桥墩附着式柔性防车撞装置

桥墩附着式柔性防车撞装置

摘要：根据具体工程桥型结构及其相应路段车辆通行特点，对桥墩进行安全防

护装置定制设计。桥墩安全防护装置是一种有效的被动防撞设施，它主要是降低

事故的严重程度，受到撞击后，装置通过自身变形吸收撞击能量；能保持结构自

身的完整性，且变形后装置不会碰到桥墩，起到了很好的隔离效果。

关键词：高分子弹性层；桥墩；防车撞；装置

1概况

由于汽车保有量的增长速度明显高于公路及城市道路的增长速度，导致我国

道路交通安全不容乐观，汽车撞击桥墩导致的交通安全事故频频发生，严重时会

造成桥墩倒塌、车毁人亡，带来无可挽回的生命和财产损失。

相比之下，桥墩安全防护装置仍然多采用传统的防护方式且缺乏相关防护规

范依据，如墩柱底部加粗或采用钢管围栏进行保护，没有从根本上解决降低车辆

撞击力，而“硬抗”的传统设防思路实质上增加了行车的安全隐患。AFC桥墩附着

式安全防护装置能够在不影响通行的情况下有效利用桥墩自身抗力，降低车辆撞

击力，保护桥梁结构的同时有效降低事故车辆的损伤。

根据具体工程桥型结构及其相应路段车辆通行特点，对桥墩进行安全防护装

置定制设计。

2桥墩安全防护装置介绍

桥墩安全防护装置考虑到现有桥墩防撞要求的差异性，根据不同墩柱截面、

不同撞击能量需求、不同防撞场合设计了多种结构和功能形式的安全防护装置，

适用于任何有防撞需求的桥梁及其他建筑结构。

装置具有很高的安全防护性能，主要为处在高碰撞风险概率的市政立交、收

费站、交叉口、隧道洞口等有防撞需求的结构提供可靠的安全保障。桥墩安全防

护装置是一种有效的被动防撞设施，它主要是降低事故的严重程度，而不是减少

事故的发生。根据桥梁结构的不同，可以选用不同的防护方案。针对本项目特点，根据桥墩结构状况，采用桥墩附着式柔性安全防护装置和桥墩隔离式柔性导流防

撞设施。

2.1桥墩附着式柔性安全防护装置

桥墩附着式柔性安全防护装置基本结构由外壳、高分子弹性层、耗能防撞块

组成。该装置基于刚度协调匹配原理对消能装置进行协调设计，通过缓冲吸能与

结构导向，可达到保护桥梁的使用效果。根据不同桥墩截面的常用装置有圆形

（本项目用）和矩形两种。本装置较传统防护措施，具有重量轻、安装方便、占

用空间小、吸能效果好、施工养护方便等特点。

2.2桥墩隔离式柔性导流防撞设施

桥墩隔离式柔性导流防撞设施由柔性导流防撞块、防撞立柱、水平防撞管及

警示外壳组成。

3桥墩安全防护装置计算分析

防撞装置和汽车的碰撞发生作用时间极短且涉及大变形，故本文数值计算采

用显示有限元求解器Ls-Dyna模拟碰撞工况。

在Ls-Dyna中采用中心差分法来求解有限元动力平衡方程，其包含的核心内

容为：

（1）将系统求解的t分割为N个时段△t，将每个△t的运动状态找到后，即

获得整个时段的系统反应；

（2）在t+△t时段的运动状态是根据上一个t时刻的位移、速度、加速度来得出的，因此每一个时段内的位移、速度、加速度的变分形式决定了整个求解精度。

在dyna中的平衡方程表达为：

其中，M为质量矩阵，为节点力和边界条件向量，为应力差分向量，为抗沙漏能矩阵，为该时刻节点加速度向量。

的迭代格式为：

其中，，

u，v分别代表位移和速度向量，位移更新格式为：

有限差分法的另一个特点是其存在稳定条件，即临界时间步，一般△t与有限元模型中的最小单元尺寸相关，如最小单元尺寸越小，其时间步会变得越小，这会影响整个计算时间。为了提高计算效率，通用的有限元程序如Ls-Dyna，abaqus 都设有质量缩放功能，即在保证计算精度的情况下，对个别单元尺寸较小需要非常小时间步来计算的部分，采用一定的质量缩放来改变它的特性，使计算速度加快。

4数值仿真计算

4.1 车辆模型

车辆有限元模型几何尺寸见表4.1。

表4.1 有限元模型车辆

4.2装置模型

装置有限元模型。

4.3计算工况

撞击工况选取小车的正面撞击与侧面撞击，分别选取裸墩和设防的情况进行对比分析，撞击速度采用小车100km/h。具体工况如下表所示。

表4.3 工况统计表

5结果分析

5.1附着式安全防护装置计算结果

表5.1附着式防撞装置防护效果对比表

从撞击力结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小车撞击力减小35.0%。

从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度也有显著改善，保护桥墩的同时，降低了事故车辆的损伤。

5.2隔离式防撞装置防护效果计算结果

表5.2 隔离式防撞装置防护效果对比表

由表5.2可得：

（1）从撞击力对比结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小

车正撞力减小71%，小车侧撞力减小24%；

（2）从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度明显减少，对车辆起到较好保护作用；

6小结

6.1附着式桥墩安全防护装置

从撞击力结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少，小车撞击力减小35.0%，装置对撞击力峰值有明显的延后作用，且撞击时间变长。

从撞击破坏程度来看，设防后车辆的变形程度也有显著改善，保护桥墩的同时，降低了事故车辆的损伤。

6.2隔离式桥墩安全防护装置

从撞击力对比结果来看，设防后传递到桥墩上的撞击力有显著减少；装置对撞击力峰值有明显的延后作用，且撞击时间变长。

受到撞击后，装置通过自身变形吸收撞击能量；能保持结构自身的完整性，且变形后装置不会碰到桥墩，起到了很好的隔离效果；并且对车辆有明显的导向作用，从而减少装置所受的撞击力。

参考文献：

[1]钟志华，张维刚，曹立波，等.汽车碰撞安全技术[M].北京：机械工业出版社，2003.7。

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