车_混凝土护栏碰撞基本原理与冲击力计算

1、* 文章编号 :1001-7291(2001 06-0075-03 文献标识码 :B车 混凝土护栏碰撞基本原理与冲击力计算p 石红星 (同济大学道路与交通工程系 上海 200092 p 白书锋 (北京深华科交通工程有限公司 北京 100071 p 吕伟民 (同济大学道路与交通工程系 上海 200092摘要 :介绍了公路混凝土护栏的分类 、 碰撞机理以及已有的冲击力计算方法 。 对已有方法加 以评价 , 找到更为适宜的冲击力计算方法 , 使之计算更为科学和实用 。 通过 6辆车的实车碰撞实 验结果验证 , 证实了此法的有效性 。关键词 :混凝土护栏 ; 碰撞 ; 冲击力1 混凝土护栏的分类混凝土

2、护栏是刚性护栏 , 为重要的交通安全设施 之一 , 起着减小 经济损失和挽救乘员生 命安全的作 用。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 (见图 1 1, 2。图 1 混凝土护栏示意目前国内外普遍使用的是 NJ 型护栏 , 即新泽西 护栏 , 它的下坡面坡度小 , 有利于车辆 的爬高与转 向 , 对减小车辆损害有利。但当车速高或车辆质量大 时 , 碰撞的危害性大 , 容易导致车辆倾覆或车体严重 破坏。这在我国的路用实践中也得到证明 , 交通部也 曾下文不推荐使用 NJ 型护栏。与之相类似的是通用 汽车型 (GM , 但因其变坡点距地面过高 , 容

3、易导致 小车爬升过高而失稳 , 因而不再继续使用。 F 型护栏 是 NJ 型的改进形式 , 主要是变坡点较 NJ 型小 75mm, 减小了车辆的爬高 , 这二者的竖直面与直壁式竖向墙 相似 , 提供了沥青混合料的铺面空间 , 为旧路修补施 工提供了方便。单坡式护栏与直壁式也均见于日本的 规范 , 只是具体形式与美国略有不同 , 二者的性能对 路面加铺不敏感 , 而且不需在加铺路面后重设护栏。 可移动式护栏一般用于防止车辆对施工人员的伤害 , 采用预制的混凝土护栏在 施工现场连接 , 可重复使 用。另外 , 还有反坡面式护栏 , 用来保证车辆的稳定性 , 但只用于低速道路。2 混凝土护栏的防撞机

4、理及设计参数混凝土护栏与车辆的碰撞是一个很复杂的过程。 现以最常用的新泽西护栏为例来进行说明。当车辆与 护栏接触时 , 首先是保险杠与护栏接触而受压 , 上坡 面挤压保险杠使之变形 , 产生向上的提升力 , 下斜面 挤压汽车的悬架系统也会使之提升 , 从而将汽车的动 能部分转化为势能。在这个过程中 , 由刚体的动量矩 定理 , 车体后部有向护栏靠近的趋势 , 从而使车体导 向。车体与护栏平行后沿护栏滑行 , 然后以一定角度 脱离护栏。与钢护栏主要由护栏自身吸收碰撞能量不 同 , 它通过能量的转换达到减小汽车损害的目的 , 因 为这种护栏允许车辆在下部斜面向上爬升而减少了车 辆的损坏 , 所以得

5、到广泛使用。护栏的主要设计参数有高度、坡度和埋深等。现 分别就设计中应予以注意的问题加以说明。高度主要 由防止车辆向外倾覆而设定 ; 变坡点高度则是根据小 车爬升后的稳定性确定的 ; 此类护栏的角度根据大量 计算机模拟和足尺碰撞试验后确定 , 基本难以加以优 化 ; 在经受重车撞击时 , 要验算局部应力 , 必要时顶 端要加强以保证护栏的结构稳定性 ; 护栏与车轮的摩 擦力会大大增加车辆的提升使车辆失稳 , 因此护栏的 表面必须光滑 ; 车辆要沿护栏滑行 , 所以混凝土护栏 上不能有指示牌、灯柱等 ; 护栏设计中还要验算护栏 的倾覆、滑移等条件来保证埋深 , 这也是我国规范中 所没有涉及到的。

6、 3 研究方法回顾冲击力是护栏设计中非常重要的参数 , 其数值的 大小要用来计算钢筋混凝土护栏配筋 和混凝土的厚 度 , 验算桥梁护栏以及翼缘板的配筋量 , 校验护栏的 倾覆与滑移等。因而正确的冲击力大小是护栏设计的 基础 , 不仅 要经过严格验证 , 而且要使用 方便。当第 6期 (总第 133期 华 东 公 路 No. 6(Total No. 1332001年 12月 20日 E AST C HINA HIGHW AY December 2001前 , 国内外对护栏局限于静力或定性分析 , 而动力学 分析是正确合理的设计护栏所必不可少的。目前规范采用的是伪静力模型 , 即假定从碰撞到 车辆

7、与护栏碰 撞过程中 , 车 体的纵、横 向加速度不 变 ; 忽略竖向及转动加速度 ; 车体与护栏平行时横向 加速度为 0; 忽略摩擦 ; 护栏变形为 0。结果得到碰 撞过程中的平均值 , 而最大值根据经验 乘上一个系数 , 具有一定的随意性 4。质量弹簧模型把护栏简化为一定宽度的悬臂受弯 构件 3, 以弹性系数 K 1表征其变形 , 汽车简化为可 变形的刚体 , 忽略阻尼作用 , 车体的弹 性模量采用K 2=(010491H 2+01140H m 2来表示 , 其中 H 为初始碰撞角。现为了使它的形式与物理意义更为明 确、直观 , 将它简化为双自由度系统模型。图 2 双自由度模型示意护栏的有效

8、质量为 m 1, 弹性模量为 k 1, 车辆质量为 m 2, 弹性模量为 k 2, 忽略阻尼作用 , 护栏位移 为 x 1, 车辆位移为 x 2, 运动方程式为 :m 1&x 1+(k 1+k 2 x 1-k 2x 2=0m 2&x 2-k 2x 1+k 2x 2=0初始条件 :x 1=0, x 2=0, ¤x 1=0, ¤x 2=V 0。 令 k 1+k 2m 1=a , k 2m 1=b , k 2m 2=c , 可以简化为求解以下的方程组 :&x 1+ax 1-b x 2=0&x 1-cx 1+cx 2=0可得 :X 21, 2=2&#

9、186;(2 2+bc , =A (1 1A 2=A -w 1=c -X 21c =A (21A2=A -X2=c -X 22c方程的解为 :x 1=T 01(C -C sin (X 1t +T 02(C -C sin (X 2t x 2=C (1 T 01(C -C sin (X 1t +C (2 T 0 2sin (X 2t 则可求出冲撞力为 :F =k 2(x 2-x 1编程后经 过 比 较 运 算 发 现 , 当护 栏 的 模 量 在 1E 6MPa 以上时 , 对护栏的最大碰撞 力的大小基本 没有影响 , 而且护栏的质量影响也很小 , 例如 :k 1=3E6N P m, k 2=11

10、9E 5N P m, m 1=840kg, m 2=6800kg, v =515764m P s 时碰撞力为 19416kN, 如果 k 1=3E 8N P m 而其他条件不变 , 碰撞力为 20014kN 。图 3 单自由度模型示意4 冲击力简化模型通过以上分析可知 , 护栏特性对冲击力计算影响 小 , 可以忽略。因此 , 采用单自由度模型 (见图 3 , 车辆质量和弹性模量分别为 m 、 k , 形式上更为简单 明了 , 而且忽略护栏的变形后计算结果更为保守 , 适 于护栏的设计。但是当要验证护栏的变形时 , 还是要 用双自由度模型 , 具体可以根据实际情况而定。根据无阻尼单自由度自由振动

11、微分方程为 :m &x +kx =0则最大冲击力为 :F max =mkV , 其中 V 是速度的横向分量。根据文献 3提供的车辆弹性模量的公式 , 计算数 值与实测值相差较大 , 甚至几倍 (见表 1 , 因此要 对 k 重新 取值 , 通过对一些资料的回 归分析 , 建议 采用以下公式。 k =010003m H +010121m +015517H +16417978(kN P m式中 m 为车体的自重 ;H 为初始碰撞角。表 1计算结果与规范中测定值的比较 4质量 (kg 布卢姆试验值(kN布什试验值 (kN 文献 3结果(kN本法计算值111279513102919为验证此弹性

12、模量公式的正确性 , 将其计算结果 同规范4的数值进行比较 , 见表 1(车辆以 96km P h速度 , 15b 角冲击护栏 。由表 1可知 , 此公式的计算精度较高 , 适于最大冲击力的计算。下面以文献 3试 验举例说明本模型的计算过程。已知条件为 :汽车自重 3800kg, 载重后总重量 为 6800kg, 以 35km P h 的速度和 35b 角撞向护栏 , 可 知 :k =010003380035+0101213800+01551735+16417978=270kN P m, 代入可得 :76 华 东 公 路 2001年第 6期F max =6800270000(35P 316 s

13、in (35P P 180 P 1000=23819kN, 与测 定值 240kN 相 差极小。 表 2足尺实验结果比较序号 自重 (kg 总重 (kg 速度 (km P h 角度 实测力 (kN 结算结果13000200008621117971678415北京深华科交通工程有限公司在 2001年开发桥 梁混凝土护栏时进行了实车碰撞实验 , 其中包括小轿 车、皮卡、大客车与卡车 , 现将部分实验结果与模型 计算结果作进一步校验 (见表 2 , 可知本模型与实际相差小 , 可用于护栏的设计。 5 结 语通过对汽车碰撞过程的简化 , 单自由度系统模型 较好地反映了车体与混凝土护栏的碰撞过程 , 用

14、于最 大冲击力的计算精度较高 , 更具科学性 , 有很大的应 用价值。参考文献1Charles F. M cDevitt. Basics of Concrete Barriers. F WHA Reports,2000, Washington, D. C2社团法人 1车辆用防护栅标准式 样 1同解说 1日本 道路协会 , 平成 11年 3月3张誉 , 赵明 1汽车 冲撞刚 性护栏 冲击力 的计算 1土木 工程学 报 ,1995, 64高速公路交通安全设施设计及施工技术规 范 1北 京 :人民交通 出版社 , 1994p简 讯p5华 东 公 路 6来 稿 简 则1 来稿111 来稿一式两份 ,

15、应符合科技论文写作之基本要求 , 作者自留底稿 。 可能的话 , 请附工程项目的彩 色照片 。112 来稿注明作者个人信息 (姓名 、 性别 、 出生年月 、 学 历 、 学位 、 技术职 称 、 简历以及 研究课 题 、 基 金项目 编号 、 单位和部门全称 、 地址 、 电话 、 电子信箱及邮编等 。113 署名者应为稿件执笔人或稿件内容的主要负责者 。 署名人数一般不超 过 6人 。 114 稿件可能涉及保密资料时应由作者单位出具非泄密证明 。 115 凡已被国内外其他刊物录用的稿件本刊不再受理 。116 来稿一经采用 , 本刊即寄用稿通知 , 稍后寄样刊和稿酬 。 2 稿件选用和要求2

16、11 稿件由第一作者文责自负 。212 选用稿件篇幅以论文 3页 4页 (6000字 8000字 ; 短文 1页 2页 (2000字 4000字 为限 。 213 本刊版面为大 16开 (A4 , 分栏排版 , 版心为 18cm 25cm 。214 正文章节编号采用三级标 题顶格 排序 。 一级标 题形 如 1, 2, 3, 排序 , 二级标 题形 如 111, 112, ; 211, 212, 排 序 ; 三级标题形如 11111, 11112, ; 21111, 21112, 排序 , 引言不排序 。 215 插图一般不超过 10幅 , 须符合制图规范 , 写清图号图名 。216 物理量和

17、计量单位必须符合国家标准和国际标准 。 对 外文字母 和文种 、 字体和 大小写 、 上下 角标及易混 的字母 应 书写清楚 , 并用铅笔作出标注 。217 参考文献限于作者亲自阅读 、 本文明确引用 、 公开发 表者 。 文献全 部列入文后 , 按 文中出现 的先后次 序编号 , 在 文内右上角注明序号 。 文献著录格式如下 :期刊 :作者 1文题 1刊名 , 出版年份 , 卷 (期 :起止页码专著 :作者 1书名 1译者 1版次 (第 1版不注 1出版地 :出版单位 , 出版年份 1起止页码论文集 :作者 1文题 1见 :论文集编者 1论 文集名称 1出版地 :出版单位 , 出版年份 1起止页码 学位论文 :作者 1文题 :学位论文 1保存地