新型铝合金桥梁护栏安全性能研究

沈亚超，唐鸿洋，王洪卓，李海洋，刘 鹏

（辽宁忠旺集团有限公司，辽阳111003）

0 前言

在国家实施绿色公路建设计划中，交通部提出了废旧材料的循环再生利用、加强生态保护及突出全寿命周期成本的指导意见[1]。作为公路护栏材料，必须要考虑护栏的碰撞性能，铝合金作为21世纪的绿色节能材料，具有轻质、比强度高、吸能性能优良、耐腐蚀和挤压成形性好的特点，可满足新形势下国家公路建设和绿色交通对公路护栏材料的要求[2]。

国内学者对铝合金公路护栏设计和安全性能进行了初步研究。兰兴阳等[3]提出一种高强铝合金波形梁护栏结构，并基于材料的静态拉伸试验数据对护栏进行了碰撞仿真分析，结果显示护栏安全性能可满足现行规范中的A级防护等级要求。王超[4]以桥梁工程改建为背景，通过理论计算和仿真结合的方法对不同立柱间距的两种铝合金桥梁护栏在汽车碰撞荷载下的承载能力、使用性能进行了综合分析，研究发现合理选取立柱间距，铝合金护栏可代替传统钢制护栏。邰永刚[5]通过计算机仿真与实车碰撞试验验证的方法开发了一种铝合金梁柱-混凝土组合式桥梁护栏，该结构护栏能有效防止车辆脱逸且导向功能良好，仿真值与试验值误差率在15%左右。遗憾的是，目前在公路交通安全工程上铝合金护栏构件的设计仍然沿用传统钢制护栏构件的截面形式，没有充分利用铝合金优良的挤压成形性[6-9]。

为了将铝合金制造大截面薄壁中空挤压制品的优势应用于公路桥梁护栏并了解其所表现出来的碰撞性能，本文提出了一种新型铝合金桥梁护栏，通过计算机仿真的方法分析了护栏的碰撞性能，并对该护栏进行了安全性能评价，以期为公路桥梁工程上的护栏结构设计和研究提供参考。

1 护栏设计

新型公路桥梁护栏主要构件材料采用6061铝合金。这是一种热处理可强化铝合金，具有较高的比强度和良好的耐蚀性和可塑性，可制造大截面薄壁中空挤压制品[10-13]。材料静态拉伸应力-应变曲线如图1所示。护栏结构采用梁柱式，立柱由上下两部分大截面型材构成，通过插接的连接方式互相钳制形成拱形结构。立柱型材周壁壁厚12 mm，封闭空腔间的隔断壁厚8 mm，立柱纵向长度250 mm，立柱间距1.6 m。护栏设有2根横梁，断面呈蜂窝状，上横梁外径130 mm，下横梁外径140 mm，周壁壁厚8 mm，隔断壁厚5 mm，周壁设有一条T型滑槽。立柱与横梁之间采用T型螺栓连接固定，护栏重量约37.5kg/m，护栏结构及构件连接如图2所示。

图1 6061静态拉伸应力-应变曲线

图2 护栏构造图

2 碰撞仿真分析

仿真以护栏标准段为碰撞分析对象，设置长度75 m，碰撞条件如表1所示。材料属性按6061铝合金静态拉伸试验数据设置，如表2所示。对于护栏安全性能评价，采用小型客车检测其缓冲功能、导向功能和护栏最大横向动态变形值D，采用中型客车和中型货车检测其阻挡功能、导向功能和护栏最大横向动态变形值D[14]。

表1 护栏碰撞条件

表2 材料属性

2.1 小型客车碰撞

小型客车仿真碰撞护栏过程如图3和图4所示，从碰撞点至驶离点车辆的速度逐渐减缓，在车辆驶出驶离点后，没有越出导向驶出框外线，说明护栏导向功能良好。车辆碰撞速度和碰撞后加速度曲线分别如图5和图6所示，小型客车最大纵向碰撞速度为11.3 m/s，最大横向碰撞速度为5.5 m/s，碰撞后车辆最大纵向加速度为147.5 m/s，最大横向加速度为126.9 m/s，均未超过护栏缓冲评价指标。护栏最大横向动态变形发生在下横梁位置，其值为4.5 mm；下横梁的塑性应变最大值为2.9%，未超过材料的断裂伸长率10%，护栏碰撞位移及塑性应变云图如图7和图8所示。

图3 小型客车碰撞护栏过程

图4 小型客车轨迹导向驶出框

图5 小型客车碰撞速度曲线

图6 小型客车碰撞加速度曲线

图7 小型客车碰撞护栏位移云图

图8 小型客车碰撞护栏塑性应变云图

2.2 中型客车碰撞

在中型客车仿真碰撞护栏过程中，起初车辆头部和尾部多次循环交替碰撞护栏，末尾随着车辆速度减慢，车辆一直刮蹭护栏向前驶进；碰撞过程中护栏构件之间连接状态较好，没有发生脱离现象，符合护栏的安全性能评价指标，如图9和图10所示。护栏最大横向动态变形为13.2 mm，发生在上横梁位置，其塑性应变最大值为0.9%，远未达到材料的断裂伸长率10%，护栏碰撞位移及塑性应变云图如图11和图12所示。

图9 中型客车碰撞护栏过程

图10 中型客车轨迹导向驶出框

图11 中型客车碰撞护栏位移云图

图12 中型客车碰撞护栏塑性应变云图

2.3 中型货车碰撞

中型货车仿真碰撞护栏过程如图13和图14所示，在第一次碰撞发生后，相隔一个车长距离发生了二次碰撞，最后驶离护栏，车辆经过导向驶出框时没有越出外框线，导向功能良好。护栏前后两次碰撞的最大横向动态变形均发生在下横梁处，其值分别为15.7 mm和8.6 mm，下横梁超过材料断裂伸长率的塑性应变区域较小，相应的护栏断裂的可能性也小。碰撞过程中护栏构件之间保持连接状态，没有侵入车辆乘员舱，护栏碰撞位移及塑性应变云图如图15和图16所示。

图13 中型货车碰撞护栏过程

图14 中型货车轨迹导向驶出框

图15 中型货车碰撞护栏位移云图

图16 中型货车碰撞护栏塑性应变云图

2.4 安全性能评价

根据三种碰撞条件下的仿真结果评价新型铝合金桥梁护栏的安全性能，结果如表3所示。结果表明该结构铝合金护栏标准段的安全性能满足B级防护要求。

表3 仿真评价简表

3 结论

依据现行规范对新型铝合金公路桥梁护栏进行碰撞仿真模拟并评价其安全性能，得出如下结论：

（1）新型铝合金桥梁护栏碰撞仿真分析结果表明该结构护栏标准段安全性能满足规范中的B级防护要求，护栏结构形式可行。

（2）新型护栏防护能量仿真结果达到了70 kJ以上，说明6061铝合金在碰撞条件下可保持良好的强度和吸能性能，适宜作为公路护栏的使用材料。

（3）大截面薄壁中空且设有加强筋的铝型材用于护栏拱形立柱提高了护栏的整体刚度和碰撞性能，为公路护栏立柱的选择提供了一种新形式。

铝合金护栏具有轻质、防腐、免维护、循环利用率高及全寿命周期成本低的特点，切合绿色公路建设理念，可有效促进公路交通安全设施持续安全健康有序地发展。