車_混凝土護欄碰撞基本原理與沖擊力計算

1、* 文章編號 :1001-7291(2001 06-0075-03 文獻標識碼 :B車 混凝土護欄碰撞基本原理與沖擊力計算p 石紅星 (同濟大學道路與交通工程系 上海 200092 p 白書鋒 (北京深華科交通工程有限公司 北京 100071 p 呂偉民 (同濟大學道路與交通工程系 上海 200092摘要 :介紹了公路混凝土護欄的分類 、 碰撞機理以及已有的沖擊力計算方法 。 對已有方法加 以評價 , 找到更為適宜的沖擊力計算方法 , 使之計算更為科學和實用 。 通過 6輛車的實車碰撞實 驗結(jié)果驗證 , 證實了此法的有效性 。關(guān)鍵詞 :混凝土護欄 ; 碰撞 ; 沖擊力1 混凝土護欄的分類混凝土

2、護欄是剛性護欄 , 為重要的交通安全設(shè)施 之一 , 起著減小 經(jīng)濟損失和挽救乘員生 命安全的作 用。目前常用的混凝 土護欄大致可以 分為 NJ 型、 F型、單坡面型、直壁式和可移動護欄 (見圖 1 1, 2。圖 1 混凝土護欄示意目前國內(nèi)外普遍使用的是 NJ 型護欄 , 即新澤西 護欄 , 它的下坡面坡度小 , 有利于車輛 的爬高與轉(zhuǎn) 向 , 對減小車輛損害有利。但當車速高或車輛質(zhì)量大 時 , 碰撞的危害性大 , 容易導(dǎo)致車輛傾覆或車體嚴重 破壞。這在我國的路用實踐中也得到證明 , 交通部也 曾下文不推薦使用 NJ 型護欄。與之相類似的是通用 汽車型 (GM , 但因其變坡點距地面過高 , 容

3、易導(dǎo)致 小車爬升過高而失穩(wěn) , 因而不再繼續(xù)使用。 F 型護欄 是 NJ 型的改進形式 , 主要是變坡點較 NJ 型小 75mm, 減小了車輛的爬高 , 這二者的豎直面與直壁式豎向墻 相似 , 提供了瀝青混合料的鋪面空間 , 為舊路修補施 工提供了方便。單坡式護欄與直壁式也均見于日本的 規(guī)范 , 只是具體形式與美國略有不同 , 二者的性能對 路面加鋪不敏感 , 而且不需在加鋪路面后重設(shè)護欄。 可移動式護欄一般用于防止車輛對施工人員的傷害 , 采用預(yù)制的混凝土護欄在 施工現(xiàn)場連接 , 可重復(fù)使 用。另外 , 還有反坡面式護欄 , 用來保證車輛的穩(wěn)定性 , 但只用于低速道路。2 混凝土護欄的防撞機

4、理及設(shè)計參數(shù)混凝土護欄與車輛的碰撞是一個很復(fù)雜的過程。 現(xiàn)以最常用的新澤西護欄為例來進行說明。當車輛與 護欄接觸時 , 首先是保險杠與護欄接觸而受壓 , 上坡 面擠壓保險杠使之變形 , 產(chǎn)生向上的提升力 , 下斜面 擠壓汽車的懸架系統(tǒng)也會使之提升 , 從而將汽車的動 能部分轉(zhuǎn)化為勢能。在這個過程中 , 由剛體的動量矩 定理 , 車體后部有向護欄靠近的趨勢 , 從而使車體導(dǎo) 向。車體與護欄平行后沿護欄滑行 , 然后以一定角度 脫離護欄。與鋼護欄主要由護欄自身吸收碰撞能量不 同 , 它通過能量的轉(zhuǎn)換達到減小汽車損害的目的 , 因 為這種護欄允許車輛在下部斜面向上爬升而減少了車 輛的損壞 , 所以得

5、到廣泛使用。護欄的主要設(shè)計參數(shù)有高度、坡度和埋深等。現(xiàn) 分別就設(shè)計中應(yīng)予以注意的問題加以說明。高度主要 由防止車輛向外傾覆而設(shè)定 ; 變坡點高度則是根據(jù)小 車爬升后的穩(wěn)定性確定的 ; 此類護欄的角度根據(jù)大量 計算機模擬和足尺碰撞試驗后確定 , 基本難以加以優(yōu) 化 ; 在經(jīng)受重車撞擊時 , 要驗算局部應(yīng)力 , 必要時頂 端要加強以保證護欄的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性 ; 護欄與車輪的摩 擦力會大大增加車輛的提升使車輛失穩(wěn) , 因此護欄的 表面必須光滑 ; 車輛要沿護欄滑行 , 所以混凝土護欄 上不能有指示牌、燈柱等 ; 護欄設(shè)計中還要驗算護欄 的傾覆、滑移等條件來保證埋深 , 這也是我國規(guī)范中 所沒有涉及到的。

6、 3 研究方法回顧沖擊力是護欄設(shè)計中非常重要的參數(shù) , 其數(shù)值的 大小要用來計算鋼筋混凝土護欄配筋 和混凝土的厚 度 , 驗算橋梁護欄以及翼緣板的配筋量 , 校驗護欄的 傾覆與滑移等。因而正確的沖擊力大小是護欄設(shè)計的 基礎(chǔ) , 不僅 要經(jīng)過嚴格驗證 , 而且要使用 方便。當?shù)?6期 (總第 133期 華 東 公 路 No. 6(Total No. 1332001年 12月 20日 E AST C HINA HIGHW AY December 2001前 , 國內(nèi)外對護欄局限于靜力或定性分析 , 而動力學 分析是正確合理的設(shè)計護欄所必不可少的。目前規(guī)范采用的是偽靜力模型 , 即假定從碰撞到 車輛

7、與護欄碰 撞過程中 , 車 體的縱、橫 向加速度不 變 ; 忽略豎向及轉(zhuǎn)動加速度 ; 車體與護欄平行時橫向 加速度為 0; 忽略摩擦 ; 護欄變形為 0。結(jié)果得到碰 撞過程中的平均值 , 而最大值根據(jù)經(jīng)驗 乘上一個系數(shù) , 具有一定的隨意性 4。質(zhì)量彈簧模型把護欄簡化為一定寬度的懸臂受彎 構(gòu)件 3, 以彈性系數(shù) K 1表征其變形 , 汽車簡化為可 變形的剛體 , 忽略阻尼作用 , 車體的彈 性模量采用K 2=(010491H 2+01140H m 2來表示 , 其中 H 為初始碰撞角?，F(xiàn)為了使它的形式與物理意義更為明 確、直觀 , 將它簡化為雙自由度系統(tǒng)模型。圖 2 雙自由度模型示意護欄的有效

8、質(zhì)量為 m 1, 彈性模量為 k 1, 車輛質(zhì)量為 m 2, 彈性模量為 k 2, 忽略阻尼作用 , 護欄位移 為 x 1, 車輛位移為 x 2, 運動方程式為 :m 1&x 1+(k 1+k 2 x 1-k 2x 2=0m 2&x 2-k 2x 1+k 2x 2=0初始條件 :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 , 可以簡化為求解以下的方程組 :&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方程的解為 :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 則可求出沖撞力為 :F =k 2(x 2-x 1編程后經(jīng) 過 比 較 運 算 發(fā) 現(xiàn) , 當護 欄 的 模 量 在 1E 6MPa 以上時 , 對護欄的最大碰撞 力的大小基本 沒有影響 , 而且護欄的質(zhì)量影響也很小 , 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 時碰撞力為 19416kN, 如果 k 1=3E 8N P m 而其他條件不變 , 碰撞力為 20014kN 。圖 3 單自由度模型示意4 沖擊力簡化模型通過以上分析可知 , 護欄特性對沖擊力計算影響 小 , 可以忽略。因此 , 采用單自由度模型 (見圖 3 , 車輛質(zhì)量和彈性模量分別為 m 、 k , 形式上更為簡單 明了 , 而且忽略護欄的變形后計算結(jié)果更為保守 , 適 于護欄的設(shè)計。但是當要驗證護欄的變形時 , 還是要 用雙自由度模型 , 具體可以根據(jù)實際情況而定。根據(jù)無阻尼單自由度自由振動

11、微分方程為 :m &x +kx =0則最大沖擊力為 :F max =mkV , 其中 V 是速度的橫向分量。根據(jù)文獻 3提供的車輛彈性模量的公式 , 計算數(shù) 值與實測值相差較大 , 甚至幾倍 (見表 1 , 因此要 對 k 重新 取值 , 通過對一些資料的回 歸分析 , 建議 采用以下公式。 k =010003m H +010121m +015517H +16417978(kN P m式中 m 為車體的自重 ;H 為初始碰撞角。表 1計算結(jié)果與規(guī)范中測定值的比較 4質(zhì)量 (kg 布盧姆試驗值(kN布什試驗值 (kN 文獻 3結(jié)果(kN本法計算值111279513102919為驗證此彈性

12、模量公式的正確性 , 將其計算結(jié)果 同規(guī)范4的數(shù)值進行比較 , 見表 1(車輛以 96km P h速度 , 15b 角沖擊護欄 。由表 1可知 , 此公式的計算精度較高 , 適于最大沖擊力的計算。下面以文獻 3試 驗舉例說明本模型的計算過程。已知條件為 :汽車自重 3800kg, 載重后總重量 為 6800kg, 以 35km P h 的速度和 35b 角撞向護欄 , 可 知 :k =010003380035+0101213800+01551735+16417978=270kN P m, 代入可得 :76 華 東 公 路 2001年第 6期F max =6800270000(35P 316 s

13、in (35P P 180 P 1000=23819kN, 與測 定值 240kN 相 差極小。 表 2足尺實驗結(jié)果比較序號 自重 (kg 總重 (kg 速度 (km P h 角度 實測力 (kN 結(jié)算結(jié)果13000200008621117971678415北京深華科交通工程有限公司在 2001年開發(fā)橋 梁混凝土護欄時進行了實車碰撞實驗 , 其中包括小轎 車、皮卡、大客車與卡車 , 現(xiàn)將部分實驗結(jié)果與模型 計算結(jié)果作進一步校驗 (見表 2 , 可知本模型與實際相差小 , 可用于護欄的設(shè)計。 5 結(jié) 語通過對汽車碰撞過程的簡化 , 單自由度系統(tǒng)模型 較好地反映了車體與混凝土護欄的碰撞過程 , 用

14、于最 大沖擊力的計算精度較高 , 更具科學性 , 有很大的應(yīng) 用價值。參考文獻1Charles F. M cDevitt. Basics of Concrete Barriers. F WHA Reports,2000, Washington, D. C2社團法人 1車輛用防護柵標準式 樣 1同解說 1日本 道路協(xié)會 , 平成 11年 3月3張譽 , 趙明 1汽車 沖撞剛 性護欄 沖擊力 的計算 1土木 工程學 報 ,1995, 64高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī) 范 1北 京 :人民交通 出版社 , 1994p簡 訊p5華 東 公 路 6來 稿 簡 則1 來稿111 來稿一式兩份 ,

15、應(yīng)符合科技論文寫作之基本要求 , 作者自留底稿 。 可能的話 , 請附工程項目的彩 色照片 。112 來稿注明作者個人信息 (姓名 、 性別 、 出生年月 、 學 歷 、 學位 、 技術(shù)職 稱 、 簡歷以及 研究課 題 、 基 金項目 編號 、 單位和部門全稱 、 地址 、 電話 、 電子信箱及郵編等 。113 署名者應(yīng)為稿件執(zhí)筆人或稿件內(nèi)容的主要負責者 。 署名人數(shù)一般不超 過 6人 。 114 稿件可能涉及保密資料時應(yīng)由作者單位出具非泄密證明 。 115 凡已被國內(nèi)外其他刊物錄用的稿件本刊不再受理 。116 來稿一經(jīng)采用 , 本刊即寄用稿通知 , 稍后寄樣刊和稿酬 。 2 稿件選用和要求2

16、11 稿件由第一作者文責自負 。212 選用稿件篇幅以論文 3頁 4頁 (6000字 8000字 ; 短文 1頁 2頁 (2000字 4000字 為限 。 213 本刊版面為大 16開 (A4 , 分欄排版 , 版心為 18cm 25cm 。214 正文章節(jié)編號采用三級標 題頂格 排序 。 一級標 題形 如 1, 2, 3, 排序 , 二級標 題形 如 111, 112, ; 211, 212, 排 序 ; 三級標題形如 11111, 11112, ; 21111, 21112, 排序 , 引言不排序 。 215 插圖一般不超過 10幅 , 須符合制圖規(guī)范 , 寫清圖號圖名 。216 物理量和

17、計量單位必須符合國家標準和國際標準 。 對 外文字母 和文種 、 字體和 大小寫 、 上下 角標及易混 的字母 應(yīng) 書寫清楚 , 并用鉛筆作出標注 。217 參考文獻限于作者親自閱讀 、 本文明確引用 、 公開發(fā) 表者 。 文獻全 部列入文后 , 按 文中出現(xiàn) 的先后次 序編號 , 在 文內(nèi)右上角注明序號 。 文獻著錄格式如下 :期刊 :作者 1文題 1刊名 , 出版年份 , 卷 (期 :起止頁碼專著 :作者 1書名 1譯者 1版次 (第 1版不注 1出版地 :出版單位 , 出版年份 1起止頁碼論文集 :作者 1文題 1見 :論文集編者 1論 文集名稱 1出版地 :出版單位 , 出版年份 1起止頁碼 學位論文 :作者 1文題 :學位論文 1保存地