏倾覆并改善碰撞后车辆行驶姿态。可见支撑块是槽型中分带混凝土护栏起安全防护作用的关键部件，因此在实际工程中建议设置支撑块。
关键词：中分带护栏 护栏支撑块 有限元分析 碰撞试验
1 概述
中分带隔离护栏能够有效减少车辆穿越中线而发生的碰撞事故，并降低碰撞的严重性［1］。因此，中分带护栏常被使用在高速公路或车流量较大的一般公路上，用来分离行驶方向相反的车流。与路侧护栏相同，中分带护栏的形式多种多样，而混凝土护栏由于成本低、易保养，常被使用在中央分隔带，如图1所示。
图2为中分带混凝土护栏的横断面，在设计中，可见两排护栏之间形成混凝土槽，护栏基础为嵌固式，纵向连接为企口连接，支撑块采用平摆浮搁方式设置于槽型底部，且与护栏墙体之间无连接，然后填砂并铺设管线，最后可填充种植土进行绿化。
图1 槽型中分带混凝土护栏
Fig.1 Slotted concretemedian barrier
在我国实际使用的混凝土中分带护栏中，有些设置有支撑块，而有些并未设置支撑块，因此对支撑块功能的研究，可以为改进护栏的防撞性和导向性，以及合理设计护栏形式并开发新型安全护栏提供充足的理论依据。
图2 槽型中分带混凝土护栏横截面
Fig.2 Cross section of the slotted concretemedian barrier
本文将通过采用计算机仿真模拟技术并结合台车试验的方法，对槽型中分带混凝土护栏支撑块的功能进行分析。
2 碰撞条件的选择与评价标准
碰撞条件需要考虑碰撞车型、车辆总质量、碰撞速度和碰撞角度的组合。根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG／T D81－2006）规定，以防护等级满足SAm级护栏的要求进行数值仿真计算和实车试验，碰撞条件为14t大客车以80km／h速度、20°角对中分带混凝土护栏进行碰撞。
根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05－01—2013）［2］规定，在评价中分带混凝土护栏的防护性能时，需对车辆碰撞过程的行驶姿态与混凝土刚性护栏的最大动态变形量两个指标进行比较，以此评价安装支撑块对护栏防护性能的影响。
3 有限元模拟方案的考核
对于护栏安全防护性能的研究，实车试验最能反映真实客观性，但试验费用高且试验周期长，因此常要借助数值仿真模拟的方法来进行辅助研究［3－5］。本文采用的有限元分析软件为著名通用显式动力分析程序LS-DYNA，为了保证仿真分析结果的真实可靠性，本节专门通过实车试验对文中的模拟方案进行考核。
试验车辆的车型选用当下我国主流大客车，车辆的总质量、整备质量和重心位置均按照《汽车质量（重量）参数测定方法》（GB／T 12674－1990）和《两轴道路车辆重心位置的测定》（GB／T 12583－2003）的相关规定进行测量。
3.1 仿真模型控制参数
为保证计算机仿真结果的可靠性，必须要建立正确的有限元模型，选择合适的单元类型，以及合理的材料常数和边界条件等参数［3］。根据车辆与混凝土护栏的特点，分别建立有限元模型。
对于大客车，由于车身大都由薄壁金属构件组成，因此主要采用能适应大变形的四边形单点积分壳单元。为了能获得较为可靠的数值结果，控制四边形壳单元的翘曲度不大于15°，单元的长宽比不大于4，最大夹角小于135°，最小夹角大于45°，其中过渡的三角形单元的数量少于5%，最小的特征长度控制在5mm左右［6－8］。车身各部分构件用点焊连接，车门和车体通过铰接点单元连接。图3分别为实体大客车与有限元仿真模型对比图。
图3 车辆实体与仿真模型
Fig.3 Vehicles and simulationmodules
对于混凝土护栏，其有限元模型采用六面体实体单元，其中钢筋采用线单元来模拟。图4分别为混凝土护栏的实际物理模型和有限元仿真模型对比图。
3.2 材料参数
文中数值模型混凝土材料的弹性模量、抗压强度、抗拉强度和抗折强度等各项强度指标通过NYL－2000型压力试验机（图5）实测获得。采用LS-DYNA中Mat159号材料卡对护栏混凝土材料参数进行定义，其抗压强度为30MPa。
图4 护栏实体和仿真模型
Fig.4 Barriers and simulation modules
图5 NYL－2000型压力试验机
Fig.5 NYL－2000 pressure testingmachine
钢筋材料在冲击载荷作用下的力学性能曲线通过Hopkinson压杆设备试验获得，图6为不同冲击速度下钢材的应力－应变曲线。采用LSDYNA中Mat24号材料卡对钢筋仿真材料参数进行定义。钢筋与混凝土材料间通过*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID关键字进行耦合［9］。
3.3 模型边界接触条件的选取
在车辆与护栏的碰撞过程中，会产生严重的边界条件非线性，因此在仿真碰撞分析中，可采用基于罚函数法的显示算法，并选用Automatic_Single_Surface接触类型来处理碰撞的非线性边界［10］。
图6 应力－应变曲线
Fig.6 Stress-strain curves
3.4 试验的测量方法
车辆碰撞试验中，护栏的变形损坏情况与车辆的行驶姿态均通过高速摄像机拍摄获得。
3.5 数值模拟方案的验证
根据前文中选取的碰撞条件（14t大客车以80 km／h速度、20°角）对某中分带护栏分别进行实车试验和数值仿真计算。仿真和试验结果对比如图7和图8所示。图7分别给出了发生碰撞后0.0s～0.4s时段内数值仿真车辆的行驶轨迹和实测车辆的行驶轨迹。图8分别给出了模拟和实测下的碰撞过程中大客车发生侧倾的运动形态。
图7 大客车行驶轨迹对比
Fig.7 Bus running track comparison
通过比较试验和数值仿真结果，可以看出车辆的行驶轨迹与运动姿态均能较好地吻合。由此说明文中采用的数值建模方法正确，接触分析合理，能够较为真实地反映出车辆碰撞时的实际状态。
图8 大客车行驶姿态对比
Fig.8 Bus running attitude comparison
4 模拟分析支撑块对中分带护栏的影响
在本例的有限元模拟中，分别研究设置支撑块与未设置支撑块时中分带护栏在受大客车碰撞时的变形状态。在这里特别指出：实际的中分带护栏槽上部填有种植土，因此在一定程度上可以减小护栏的变形量。但是在研究分析中，为充分考察支撑块的功能，模拟计算中仅考虑最为不利的不填种植土的情况。
4.1 未设置支撑块
通过仿真模拟，图9给出了大客车碰撞未设置支撑块中分带护栏的变形情况。
4.2 设置支撑块
通过仿真模拟，图10给出了大客车碰撞槽型底部设置支撑块中分带护栏的变形情况。
图9与图10分别模拟了发生碰撞后0.0s～0.8s内，未设置和设置支撑块情况下中分带护栏动态变形。从仿真结果中可以看到，未设置支撑块的护栏碰撞部位变形非常大且大客车的驶出角也偏大，行驶姿态不平稳，这反映出未设置支撑块护栏的整体受力效果不佳，导向性能较差；而槽底部设置支撑块后，护栏受到撞击变形较小，且此时车辆的行驶姿态也更平稳，这是由于支撑块能将撞击力传递到对向护栏，使中分带两侧护栏协同受力。
图9 未设置支撑块中分带护栏变形
Fig.9 Deformation of the concretemedian barrier without the support block
图10 设置支撑块中分带护栏变形
Fig.10 Deformation of the concretemedian barrier with the support block
为进一步探索支撑块的作用，还组织实施了重1.5t的台车以20km／h速度正面碰撞25m未设置支撑块的混凝土护栏试验（与SA级防护等级的碰撞力基本相同），结果如图11所示。
图11 台车正面碰撞试验
Fig.11 Sled frontal collision test
可以看出，由于未设置支撑块，混凝土护栏发生整体倾覆，这一试验结果再次说明支撑块对护栏协同防护功能的重要性。
5 结论
在分析槽型中分带混凝土护栏支撑块的功能中，结合了有限元数值模拟和实车试验两种技术方法。通过模拟和试验分析，可以得到以下结论：在中分带混凝土护栏底部设置支撑块能传递车辆碰撞的冲击力，使两道护栏达到协同防护作用，防止护栏的倾覆并改善车辆行驶姿态，是槽型中分带混凝土护栏的重要构件，不可缺少。目前在广东省高速公路中分带混凝土护栏设计中，普遍加强了对支撑块的重视程度，保证了混凝土护栏的应有防护能力。
