（固体力学专业论文）半刚性护栏系统的冲击响应研究.pdf

摘要 摘要 广东省蕊裹遽公路建设在全晷处子镶先逑经，随着交逶运竣事鼗转逐狻发震， 离速公路在交通运输中所起作用同益增加。而公路行车安全问题却是高速公路的 发展与使用的一个难题。随着车辆的增加和车速的提高，对高速公路的安全可靠 毪提出了越来越高豹要求。羹l 予波形粱半剐洼护拦在碰| 鏊过程中熊产生弹豢往大 变形以吸收汽车的冲击动能，并能引导车辆重新回到正常行驶方向，从而裔利于 保护车内象员的人身安全，此外它还县蠢施工简肇、维修方便，且造徐较低等优点， 所以在高逮公路工程中得到了广泛应弼。由于现代交通对半刚性护栏系统的安全 防护提出更高的要求，因此汽车与波形梁护栏系统的碰撞问题的研究依然魁国内 终骚突的一个热点。 汽车与波形粱护栏系统的碰撞属于高速冲击问题，而利用缩比模型进行试验 是一种比较可行的研究方法，其优点是试验成本低，试验过程易于控制，变换参 数容易，可采用多缀试件反复滏行。为了研究波形护栏系统酌交形、能量蔽收特 性，本文在项目组前期工作基础上，通过开展四种类型的冲击实验和分析，得到 了妒栏系统及其各郝传变形秘旋量吸收的瓶律，疆变取缮了视步的成效。 首先，为了弥补前期单根w 梁动态实验的不足，重新设计并进行了有纵向约 束垫支座单根w 梁的冲击实骏。实验结果表明，冲击实验具有很好的可重复性。 鬣察了w 粱试箨奁务静滓壹条件下戆变形形式，磊秀究了不司滓击条俘下w 粱试 件的冲击响应，考察了不同冲击条件下w 梁试件的冲击力和能量吸收的焚化规 镶。 其次，设计并完成了对戈防阻块( w 梁直绥安装在立柱上) 缩比护栏系统的 冲击实验，观察了立桂和w 聚的变形特征以及它们的能爨吸收特性，并将其结果 稿擎接w 粱懿实验绣莱作了瓣毙，对立茬懿 睾髑及护栏系统与鼙缀w 粱之润戆 界同有了初步认识。此外还计算了w 粱的弯曲变形能，并与冲击头实际施加的冲 击能量作了对比。 最君设计并完成了带防飙块缩沈护拦系统 ( 3 2 5 x 1 0 6 ( o 8 1 0 _ 3 ) 2 l = 5 2 ( n ( 4 _ 1 ) 则对防阻块的变形能为 w = 2 l m o x 妒 ( 4 ，2 ) 其中，l 是防阻块试件的长度，为5 3 m m 。 渤啪啪蛐。 耋雪墨三奎兰三兰堡圭兰竺鎏兰 测量得防阻块截面各主要变形角度，代入式( 4 - 2 ) 即可算出防阻块 的变形能。 图4 3 9 连接方式1 系统w 梁弯曲变形能及对应防阻块的变形能 f i g 4 3 9w b e a mb e n d i n ga b s o r b e de n e r g ya n db l o c k sa bs o r b e de n er g y 算出w 梁和防阻块的变形能及其占总吸收能量的百分比，其结果分 别如图4 3 9 、图4 4 0 、图4 4 1 和图4 4 2 所示，可以看出连接方式 2 系统w 梁的弯曲变形能要比连接方式1 系统w 梁的弯曲变形能大。而 相应防阻块的情况则要小些。 图4 4 0 连接方式l 系统w 梁弯曲变形能及对应 防阻块的变形能占总吸收能量的百分比 f i g 4 4 0t h ep e r c e n to fw - b e a mb e n d i n ga bs o r b e de n e r g y a n db l o c k sa b s o r b e de n e r g yi nt h ew h o l ee n e r g ya b s o r p t i o n 两种连接方式中w 梁和防阻块的变形能之和都约占总吸收能量的8 0 9 0 。另外情况1 的w 梁弯曲变形能总要大于情况2 的w 梁弯曲变 形能。这样是因为情况1 的冲击质量要大，其重力对w 梁做的功也多， 故w 梁的变形也要大些。 第四章带防阻块缩比护栏系统的研究 图4 4 1 连接方式2 系统w 梁弯曲变形能及对应防阻块的变形能 f i g 4 - 4 1w b e a mb e n d i n ga b s o r b e de n e r g ya n db l o c k sa b s o r b e de n e r g y 图4 4 2 连接方式2 系统w 梁弯曲变形能及对应 防阻块的变形能占总吸收能量的百分比 f i g 4 - 4 2t h ep e r c e n to fw - b e a mb e n d i n ga b s o r b e de n e r g y a n db l o c k sa b s o r b e de n e r g yi nt h ew h o l ee n e r g ya b s o r p t i o n 4 3 本章小结 通过对带防阻块系统试件冲击实验结果的分析和比较，可以得到以 下初步结论： ( 1 ) 试验中防阻块首先变形，且变形较大，说明防阻块有较大的消能作 用。并且能有效地减小冲击力和冲击加速度。 ( 2 ) 在大部分冲击时间内能量吸收值与冲击头位移近似呈线性函数关 系，说明试件系统在变形的后期也能够比较有效的吸收能量。另外在相 同位移下冲击能量大的系统吸收能量也大：若冲击能量大小相同的则冲 华南理工大学工学硕士学位论文 击质量大的系统吸收能量要大。 ( 3 ) 有限元模拟和冲击实验的大部分结果其整体趋势是相同的，表明了 实验和计算模拟是比较吻合的，两者互相支持，对以后进一步的工作有 指导意义。其不同之处的原因主要是防阻块的连接方式不同和是否考虑 了重力的作用，这在以后的有限元模拟中应仔细处理加以改进。 ( 4 ) 防阻块的两种连接方式对系统的攘体刚度有一定影响，连接方式2 的防阻块所吸收的能量比连接方式1 的稍小些。考虑到实际的护栏应是 多跨的系统，而相邻跨w 梁对本跨w 梁应有比较大的纵向约束，所以从 某种程度上来说连接方式l 更接近多跨系统的情况，其防护性能应该更 好。 结论 本文在项目组前期工作基础上，通过开展有纵向约束垫支座单根w 梁、无防阻块护栏系统和带防阻块( 两种约束) 护栏系统等四种类型的 冲击实验和分析，得到了护栏系统及其各部件变形和能量吸收的规律。 主要结论如下： ( 1 ) 从四类冲击实验中观察护栏系统的主要变形特征有：a ) 波形 梁：以的全梁弯曲变形为主，同时还有被冲击处有局部变形和w 梁在螺 栓连接处的撕裂变形；b ) 防阻块：以沿冲击方向的薄柱壳的扁平化为主， 对于连接方式2 ，还有一定的结构扭转变形：c ) 支撑立柱：主要是在根 部受弯矩作用而引起弯折变形。 ( 2 ) 相对于单根w 梁受冲击的情况，护栏系统能在保持较小的载 荷和w 梁不发生撕裂破坏的条件下，增加系统的柔性，扩大加载的行程。 ( 3 ) 护栏系统在大部分冲击时间内能量吸收值与冲击头位移近似呈 线性函数关系，说明试件系统在变形的后期也能够比较有效的吸收能量。 而单根w 梁的在加载的后期有明显的非线性，这主要是由于纵向位移的 约束导致荷载显著增加所致。另外在相同位移下冲击能量大的系统吸收 能量也大；若冲击能量大小相同的则冲击质量大的系统吸收能量要大。 ( 4 ) 在护栏系统中，系统的能量吸收主要是由w 梁的全梁弯曲变 形能起主导作用，这一点与单根梁的类似，但是所占的比例有所不同。 在护栏系统中w 梁、防阻块和立柱所消耗的能量依次递减。 ( 5 ) 试验反映在加载过程中，防阻块首先变形，且变形较大，说明 防阻块有较大的消能作用。并且能有效地减小冲击力和冲击加速度。防 阻块的两种连接方式对系统的整体刚度有一定影响，连接方式2 的防阻 块所吸收的能量比连接方式1 的稍小些。今后用有限元做优化时应注意 控制防阻块的刚度。另外考虑到实际的护栏应是多跨的系统，而相邻跨 w 梁对本跨w 梁应有比较大的纵向约束，所以从某种程度上来说连接方 式1 更接近多跨系统的情况。 ( 6 ) 在加载的早期立柱的变形基本很小，在加载的最终状态，也仅 在根部发生弯折变形。因此可以建议在优化设计的时候考虑把立柱的根 部加强，使得立柱整体可以产生比较均衡的变形，而不只是集中于根部 的弯折，这样可以更有效的吸收能量，提高防护性能。 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 7 ) 有限元模拟和冲击实验的大部分结果其整体趋势是相同的，表 明了实验和计算模拟是比较吻合的，对以后进一步的工作有指导意义。 它们之间产生差异的主要原因是数值模拟部分不能较准确地反映防阻块 的连接方式，另外还可能的影响是在计算模型中忽略了加载头的重力影 响，这些在以后的分析中应加以考虑和完善。 本文研究只考虑了单跨护栏系统，而实际中的护栏系统是多跨的， 而多跨护栏之间的相互作用显然能影响整个护栏系统的承载和能量吸收 特性，所以下一步工作无论在实验研究还是数值模拟上，应该考虑多跨 护栏系统的情况。此外本实验只考虑了正撞的情况，今后应考虑撞击角 度对护栏防护性能的影响，开展斜撞的研究。另外，还可通过改变护栏 系统的材料及各构件的形状等进行半刚性护栏的优化设计。 参考文献 1 雷正保大力开展半刚性护栏防撞新机理的研究振动与冲击 2 0 0 2 ：l 一7 2 姜德伦，周悦波浅谈高速公路防撞护栏东北公路1 9 9 7 ：6 0 6 2 3 周志刚关于高等级公路安全护栏设计中几个问题的探讨中南公 路工程1 9 9 57 3 ( 2 ) ：5 9 6 3 4黄淑琴国外公路护栏国外公路1 9 9 6 ( 4 ) ：10 一l l 5 刘少源高速公路汽车与护栏碰撞的动力特性研究 博士论文 北京：清华大学工程力学系，1 9 9 4 6 高速公路交通安全设施设计及施工技术规范北京：人民交通出版 社，1 9 9 4 7 赵甲荐半刚性护栏结构研究方法初探华南理工理工大学交通学 院2 0 0 0 2 0 0 1 年度研究生学术研讨会 8 钟云华，黄小清，汤立群高速公路半刚性护栏静态缩比试验研究 广州：华南理工大学学报( 自然科学版) 2 0 0 0 ( 6 ) ：1 9 2 3 9s e v e n s o na l ，b r o w nc m “p e n d u l u mi m p a c t t e s t i n g o fs t e e lw b e a m g u a r d r a i l ”r e p o r t f h w a r d 一9 8 0 18 f e d e r a l h i g h w a y a d m i n i s t r a t i o n ，19 9 8 1 0 魏荣玻璃钢护栏在城市道路绿化带的应用玻璃钢复合材 料1 9 9 8 ( 3 ) ：2 9 3 0 1 1 a t a b i e i ，a s v e n s o n ，m h a r g a r v e ，l b a n k “i m p a c tp e r f o r m a n c e o f p u l t r u d e d b e a m sf o r h i g h w a ys a f e t ya p p l i c a t i o n s ”c o m p o s i t e s t r u c t u r e 1 9 9 8 ，4 2 ：2 31 2 3 7 12 l c b a n k ，t r g e n t r y “d e v e l o p m e n to fap u l t r u d e dc o m p o s i t em a t e r i a l h i g h w a yg u a r d r a i l ”c o m p o s i t e 2 0 0 l ：l 3 2 9 - 13 3 8 l3s t o u t d j h i n c ha n d t l y a n g “f o r c e d e f l e c t i o nc h a r a c t e r i s t i cso f g u a r d r a i lp o s t ”r e p o r tf h w a r d 一8 8 一1 9 3 f h w a u s d e p a r t m e n t o f t r a n s p o r t a t i o n ，l 9 8 8 1 4 丁桦，王剑文，储劲草等玻璃钢护栏立柱的研究和设计中国公路 工程咨询监理总公司1 9 9 4 1 5c h u c k a p l a x i c o ，g r e g o r y s p a t z n e r ，a n d m a l c o l m h r a y “f i n i t e - e l e m e n t m o d e l i n g o f g u a r d r a i l t i m b e r p o s t sa n dt h e p o s t s o i l 华南理工大学工学硕士学位论文 i n t e r a c t i o n ”t r a n s p o r t a t l 0 n r e s e a r c h r e c o r d 1 9 9 8 ： l3 9 - 1 4 6 1 6 丁桦，贾日学等汽车与护栏碰撞特性研究一车与波形梁碰撞过程的 力学模型中国公路学报，19 9 6 ( 7 ) 1 7 刘少源高速公路汽车与护栏碰撞的简化计算方法一柔性梁法公 路交通科技，1 9 9 5 ( 6 ) ：2 6 3 4 l8 岳玉文欧洲的护栏高速公路与汽车( 日本) 1 9 8 9 ，3 2 ( 5 ) 1 9 e r p o s t ，t j h i r s c h ，g g h a y e s a n dj f n i x o n “v e h i c l ec r a s h t e s ta n d e v a l u a t i o no fm e d i a nb a r r i e r s f o rt e x a s h i g h w a y s h i g h w a y r e s e a r c hr e c o r d4 6 0 1 9 7 3 ：9 7 1 13 2 0b o n s t a d ，m e a n dm i c h i e ，j d “r e c o m m e n d e d p r o c e d u r e s f o rv e h i c l e c r a s ht e s t i n go fh i g h w a ya p p u r t e n a n c e s ”n c h r pr e p o r t1 5 3 ，1 9 7 4 ：1 9 2 lj d m i c h i e “r e c o m m e n d e d p r o c e d u r e sf o r s a f e t yp e r f o r m a n c e e v a l u a t i o no fh i g h w a ya p p ur t e n a n c e s ”n c h r pr e p o r t 2 3 0 ，l9 8 0 2 2 车两用防护栅标准仕样同解说日本道路协会平成1 1 年3 月( 1 9 9 9 年) 2 3 王忠仁高速公路中央分隔带护栏形式选择公路交通科技1 9 9 9 ， 1 6 2 4 何勇我国的护栏设计条件及波形梁护栏结构机理公路交通科技， 1 9 9 4 ( 2 ) ：3 0 3 5 2 5 李华高速公路组合型护栏特性及其变形计算公路交通科 技1 9 9 7 ，14 ( 4 ) ：2 9 3 2 5 8 u s i n g b a r r i e rv i i ”t r a n s p o r t a t i o nr e s e a r c hr e c o r d 1 9 9 0 31r o n a l dk f a i l e r j o h nd r e i da n dj o h n r r o h d e “a p p r o a c hg u a r d r a i l t r a n s i t i o nf o rc o n c r e t e s a f e t ys h a p e b a r r i e r s ”t r a n s p o r t a t i o n r e s e a r c hr e c o r d 1 9 9 8 ：1 1 l 一1 2 l 3 2 刘辉义，方文红护栏热浸镀5 5 5 5 a 卜z n 一1 5 s i 合金工艺技术 热加工工艺2 0 0 0 ( 1 ) ：5 9 3 3 张颖夏静电粉末喷涂工艺在高速公路护栏生产中的应用现代涂料 与涂装2 0 0 0 ( 2 ) 3 4 安玉宏，童卓国高速公路波形钢护栏浸铝工艺研究武汉交通科技 大学学报1 9 9 8 ，2 2 ( 5 ) ：4 9 8 5 0 1 3