基于700L高强钢的超高等级（HA级）梁柱式护栏轻量化设计与碰撞后姿态稳定性研究

《PLOS One》：Lightweight design and post-impact attitude stability of extra-high grade guardrail based on 700L high-strength steel

　　

针对传统HA级（超高等级）梁柱式护栏因截面尺寸过大而导致的自重过大和碰撞后姿态稳定性不足问题，本文提出一种基于700L高强合金钢的轻量化设计方法。通过拓扑优化，研发了一种由“倾斜H形立柱”和“矩形管横梁”组成的新型护栏结构。全尺寸实车碰撞试验表明，在JTG B05-01–2013规定的HA级重型车辆碰撞矩阵条件下，即25 t特大型客车、40 t重型货车和55 t牵引-半挂车，该护栏的阻挡和导向功能满足相应HA级重型车辆要求。三辆试验车辆均未发生翻车、骑越或跨骑，且均以稳定的碰撞后姿态驶出。车辆横向侵入显著降低：在55 t牵引-半挂车碰撞条件下，最大动态等效车辆横向侵入值（V_In）较传统护栏降低64.2%。在轻量化方面，护栏每延米重量由230 kg降至180 kg，降幅达21.7%。经济性分析表明，材料消耗的降低使综合材料成本下降约10%–15%。本研究展示了一种材料-结构协同设计方法，可同时提高HA级重型车辆工况下的安全性、抗横向侵入能力、轻量化水平和经济性，为新一代高性能桥梁护栏的工程应用提供了理论基础和技术支持。

研究背景：我国大跨缆索支撑桥梁（斜拉桥、悬索桥）建设规模不断扩大，此类桥梁对恒载变化敏感，斜拉索、吊杆等关键构件常邻近车道，失控车辆碰撞易造成局部损伤甚至灾难性后果。桥面护栏作为关键安全设施，既要具备足够防护等级以有效阻挡和导向失控车辆，又要严格控制碰撞中车辆动态侵入，防止碰撞后方缆索等关键构件。传统Q355钢梁柱式护栏为达到高防护等级，常依赖增大构件截面尺寸和厚度来提高刚度和强度，导致自重和用钢量显著增加，既与桥梁轻量化设计要求矛盾，又带来成本上升、材料利用率低、环保性不足等问题。更深层矛盾在于，传统经验设计方法难以在车辆-护栏碰撞动态行为中平衡轻量化与高性能（尤其防翻车能力），难以实现多目标协同优化。现有研究多聚焦单一维度，或仅关注高强钢替代，或仅对局部构件进行经验改进，普遍缺乏“材料-结构”一体化协同设计视角。因此，研究人员提出将材料科学与结构优化相结合的设计方法，利用700L高强合金钢的力学性能优势和拓扑优化的构型潜力，突破高防护等级护栏在“轻量化”和“防翻车”方面的技术瓶颈。

研究内容与意义：研究人员通过材料-结构协同设计，实现了高强钢减薄和拓扑优化“按需布材”，并系统开展了协同设计方法、防翻车机理、轻量化效果和经济性论证。研究结论表明，该方法可同时提升HA级重型车辆工况下的安全性、抗横向侵入能力、轻量化水平和经济性，为新一代高性能、轻量化桥梁护栏研发提供了理论支持与工程参考。

关键技术方法：①按GB/T 228.1–2021对700L钢板开展室温拉伸试验，与Q355标准要求对比获取屈服强度、断后伸长率、强塑积等性能参数；②基于SIMP（Solid Isotropic Material with Penalization）变密度法建立拓扑优化模型，将HA级客车碰撞能量（863 kJ）按能量等效原则简化为285 kN静态集中载荷，分别对立柱和横梁设计域进行优化；③将优化构型演化为“倾斜H形立柱+矩形管横梁”工程化结构；④按JTG B05-01–2013开展25 t客车、40 t货车、55 t牵引-半挂车三组全尺寸实车碰撞试验（full-scale vehicle crash test），采用500 fps高速摄像与试验后检测评价；⑤进行轻量化效果与经济性分析。

研究结果：

4.1 抗翻车机理分析
通过力学分析提出三个相互关联的物理机制：第一，倾斜H形立柱形成“下刚上柔”的梯度刚度，碰撞初期上部可控变形降低碰撞力合力作用点高度h，由翻滚力矩M=F×h可知，在碰撞力F一定时减小力臂h可直接降低翻滚力矩，抑制初始翻车倾向；第二，矩形管横梁的连续性使单点碰撞力快速分散至相邻多个立柱，形成力偶臂约等于柱间距B的宽域抗力偶，用于平衡车辆翻滚力矩，显著提高系统整体抗翻车能力；第三，矩形管横梁提供连续平滑引导面，使车辆-护栏接触由传统“点-线”接触转变为“面-面”接触，均化接触压力，避免局部应力峰值引起的瞬时力矩冲击，有利于车辆保持姿态稳定。

4.2 全尺寸实车碰撞试验验证

4.2.1 试验设置
按JTG B05-01–2013中HA级重型车辆条件开展试验：25 t特大型客车（实测86.0 km/h、20.3°）、40 t重型货车（实测66.0 km/h、20.1°）、55 t牵引-半挂车（实测65.9 km/h、20.2°）。试验护栏通过钢箱梁底座安装，安装高度1.58 m，试验段长42.00 m。

4.2.2 试验结果
三组试验中，优化后的护栏均有效防止了车辆穿越、骑越和跨骑，无构件或脱落物侵入乘员舱；三辆试验车辆均保持稳定碰撞后姿态并满足导向驶出要求。试验后检查发现，受撞立柱和横梁发生可控塑性变形，碰撞位置混凝土桥面仅出现局部轻微剥落，未发现桥面锚固或预埋钢板损伤，螺栓无失效。与传统护栏相比，最大动态等效车辆横向侵入值（V_In）在特大型客车、重型货车和牵引-半挂车三种工况下分别降低43.8%、37.5%和64.2%，其中55 t牵引-半挂车工况由1.40 m降至0.50 m，表明该协同结构对不同质量和碰撞能量的冲击具有良好的适应性和稳定性。多角度500 fps高速视频确认三车均未出现翻车、骑越、跨骑或明显侧倾、俯仰、横摆失稳趋势。

讨论总结：材料-结构协同设计将700L高强钢与拓扑优化系统融合，突破了单一材料替代或局部构件经验改进的局限。倾斜H形立柱的梯度刚度可降低初始翻车力矩臂，矩形管横梁形成的多柱协同宽域抗力偶和连续接触面共同抑制翻车趋势，并大幅降低护栏变形；在55 t工况下最大横向动态变形D由0.55 m降至0.10 m，降幅81.8%。轻量化方面，每延米重量由230 kg降至180 kg，降幅21.7%；虽然700L单价高于Q355约15%–20%，但用钢量减少使材料总成本下降约10%–15%，并可通过降低桥梁恒载带来连锁经济效益。研究同时指出局限：HA级标准中的乘用车碰撞工况尚未完成，需单独评估；长期耐久性、低温韧性、连接疲劳以及基于LS-DYNA的显式动力优化仍需进一步研究；后续试验将增加车载IMU和GPS，直接测量侧倾角、侧向加速度和横摆角速度时间历程，以定量表征防翻车动力学。

结论：
(1) 700L高强钢（屈服强度≥626 MPa，断后伸长率≥20.5%）不仅为“高强化减薄”提供了材料基础，使护栏每延米重量降低21.7%，其更高的强塑积（14.4–21.4 GPa·%）也保证了极端碰撞条件下的高能量吸收能力。
(2) 基于拓扑优化获得的“倾斜H形立柱+矩形管横梁”协同结构，实现了“下刚上柔”的梯度刚度分布和高效材料利用，推动护栏设计从传统经验模式向性能化、数字化、一体化设计转变。
(3) 覆盖JTG B05-01–2013规定的三种HA级重型车辆条件的全尺寸实车碰撞试验表明，护栏满足相应重型车辆工况的阻挡和导向要求，三车均未翻车、骑越或跨骑并稳定驶出；55 t工况下V_In

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