摘要
为提高低等级混凝土护栏防护重型车辆的能力，设计了3种不同构造形式的复合材料护板，分别设置在混凝土护栏表面形成组合式护栏。建立车-护栏精细化有限元模型，通过与实车碰撞试验结果对比，验证了有限元模型的可靠性。考虑撞击力、碰撞角度、车辆轨迹、货厢尾部抬高、车辆动态外倾值、车辆外倾角6个评价指标，对比分析了3种方案护栏的防车撞性能。结果表明，在整体式货车撞击下，3种方案护栏均能顺利引导车辆转向，不带阻坎的方案一的各主要指标均优于其他方案，防护能力最优；在拖挂式货车撞击下，方案一的护栏导向与阻挡性能依然良好，驶出角仅为0.75°；改造后的组合式护栏防护能量达到650 kJ，防护能力是改造前的4倍。
护栏作为公路的重要交通安全屏障，既要充分吸收冲击能量，有效降低碰撞时的峰值加速度；又要对偏离车辆进行导向，以避免车辆越出道路。随着我国低等级道路改扩建及重车比例、货运流量增加，早期修建的低等级护栏已不能匹配现阶段交通流，会带来严峻的安全隐患。若将现有低等级护栏全部更换，既不经济也会长时间影响交通。因此，研究既有护栏的能力提升具有重要意义。
混凝土护栏由于抗撞能力强，得到了广泛应用。国内外学
鉴于纤维增强复合材料防护结构的优异性能，文中提出一种可以直接安装在混凝土护栏表面的复合材料柔性护板，与原有结构共同作用形成组合式护栏，以提升防护重型车辆的能力；建立了重型货车-护栏精细化有限元模型，对3种不同构造的护板进行了碰撞数值模拟，对比了多个评价指标，确定了最优方案，为既有低等级混凝土提升护栏能力提供了参考。
为兼顾护栏改造的经济性及施工便捷性，需尽可能利用原结构，GFRP-混凝土组合式护栏是在现有低等级混凝土护栏上增设玻璃纤维复合材料柔性护板，护板内部紧密填充缓冲耗能芯材。在汽车碰撞交通安全领域，接触部位的截面形状与尺寸会极大影响碰撞结果。因此，护板断面设计需要满足《公路交通安全设施设计细则
图1 组合式护栏构造（单位：mm）
Fig. 1 Structural dimension of combined guardrail（unit:mm）
图2 FRP板与混凝土板连续敲击20次后破坏对比
Fig. 2 Damage comparison between FRP and concrete plate after 20 times of continuous percussion
有限元模拟中的碰撞车辆以NCAC(National Crash Analysis Center)发布的HGV16、HGV38重型货车为原型，在此基础上针对后部车厢分别进行修改，形成我国道路交通运输常见的两轴整体式与五轴拖挂式厢形货车。集装箱采用梁单元和壳单元模拟，货物采用弹性实体单元模拟。在与混凝土护栏碰撞中，货厢通常不会与护栏发生直接撞击，而是以擦挂为主，货物刚度对撞击过程的影响并没有撞击桥墩显著。参考赵武超
图3 重型车辆有限元模型
Fig. 3 FE models of heavy vehicles
分别建立不同方案下组合式护栏有限元模型，原有混凝土结构采用8节点的Solid164实体单元建立。既有F型护栏长度设置为60 m，单元尺寸控制在20~40 mm，单元长宽比保持在1.5以内。复合材料柔性护板则采用4节点四边形SHELL163壳单元建立，单元数量25 323。护板内部紧密填充的轻质缓冲泡沫材料采用5节点四面体单元建立以防止出现负体积造成计算终止，单元数量为77 411。组合式护栏中的螺栓连接采用点焊单元进行简化，参考文献[
图4 组合式护栏有限元模型
Fig. 4 FE models of combined guardrail
由于混凝土护栏的刚度远大于碰撞车辆，在接触碰撞中动能主要都由车辆变形吸收，护栏本身无明显变形。根据Yin
由于复合材料采用分层损伤失效准则，需要将原本的单层壳分成多层，即采用分层壳单元来考虑面内与面外的弯剪耦合。通过关键字*PART_COMPOSITE替换原有的*SECTION_SHELL，每层壳单元厚度则根据纤维布层数进行分配，为0.5 mm，共铺设20层，每层材料铺设顺序为0/90°，材料参数如
| 参数 | 数值 |
|---|---|
| ρ |
1 800 kg/ |
| Ea | 15 GPa |
| Eb | 16.5 GPa |
| Gab/Gbc/Gca | 2.2 GPa |
| Xt | 408 MPa |
| Yt | 378 MPa |
| Xc | 226 MPa |
| Yc | 173 MPa |
| Sc | 78 MPa |
图5 FRP材料参数取值验证
Fig. 5 Verification of FRP material parameters
护板内部缓冲耗能芯材采用63号*MAT_CRUSHABLE_FOAM可破碎泡沫模型，直接输入材料压缩试验得到的应力-应变曲线定义泡沫特性。缓冲材料弹性模量为2.48 MPa，拉伸截止应力为0.05 MPa。对耗能芯材的压缩性能试验同样进行了取值验证，如
图6 芯材参数取值验证
Fig. 6 Verification of core material parameters
在有限元模拟中，不同单元间的接触和滑动处理尤为重要，特别是对于发生大变形的问题。为模拟撞击过程中碰撞系统各部分受力行为，在车身、护板各节段、护栏之间分别定义接触算法*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。同理，碰撞系统内部也会发生变形并相互接触。在车辆内部、护板内部定义接触算法*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE来处理该区域的接触，该算法能够检测在指定单元组中发生的所有接触。为避免在碰撞模拟中产生数值噪声，将动态系数设置为与静态值相等（即0.2
| 车型 | 总质量/t | 碰撞速度/（km· | 碰撞角度/（°） | 碰撞能量/kJ |
|---|---|---|---|---|
| 两轴货车 | 18 | 60 | 20 | 292 |
| 五轴货车 | 40 | 60 | 20 | 650 |
车辆与护栏接触碰撞过程中，汽车的初始动能逐渐转化为内能、界面接触能、沙漏能，总能量始终保持守恒，沙漏能占系统能量的比例未超过5%，如
图7 方案一系统能量曲线
Fig. 7 Energy curve of of scheme 1
3种方案碰撞下的撞击力时程如
图8 撞击力时程
Fig. 8 Time history curve of impact force
碰撞车辆撞击过程中的角度变化时程如
图9 碰撞角度变化
Fig. 9 Collision angle variations
图10 碰撞车辆行驶轨迹
Fig. 10 Trajectory of collision vehicle
重型货车不但车身高，装载之后重心提高且质量增大，在发生碰撞时极易翻车造成更严重损害。因此，需要讨论护栏是否能最大程度地抑制翻车。评价碰撞车辆的倾覆指标主要为货厢尾部抬高值H、车辆外倾值VI、车辆外倾角θ，如
图11 车辆倾覆指标
Fig. 11 Vehicle rolled-over index
图12 货厢尾部抬高变化
Fig. 12 Height variations of the carriage box tail
车辆外倾角变化如
图13 车辆外倾角变化
Fig. 13 Vehicle inclination angle variations
图14 车辆动态外倾值
Fig. 14 Vehicle dynamic extroversion value
整体式货车撞击各方案护栏全过程动态响应如
图15 各时刻动态响应
Fig. 15 Dynamic responses
为进一步了解组合式护栏面对极端重型货车撞击时的抗倾覆能力，采用拖挂式厢形货车以60 km/h行驶速度20°撞击方案一护栏。撞击过程中车辆抬高变化如
图16 车辆抬高变化
Fig. 16 Vehicle height variations
图17 车辆倾覆变化
Fig. 17 Vehicle overturn variations
拖挂式货车克服侧翻过程如
图18 车辆克服侧翻过程
Fig. 18 Overcoming rolled-over process
图19 碰撞角度变化
Fig. 19 Collision angle variations
文中建立了重型货车-护栏精细化有限元模型，通过实车碰撞试验验证了模型可靠性，对GFRP-混凝土组合式新型护栏的防护性能进行研究，得出如下结论。
1）整体式箱型货车碰撞下，3种方案护栏导向功能良好，能有效防止翻车；方案一各项主要指标均优于其他方案，防护性能最优；拖挂式货车撞击下，方案一导向与阻挡性能良好，驶出角仅为0.75°。在护板上设置阻坎并不能减轻货车侧翻程度，相反还会削弱防护效果，阻坎越凸出，防护效果越差。
2）在车-护栏撞击过程中，甩尾碰撞时车身侧翻程度最为剧烈且变化幅度最大。在车头碰撞的第一阶段各护栏导向能力基本相当，而在第二阶段甩尾碰撞时混凝土护栏会导致翻车，货厢尾部最大抬高值达到2.18 m，车辆动态外倾值达到2.66 m，外倾角达到80°；撞击组合式护栏工况下仅为0.42 m、1 m、15°，分别降低了420%、166%、433%，并能克服侧翻顺利导向，驶出角仅为0.32°。
3）在混凝土护栏改造提升中，通过在既有护栏表面设置复合材料柔性护板形成组合式护栏，能以较小的空间和经济代价换取更高的防护能力。
4）进一步开展实车碰撞试验，并标准化护板尺寸，以便与混凝土护栏搭配。
参考文献
闫书明. 单坡面混凝土护栏碰撞分析[J]. 北京工业大学学报, 2012, 38(4): 586-589, 613. [百度学术]
Yan S M. Impact analysis of single slope concrete barrier[J]. Journal of Beijing University of Technology, 2012, 38(4): 586-589, 613.(in Chinese) [百度学术]
Ozcanan S, Atahan A O. Minimization of Accident Severity Index in concrete barrier designs using an ensemble of radial basis function metamodel-based optimization[J]. Optimization and Engineering, 2021, 22(1): 485-519. [百度学术]
Dinnella N, Chiappone S, Guerrieri M. The innovative “NDBA” concrete safety barrier able to withstand two subsequent TB81 crash tests[J]. Engineering Failure Analysis, 2020, 115(1): 104660. [百度学术]
Zhou R G, Xie Y D, Qiao J G. Highway concrete guardrail lifting scheme and safety performance verification[J]. Journal of Transportation Technologies, 2021, 11(1): 1-13. [百度学术]
Cao R, Agrawal A K, El-Tawil S, et al. Numerical studies on concrete barriers subject to MASH truck impact[J]. Journal of Bridge Engineering, 2020, 25(7): 04020035. [百度学术]
张晶, 白书锋, 石红星, 等. 车辆与弯道混凝土护栏碰撞的动态数值模拟及试验[J]. 中国公路学报, 2007, 20(1): 102-106. [百度学术]
Zhang J, Bai S F, Shi H X, et al. Dynamic numerical simulation and experiment for vehicle and curved concrete barriers crash[J]. China Journal of Highway and Transport, 2007, 20(1): 102-106.(in Chinese) [百度学术]
Yang J, Xu G J, Cai C S, et al. Crash performance evaluation of a new movable Median guardrail on highways[J]. Engineering Structures, 2019, 182: 459-472. [百度学术]
Yin H F, Fang H B, Wang Q, et al. Design optimization of a MASH TL-3 concrete barrier using RBF-based metamodels and nonlinear finite element simulations[J]. Engineering Structures, 2016, 114: 122-134. [百度学术]
赵建, 雷正保, 王素娟. 高速公路跨线桥SS级防撞护栏优化设计[J]. 公路交通科技, 2011, 28(9): 142-146, 158. [百度学术]
Zhao J, Lei Z B, Wang S J. Optimization of SS crash barrier of overpass bridge on expressway[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2011, 28(9): 142-146, 158.(in Chinese) [百度学术]
闫书明. 城市桥梁新型桥侧混凝土护栏的碰撞分析[J]. 武汉科技大学学报, 2014, 37(3): 223-227. [百度学术]
Yan S M. Impact analysis of a new type of roadside concrete barrier for urban bridges[J]. Journal of Wuhan University of Science and Technology, 2014, 37(3): 223-227.(in Chinese) [百度学术]
雷正保, 颜海棋, 周屏艳, 等. 山区公路混凝土护栏碰撞特性仿真分析[J]. 交通运输工程学报, 2007, 7(1): 85-92. [百度学术]
Lei Z B, Yan H Q, Zhou P Y, et al. Simulation analysis for collision characteristics of concrete barriers on montane highway[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2007, 7(1): 85-92.(in Chinese) [百度学术]
雷正保, 杨兆. 汽车撞击护栏时乘员的安全性研究[J]. 振动与冲击, 2006, 25(2): 5-11, 179. [百度学术]
Lei Z B, Yang Z. Study on the passenger safety during the impact process of automobile against fence[J]. Journal of Vibration and Shock, 2006, 25(2): 5-11, 179.(in Chinese) [百度学术]
Bank L C, Gentry T R. Development of a pultruded composite material highway guardrail[J]. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2001, 32(9): 1329-1338. [百度学术]
Bank L C, Gentry T R. Composite material highway guardrail having high impact energy dissipation characteristics: US6149134[P]. 2000-11-21. [百度学术]
Gentry T R，Bank L C. Pendulum impacts into FRP composite guardrail prototypes：testing and simulation[C].Transportation Research Board 79th Annual Meeting Paper No.000481, 2000. [百度学术]
Dutta P K. An investigation into the design and manufacture of FRP composite W-beam guardrail[J]. International Journal of Materials and Product Technology, 2003, 19(1/2): 130. [百度学术]
金思宇, 黄有平, 范欣愉, 等. 玻纤增强热塑性复合材料公路护栏应用技术开发[J]. 高科技纤维与应用, 2016, 41(4): 56-64, 69. [百度学术]
Jin S Y, Huang Y P, Fan X Y, et al. Technical development of highway guardrail with glass fiber reinforced thermoplastic composites[J]. Hi-Tech Fiber & Application, 2016, 41(4): 56-64, 69.(in Chinese) [百度学术]
Sun S J, Li H Y, Zhu C H, et al. Study on the anti-collision performance of basalt fiber reinforced polymer beam–column guardrail[J]. Composite Structures, 2021, 276: 114588. [百度学术]
中华人民共和国交通运输部. 公路交通安全设施设计细则: JTG/T D81-2017[S]. 北京: 人民交通出版社, 2017. [百度学术]
Ministry of Transport of the People's Republic of China. Design Guideline for Highway Safety Facilities: JTG/T D81-2017[S]. Beijing: China Communications Press, 2017. (in Chinese) [百度学术]
赵武超, 钱江, 王娟. 重型车辆撞击下桥墩碰撞力简化模型[J]. 交通运输工程学报, 2019, 19(4): 47-58. [百度学术]
Zhao W C, Qian J, Wang J. Simplified impact force model of pier under heavy vehicle collision[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2019, 19(4): 47-58.(in Chinese) [百度学术]
郑植, 耿波, 王福敏, 等. 既有低等级混凝土护栏防护能力提升[J]. 吉林大学学报(工学版), 2022, 52(6): 1362-1374. [百度学术]
Zheng Z, Geng B, Wang F M, et al. Improvement of protective ability for existing low-grade concrete guardrail[J]. Journal of Jilin University (Engineering and Technology Edition), 2022, 52(6): 1362-1374.(in Chinese) [百度学术]
雷正保, 杨兆. 三波护栏的耐撞性研究[J]. 公路交通科技, 2006, 23(7): 130-136. [百度学术]
Lei Z B, Yang Z. Study on crashworthiness of three-beam guardrail structure[J]. Journal of Highway and Transportation Research and Development, 2006, 23(7): 130-136.(in Chinese) [百度学术]
Marzougui D , Kan C D , Opiela K S .Crash Test & Simulation Comparisons of a Pickup Truck & a Small Car Oblique Impacts Into a Concrete Barrier[C]// The 13th international LS-DYNA users conference. June 8–10, 2014, Dearborn, Michigan,2014,1. [百度学术]
Polivka K A，Faller R K，Sicking D L, et al.Performance evaluation of the permanent new Jersey safety shape barrierupdate to NCHRP 350 Test No.4-12(2214NJ-2), TRP-03-178-06[R].Midwest Roadside Safety Facility (Mw RSF), 2006． [百度学术]
孙胜江, 朱长华, 梅葵花. 玄武岩纤维复合材料梁-柱式护栏防撞性能[J]. 振动与冲击, 2019, 38(21): 265-270. [百度学术]
Sun S J, Zhu C H, Mei K H. Anti-collision performance of basalt fiber composite beam-column guardrails[J]. Journal of Vibration and Shock, 2019, 38(21): 265-270.(in Chinese) [百度学术]
Pan J, Fang H, Xu M C, et al. Study on the performance of energy absorption structure of bridge piers against vehicle collision[J]. Thin-Walled Structures, 2018, 130: 85-100. [百度学术]
Wang J J, Song Y C, Wang W, et al. Evaluation of composite crashworthy device for pier protection against barge impact[J]. Ocean Engineering, 2018, 169: 144-158. [百度学术]