摘 要：为提高公路行车安全性、降低建造成本和节约资源，以交通工程、计算机技术为基础，围绕公路水泥混凝土护栏吸收汽车碰撞能量，采用LS-DYNA仿真方法构建水泥混凝土护栏模型，分析不同橡胶颗粒掺量下水泥混凝土护栏与车辆碰撞时汽车的能量、加速度、应力等相互关系，得到不同橡胶颗粒掺量下水泥混凝土护栏能量传递规律，行车道、垂直行车道和高度方向的加速度时程关系曲线，护栏承受的最大压力、应力等值。测得普通混凝土刚性护栏碰撞过程中汽车的最大压力值为28.10×108N，最大应力值为500MPa，汽车发生变形。当混凝土中细骨料依次换成10%、15%、20%的橡胶颗粒后，混凝土的弹性模量逐渐降低，使得汽车的动能损失量增大、加速度改变量减小、汽车所受最大压力逐渐减小，混凝土护栏能满足防护要求，并通过非线性拟合确定了橡胶颗粒最佳掺量为20%。橡胶混凝土护栏增加了汽车碰撞能量的吸收量，减少事故发生的严重程度，为公路交通生命安全防护设施的研究提供思路。
关键词：公路护栏;行车安全;橡胶颗粒;仿真试验;混凝土护栏;
作者简介：耿斌斌（1975—），男，河北人，高级工程师，研究方向为公路工程。;
0 引言公路护栏在被汽车撞击后能够将碰撞车辆引导回正常路线，防止车辆越出路外或进入对向车道，同时可以吸收部分碰撞能量以降低对车内乘员的伤害，因此提高护栏的撞击安全性能具有重要意义[1,2,3]。而目前山区农村由于道路建设资金不足的制约，现有的护栏往往采用刚性混凝土结构，车辆发生碰撞时易对车内人员安全产生威胁，难以起到很好的防护效果。同时，刚性护栏在碰撞过程中一般不会发生变形，不具备弹性碰撞的防护功能[4,5,6]。橡胶混凝土作为新型混凝土材料之一，具有良好的弹性和抗冲击性[7]。因此，可从刚性护栏的材料属性出发，研究刚性护栏的优化设计。
目前国内外对农村公路路侧护栏进行优化设计的研究较少，本文从材料属性方面着手，结合道路交通安全防护设施相关规范和细则，设计一种新型橡胶混凝土刚性护栏。
1 橡胶混凝土护栏参数的选择1.1 护栏类型及防护等级的确定通过对比分析F型护栏、加强型护栏和单坡型护栏的碰撞特征，本研究最终决定采用F型混凝土护栏。相关学者研究表明，3级和2级防护等级护栏就可满足山区农村大多数三、四级公路对护栏的需要[8]，因此试验选择的防护等级为3级，且护栏高度需大于81cm。
1.2 碰撞点及碰撞角度的选择(1）根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）规定的公路事故车辆碰撞位置和护栏长度的相关参数[9,10]，车辆碰撞点的位置一般设在与护栏起点的距离为1/3护栏长度的地方；同时，若为刚性护栏，长度的取值则大于40m，若是半刚性护栏，长度的取值则大于70m。护栏标准段碰撞的位置如图1所示。
图1 碰撞点的具体位置示意图 下载原图
(2）车身与护栏碰撞角度取20°。由于不是实车足尺试验，山区农村公路危险路段的护栏模型长度选择为10m，碰撞点根据整个长度取1/3的原则，大约为3m。
1.3 橡胶混凝土参数的选择选用0.36的水灰比以及直径为3～5mm范围的橡胶颗粒，为获得C30以上具有较高弹性和韧性的橡胶混凝土，对照组混凝土选用钻牌P·O 42.5R普通硅酸盐水泥混凝土。橡胶掺量分别以10%、15%、20%等体积代替细骨料砂，橡胶颗粒是由废旧轮胎垫经机械破碎、筛分、清洗、除尘后采用[11,12]，如图2所示。试验用橡胶混凝土的相关属性如表1所示。
图2 橡胶颗粒 下载原图
表1 橡胶混凝土各个参数具体值 下载原图
利用LS-DYNA软件对护栏碰撞的初速度、碰撞角度、材料定义、约束定义、控制输出等关键字进行定义[13]，即：
(1）在此试验中，采用壳单元来定义车辆，取车皮厚度为0.8mm，车轮如果要与实际情况相接近，轮胎材料应选择使用橡胶材料，可以定义×AIRBAG＿SIM⁃PLE＿PRESSURE＿VOLUM关键字，并按实际情况设定轮胎气压。
(2）由于本文对汽车的定义较为简单，使用整体为BH钢板结构，车轮不可滚动，模拟刹车情况下车辆的运动轨迹。车辆与路面板和护栏之间的接触定义为面面接触，动、静摩擦系数经查资料都取0.5，关键字为×CONTACT＿AUTOMATIC＿SURFACE＿TO＿SURFACE。
(3）护栏中混凝土与钢筋之间的接触定义为tied接触，关键字为×CONTACT＿TIED＿AUTOMATIC＿SUR⁃FACE＿TO＿SURFACE。
(4）四个部分的材料都定义为×MAT＿PLASTIC＿KI⁃NEMATIC＿TITLE模型。
(5）路的两端和底部采用关键字×BOUND⁃ARY＿SPC＿SET建立固定约束。
(6）定义控制卡片，使小车的速度为100m/s，重量为10t，最后定义输出卡片，输出碰撞过程中各部分的能量变化、各个方向的位移、作用力大小、调整汽车与护栏角度为20°，汽车重量为1.5t，速度为100km/h，即27.7m/s。
(7) LS-DYNA中没有单位的显示，因此要采用统一的单位，此处用的基本单位分别为kg、m和s。
2.2 模型的建立及网格的划分此模型主要分为除钢筋外的护栏、路面铺装和轿车，利用UG三维模型软件建立模型[14]；用hypermesh软件划分网格，将划好网格的文件在hypermesh中导出为K文件，以便在LS-DYNA中打开。
3 橡胶混凝土护栏力学性能分析3.1 对照组刚性护栏仿真结果与分析进行刚性护栏仿真试验，碰撞时的能量变化和碰撞时的加速度变化分别见图3、图4。
由图3可得，汽车动能最开始为1.38×106J，碰撞后变为1.21×106J，汽车动能下降了0.17×106J。碰撞过程大约发生0.005s～0.012 5s左右，共0.007 5s。由于碰撞过程中汽车的动能有一部分逐渐转化为内能，故汽车的内能从0逐渐增大到60×103J。汽车总的能量有所损失，主要是由于汽车与路面、护栏间都有摩擦。
由图4可得，汽车沿行车道方向加速度在碰撞瞬间负方向增加至8.2m/s2，沿垂直于行车道方向加速度在碰撞瞬间负方向增加至8.4m/s2，沿高度方向加速度在碰撞瞬间负方向增加至0.9m/s2。汽车在碰撞时加速度都为负值，说明车辆速度减小，沿高度方向有了负值加速度，说明汽车有向上的趋势或者已经向上走。汽车所受压力云图与应力云图如图5所示。
图3 碰撞时能量变化 下载原图
图4 碰撞时加速度变化 下载原图
图5 碰撞时最大压力与应力 下载原图
由图5可得，碰撞过程中汽车的最大压力范围值为28.10×108N，最大应力为500MPa。
3.2 10%、15%及20%掺量的橡胶混凝土护栏仿真结果与分析将混凝土中细骨料依次换成10%、15%、20%的橡胶颗粒，进行橡胶混凝土护栏仿真试验，试验组碰撞时各参数改变量见表2。
表2 试验组碰撞时各参数改变量 下载原图
由表2可得，混凝土中细骨料依次换成10%、15%、20%的橡胶颗粒后，虽然降低了橡胶混凝土的抗压强度，但护栏在碰撞发生后依然相对完整，车辆不会冲出护栏外，能够满足防护要求。无论用以上哪种掺量，碰撞过程所用时间极短，约为0.01s，变化不大。随着橡胶掺量的增加，汽车的动能损失增加，内能逐渐增加，总能量损失增加，说明随着橡胶的掺量增加，橡胶混凝土的吸能能力增强；随着橡胶颗粒掺量的增加，车辆沿行车道方向加速度改变量减小，沿高度方向加速度改变量减小，沿垂直于行车道方向加速度改变量减小；随着橡胶颗粒掺量的增加，汽车所受到的最大压力值逐渐减小；最大应力值没有发生变化，都超过了汽车所用BH钢板的强度值，因此汽车都会发生破坏。
3.3 仿真参数综合分析为确定橡胶混凝土护栏中橡胶颗粒的最佳掺量，通过将四种橡胶颗粒掺量分别与总能量损失、最大压力值进行非线性拟合，得到相应的关系模型如表3所示，相应的拟合曲线如图6和图7所示。
表3 橡胶掺量与总能量损失、最大压力值关系模型 下载原图
式（1)～(2）中：y1为总能量损失；y2为最大压力值；x为橡胶掺量。
可得总能量损失、最大压力值与橡胶掺量的关系模型。
对于总能量损失，(a,b,c)=(-0.00003,0.002,0.100);对于最大压力值，(a,b,c)=(0.074,-2.707,27.862)。根据总能量损失、最大压力值与橡胶掺量的关系模型，可以得到某一橡胶掺量下的汽车的总能量损失和最大压力值，为后续研究提供参考。
图6 总能量损失拟合曲线 下载原图
图7 最大压力值拟合曲线 下载原图
由图6可得，汽车的总能量损失随着橡胶掺量的增加而增加，且汽车总能量损失的增加趋势逐渐变缓；由图7可得，汽车的最大压力值随着橡胶掺量的增加而减小，且汽车的最大压力值减小逐渐变缓。
综合分析汽车的总能量损失和最大压力值，说明橡胶混凝土护栏的减少事故发生严重程度的能力随着橡胶掺量的增加而增加，但增加趋势逐渐减小。并考虑到实际工程的操作便利性以及橡胶掺量过高会影响橡胶混凝土护栏的抗压强度，对于发生事故后橡胶混凝土护栏保持完整性不利，容易造成车辆冲出护栏外，发生危险。因此，确定橡胶混凝土护栏中橡胶最佳掺量为20%。
4 结论本文通过仿真分析，得到以下结论：
(1）普通混凝土刚性护栏碰撞过程中汽车的最大压力值为28.10×108N，最大应力值为500MPa，汽车发生变形；
(2）不同橡胶颗粒掺量下水泥混凝土护栏能量传递规律，随着橡胶颗粒的增加混凝土的弹性模量逐渐降低，汽车的动能损失量增大、内能增加量增大、总能量损失量增加；
(3）不同橡胶颗粒掺量下沿行车道方向加速度、沿垂直行车道方向加速度、沿高度方向加速度的时程关系曲线，随着橡胶颗粒掺量的增加，三个方向的加速度改变量均呈现减小趋势；
(4）护栏承受的最大压力、应力等值，当混凝土中细骨料中添加橡胶颗粒后，汽车所受最大压力逐渐减小，但护栏在碰撞发生后依然相对完整，车辆不会冲出护栏外，能够满足防护要求；
(5）分别对总能量损失、最大压力值与橡胶掺量进行非线性拟合，确定橡胶最佳掺量为20%。
橡胶混凝土护栏的应用能够减少事故发生的严重程度，提高了废旧橡胶颗粒在交通设施中的利用率，具有广阔的应用前景。
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