反光式突起路標(biāo)功能失效ANASYS分析

盛玉剛，夏紅亮，呂婷婷

(南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京210037)

突起路標(biāo)是安裝、固定在道路上并突出路面的突起標(biāo)記塊，是一種交通安全設(shè)施。突起路標(biāo)廣泛應(yīng)用于公路或城市道路上用來標(biāo)記中心線、車道分界線、邊緣線，也可以用來標(biāo)記彎道、進(jìn)出口匝道、導(dǎo)流標(biāo)線、道路變窄、路面障礙物等危險路段，并可與涂料標(biāo)線配合使用。在夜間光線不佳的路段處，給駕駛員提供視線誘導(dǎo)，保證車輛安全、通暢、舒適的運(yùn)行［1］。

但目前道路上安裝的突起路標(biāo)存在破壞率高、反光功能失效快等問題，使得突起路標(biāo)的引導(dǎo)作用沒辦法發(fā)揮，交通安全形勢日益嚴(yán)峻［2］。因此研究突起路標(biāo)的破壞機(jī)理對提高道路行車安全具有重要意義。但國內(nèi)外缺乏對突起路標(biāo)系統(tǒng)研究的專門機(jī)構(gòu)，專業(yè)人才很少，相關(guān)研究成果較少。

目前道路上安裝的反光式突起路標(biāo)均出現(xiàn)了破壞效率高、反光功能失效快等現(xiàn)象，壽命的縮短使得突起路標(biāo)不能很好的提供視線誘導(dǎo)作用，這也是道路交通管理部門一直關(guān)注的問題。為了有利于夜問行車安全［3］，提高反光式突起路可視性，引導(dǎo)駕駛?cè)藛T正確安全行駛［4］，減小交通事故的發(fā)生，本文從影響突起路標(biāo)的結(jié)構(gòu)破壞和逆反射功能降低角度出發(fā)，分析引起上述問題的影響因素。從而得到反光式突起路標(biāo)的破壞機(jī)理。為進(jìn)一步改善和提高突起路標(biāo)的性能提供參考。

1 反光式突起路標(biāo)破壞特征分析

根據(jù)交通部《JTT390－1999突起路標(biāo)》，按照突起路標(biāo)是否具備逆反射性能可分為A、B兩大類［5］。A類突起路標(biāo)是指具備逆反射性能的突起路標(biāo)，其基體主要由工程塑料、金屬、玻璃或陶瓷組成。B類突起路標(biāo)是指不具備逆反射性能的突起路標(biāo)，其基體由工程塑料、金屬、玻璃或陶瓷組成。

本次研究以南京市主干道龍蟠路新莊段－崗子村段、崗子村－太平門段、太平門段－龍蟠中路為調(diào)查對象，調(diào)查內(nèi)容包括突起路標(biāo)破壞分布、碾壓概率、逆反射系數(shù)、破壞形式等。

突起路標(biāo)破壞分布調(diào)查結(jié)果見表1，設(shè)置在車道分界線上的突起路標(biāo)基體結(jié)構(gòu)受破壞的程度均比較大。設(shè)置在道路中心線和車道邊緣線上的部分由于設(shè)置區(qū)域的不同受破壞程度比較小。受破壞的部位主要在左、右、正三面，頂面和背面相對較小。車道分界線上的突起路標(biāo)的頂面比背面受破壞大，一方面是因?yàn)楸趁媸苘囕v接觸的概率比較小，另一方面因?yàn)轫斆嫠闹艿睦膺吺菓?yīng)力集中的關(guān)鍵部位，左、右、正面受到破壞時，頂面也會受到影響。

表1 突起路標(biāo)破壞分布表/個Tab.1 Damage distribution of protuberant pavement marker/piece

突起路標(biāo)的逆反射系數(shù)調(diào)查過程中，基體破損嚴(yán)重、反光片破壞的樣本逆反射功能已失效，逆反射系數(shù)為零。使用突起路標(biāo)逆反射測定儀［5］測量反光體完整的突起路標(biāo)時，反光體表面未清潔前逆反射系數(shù)均不大于20mcd/lx·m－2。清潔后測量數(shù)據(jù)在40～50mcd/lx·m－2左右。設(shè)置在車道分界線和邊緣線上的突起路標(biāo)反光體表面泥土、油類污染較大，影響其發(fā)揮作用。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:反光式突起路標(biāo)逆反射器的發(fā)光強(qiáng)度系數(shù)應(yīng)符合GB/T18833－2002的有關(guān)規(guī)定［6］見表2和表3，實(shí)際檢測的數(shù)據(jù)均不符合要求。

突起路標(biāo)受碾壓概率調(diào)查，將車輛分為小型客車、中型客車、大型客車，貨車數(shù)量較少，本次研究未列入統(tǒng)計。調(diào)查地點(diǎn)選在路段交叉口附近，3條路調(diào)查結(jié)果見表2，平均碾壓概率達(dá)43.67%，因?yàn)榕R近交叉口，駕駛?cè)苏{(diào)整行車道較隨意。

表2 各種車型碾壓突起路標(biāo)概率Tab.2 Probability of rolling times of protuberant pavement marker by various models

根據(jù)突起路標(biāo)破壞形式調(diào)查結(jié)果，道路上設(shè)置的突起路標(biāo)均出現(xiàn)了不同程度的損壞，主要破壞形式為脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等現(xiàn)象。道路不同部位的突起路標(biāo)破壞率統(tǒng)計結(jié)果見表3。

表3 突起路標(biāo)機(jī)體破壞率匯總表Tab.3 Number of damaged protuberant raised pavement markers

車道分界線上的突起路標(biāo)機(jī)體破壞率達(dá)98%。若道路中心線和道路邊緣線上設(shè)置的突起路標(biāo)機(jī)體破壞率較低，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)這些突起路標(biāo)的反光體由于老化或者灰塵遮蓋，反光機(jī)能基本失效。如這部分突起路標(biāo)統(tǒng)計進(jìn)來，則突起路標(biāo)功能失效率達(dá)到95%以上。

2 突起路標(biāo)功能失效原因分析

(1)基體材料抗壓強(qiáng)度不夠

據(jù)交通部頒布的《JT/T390－1999突起路標(biāo)》中要求［5］，所有普通類突起路標(biāo)的抗壓強(qiáng)度需大于160KN，作為普通類突起路標(biāo)的代表，塑料和鑄鋁突起路標(biāo)均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

調(diào)查路段上設(shè)置的為鑄鋁突起路標(biāo)，是鋁合金外殼和填充的石英砂組合而成。其結(jié)構(gòu)抗壓性比全鋁突起路標(biāo)低得多。

調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，設(shè)置在車道分界線上突起路標(biāo)的基體結(jié)構(gòu)破壞率均在90%左右。設(shè)置在道路中心線和邊緣線上的由于隔離護(hù)欄的保護(hù)其破壞率相對低一些。數(shù)據(jù)表明，突起路標(biāo)功能的破壞主要原因還是受交通流的影響。車輛在碾壓時對突起路標(biāo)產(chǎn)生沖擊荷載作用，而且隨著碾壓次數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)受到疲勞荷載作用受破壞的概率也相應(yīng)增加。

(2)機(jī)體與路面粘結(jié)不牢固

常用的突起路標(biāo)粘結(jié)材料有環(huán)氧樹脂、瀝青膠、非晶態(tài)－聚烯烴共聚物［6－7］。三種粘結(jié)材料根據(jù)性能的差異適用于不同的道路環(huán)境。調(diào)查顯示，部分突起路標(biāo)與地面之間粘接劑失效，導(dǎo)致突起路標(biāo)脫落遺失。還有部分突起路標(biāo)即使在釘腳的保護(hù)下未發(fā)生脫落現(xiàn)象，但方位發(fā)生了變化，逆反射性能同樣無法發(fā)揮，雖然突起路標(biāo)基體和反光體未發(fā)生破壞但功能同樣失效。

影響突起路標(biāo)粘結(jié)效果的因素很多，主要因素有:路面狀況 (粗糙程度)、突起路標(biāo)基座的材料、突起路標(biāo)底座的粗糙度、突起路標(biāo)底座的平整度、粘結(jié)材料的固化收縮率等等。

3 力學(xué)分析

突起路標(biāo)功能失效的外界因素具有復(fù)雜性和偶然性，研究著重考慮交通流的作用 (即車輛碾壓)因素，及機(jī)械破壞為主。利用有限元仿真軟件ANSYS從力學(xué)角度研究車輛碾壓突起路標(biāo)引起的破壞過程。分析思路如圖1所示。

首先使用ANSYS軟件對突起路標(biāo)進(jìn)行建模，并加荷載進(jìn)行有限元分析［8］。具體步驟:定義材料單元 (Define elements)，進(jìn)行單元體的劃分。為保證計算的精確性，采用20個節(jié)點(diǎn)的solid186高階單元，可進(jìn)行塑性、超彈性、粘彈性、粘塑性、預(yù)應(yīng)力輸入等的計算;定義材料屬性 (Defineproperty)，輸入材料的彈性模量和泊松比;劃分網(wǎng)格 (Meshing)，模型相對簡單，使用自由劃分網(wǎng)格的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分;材料屬性賦值 (Evaluate attributes)，將模型中的彈性模量和泊松比賦予到模型相應(yīng)的部分;增加約束 (Add constraints)，限制模型的特定部分 (點(diǎn)、線、面)在XYZ方向上的自由度;添加荷載 (Define loads)，根據(jù)規(guī)范，取突起路標(biāo)在最不利情況下的荷載，即在各個表面承受16T(160kN)的壓力;解算 (Solve)，通過ANSYS內(nèi)部的求解器，根據(jù)材料屬性、網(wǎng)格劃分、荷載和約束情況進(jìn)行有限元方程的求解;生成結(jié)果 (Plot results)，將計算的結(jié)果繪制成應(yīng)力圖和位移圖［8］。

圖1 力學(xué)分析思路Fig.1 Steps of mechanical analysis

3.1 靜力學(xué)分析

通過ANSYS對傳統(tǒng)突起路標(biāo)有限元模型加載靜荷載，一段時間分析過后獲得突起路標(biāo)應(yīng)力和位移結(jié)果。從應(yīng)力云圖 (如圖2所示)可以發(fā)現(xiàn):傳統(tǒng)突起路標(biāo)四周表面應(yīng)力值過大，特別是四個邊緣區(qū)域的應(yīng)力值形成一個帶狀形式，容易產(chǎn)生破壞，釘腳與基座銜接段出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，極易產(chǎn)生側(cè)向剪切破壞，引發(fā)脫落。從位移分析結(jié)果云圖 (如圖3所示)可見:頂面位移較大，由頂面向四周漸變，頂面部位在車輪碾壓下容易產(chǎn)生發(fā)生剪切破壞，傳力桿位移分布不均勻，兩端位移比較小，中間的位移出現(xiàn)過大的變化，影響釘腳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

圖2 傳統(tǒng)突起路標(biāo)應(yīng)力分析圖Fig.2 Stress distribution nephogram of traditional protuberant marker

圖3 傳統(tǒng)突起路標(biāo)位移分析圖Fig.3 Displacement distribution of traditional protuberant marker

3.2 動力學(xué)分析

通過瞬態(tài)動力分析，以確定隨時間變化車輪沖擊載荷對突起路標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響。因?yàn)橥黄鹇窐?biāo)是相對靜態(tài)結(jié)構(gòu)，因此選用位移場表現(xiàn)突起路標(biāo)對車輪沖擊的響應(yīng)，分析步驟包括:建模;選擇分析類型和選項(xiàng);規(guī)定邊界條件和初始條件;施加時間歷程載荷并求解;評價分析結(jié)果［8］。如圖4所示為突起路標(biāo)在車輪沖擊作用下的位移場分布曲線，其中左側(cè)在上面的線形表示Y方向 (行車軌跡方向)位移場分布，另一條線形表示Z方向 (與行車軌跡垂直方向)位移場分布。

可以看出:突起路標(biāo)在Y方向上的位移場變化幅度較大，在Z方向方向上的位移場變化幅度比Y軸方向大，不利于突起路標(biāo)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此突起路標(biāo)在動荷載作用下易產(chǎn)生破壞。

圖4 突起路標(biāo)位移場分布Fig.4 Displacement field distribution of protuberant marker

3.3 疲勞荷載破壞分析

突起路標(biāo)受車輛碾壓的過程是一個動態(tài)載荷加載過程，也是一個局部載荷不斷變化的過程。其過程是復(fù)雜的、多變的。本次研究采用Fe－Safe模塊對突起路標(biāo)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析，使用應(yīng)力－壽命曲線進(jìn)行單軸分析，在軸向交變荷載的作用下分析模型結(jié)構(gòu)的疲勞壽命。分析步驟如下:

定制用戶界面;載入有限元分析模型 (有限元模型是通過ANSYS力學(xué)分析軟件建立傳統(tǒng)式突起路標(biāo)模型并轉(zhuǎn)成rst文件格式導(dǎo)入Fe－Safe軟件中);定義載荷歷程;定義材料各項(xiàng)參數(shù);組合載荷歷程與序列載荷;疲勞分析;分析結(jié)果輸出［8］。

在定義載荷歷程時，采用了單軸交變載荷的方法對構(gòu)件作用。根據(jù)《JT/T390－1999突起路標(biāo)》中對突起路標(biāo)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能測試要求在160KN的作用下不發(fā)生任何裂紋、損壞現(xiàn)象。

定義材料屬性的過程中，需根據(jù)現(xiàn)有使用的突起路標(biāo)的材料特質(zhì)設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)［9－11］:S－N曲線、屈服極限、泊松比等等。屈服極限取值為603MPa，抗拉強(qiáng)度取值為647MPa，泊松比為0.31。

本次疲勞試驗(yàn)以經(jīng)受107次疲勞試驗(yàn)為目標(biāo)對構(gòu)件進(jìn)行交變荷載作用，觀察傳統(tǒng)突起路標(biāo)經(jīng)過疲勞加載過后的效果云圖 (如圖5所示)發(fā)現(xiàn)，頂面的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力值在疲勞荷載作用下均發(fā)生了變化，應(yīng)力值和靜荷載作用下相比較均增加;釘腳在荷載作用下，與基座銜接處同樣出現(xiàn)了應(yīng)力過于集中的現(xiàn)象，與靜荷載作用下相比較應(yīng)力值也同樣在增加;試件在經(jīng)受150 482次在節(jié)點(diǎn)19 398.1處發(fā)生破壞。試件的疲勞壽命系數(shù)為0.613，介于0.5～0.8;試件發(fā)生疲勞破壞時，節(jié)點(diǎn)的最大應(yīng)力值為－309.251MPa?；牧系那O限為603MPa。試件在遠(yuǎn)低于屈服極限的條件下發(fā)生了破壞。

圖5 突起路標(biāo)受疲勞載荷后的應(yīng)力圖Fig.5 Stress distribution of protuberant marker under fatigue load

4 結(jié)束語

外界因素對突起路標(biāo)的破壞具有復(fù)雜性和偶然性，研究以交通流作用為出發(fā)點(diǎn)，分析突起路標(biāo)破壞特性，重點(diǎn)考慮機(jī)械因素破壞，從力學(xué)角度運(yùn)用ANSYS模擬車輛碾壓突起路標(biāo)引起的破壞過程，擬合突起路標(biāo)在靜力、動載和疲勞荷載作用下的應(yīng)力變化和位移變化情況，得出突起路標(biāo)機(jī)體結(jié)構(gòu)最易破壞處，從而得到當(dāng)前突起路標(biāo)在使用過程中受破壞的主要成因［12］。研究結(jié)論可為突起路標(biāo)性能改良方案提供重要參考。

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