玄武巖纖維復(fù)合材料梁-柱式護(hù)欄防撞性能

孫勝江,朱長華,2,梅葵花

(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,西安 710064;2.山東省交通規(guī)劃設(shè)計院，濟(jì)南 250031)

目前，公路橋梁護(hù)欄主要是鋼筋混凝土護(hù)欄和鋼護(hù)欄。對于鋼筋混凝土護(hù)欄，混凝土本身的剛度特別大，在碰撞過程中對車輛以及乘客的傷害也非常大；并且，鋼筋混凝土護(hù)欄由于自重非常大，對于一些對自重要求嚴(yán)格的大跨徑橋梁和鋼橋，混凝土護(hù)欄的適用性非常小。鋼護(hù)欄主要是梁柱式護(hù)欄，這種護(hù)欄的碰撞性能相比于鋼筋混凝土護(hù)欄有所改善，但是鋼護(hù)欄的使用壽命比較短，鋼護(hù)欄在一般的天氣條件下使用壽命約為15年。近年來，由于環(huán)境惡化嚴(yán)重，特別是酸雨、鹽霧等天氣時有發(fā)生，鋼護(hù)欄的使用壽命就顯得更短了。據(jù)有關(guān)學(xué)者研究，很多鋼護(hù)欄在未達(dá)到使用期就出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕等問題，因此而帶來的維修加固費用也非常龐大。所以尋求一種新型材料護(hù)欄對于護(hù)欄革新意義重大。

近些年，纖維增強復(fù)合材料(FRP)的出現(xiàn)使護(hù)欄材料革新出現(xiàn)了新的希望。FRP是連續(xù)纖維以樹脂為基體的復(fù)合材料，按纖維種類的不同又分為碳纖維增強復(fù)合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復(fù)合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復(fù)合材料(AFRP)以及玄武巖纖維復(fù)合材料(BFRP)等。FRP最顯著的特性：輕質(zhì)、高強；抗腐蝕能力強，即耐久性好；彈性變形能力和抗疲勞能力強。在21世紀(jì)初，美國Russell Gentry和Lawrence C Bank教授曾對熱塑性GFRP護(hù)欄進(jìn)行過研究，發(fā)現(xiàn)該護(hù)欄在彎曲破壞過程中能量吸收方面要優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼護(hù)欄，Bank等[1-2]在2001年，對拉擠成型的GFRP護(hù)欄做出更進(jìn)一步的研究，并提出專利申請。在2003年，Dutta[3]對GFRP護(hù)欄進(jìn)行設(shè)計、生產(chǎn)和測試，研究了不同厚度的波形梁護(hù)欄強度、剛度和沖擊特性，研究表明，GFRP護(hù)欄的強度、剛度和沖擊特性能夠滿足要求。計國慶[4]對玻璃纖維增強的乙烯基樹脂護(hù)欄進(jìn)行碰撞試驗，發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料護(hù)欄在實車試驗中沒有發(fā)生破壞。金思宇等[5]對輕型熱塑性復(fù)合材料GF/PP護(hù)欄進(jìn)行足尺實車試驗和LS-DYNA有限元模擬，驗證出該復(fù)合材料護(hù)欄符合公路護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)對安全性能的要求。

BFRP的耐酸、堿化學(xué)穩(wěn)定性能和耐水性能大大優(yōu)于GFRP，在室溫水溶液中，玄武巖纖維的吸水性遠(yuǎn)低于無堿玻璃纖維，因而具有優(yōu)異的防水能力；玄武巖纖維的拉伸強度與無堿(E)玻璃纖維相當(dāng)，但其彈性模量是無堿玻璃纖維的1.5倍，是高強S玻璃纖維的1.9倍[6]，為滿足變形要求，GFRP護(hù)欄將需要更大的尺寸。雖然BFRP的價格稍高于相同體積的GFRP，但BFRP是一種綠色環(huán)保材料，且耐久性更好，鑒于目前GFRP護(hù)欄已經(jīng)在實際中有應(yīng)用，可以預(yù)計BFRP護(hù)欄將來也能夠應(yīng)用到實際工程中。

目前關(guān)于BFRP護(hù)欄的研究極少，本文將對連續(xù)玄武巖纖維材料護(hù)欄進(jìn)行研究。汽車-護(hù)欄碰撞安全性能的研究主要有2種方法：實車碰撞試驗和數(shù)值模擬。由于實車足尺碰撞試驗費用很高,且碰撞過程涉及的因素(碰撞速度、碰撞角度等)較多，一般都將其作為護(hù)欄最終確定的驗證。相比之下，數(shù)值模擬在時間和經(jīng)濟(jì)性方面的優(yōu)勢非常明顯。之前國內(nèi)外有眾多學(xué)者利用有限元軟件LS-DYNA對傳統(tǒng)護(hù)欄的防撞性能進(jìn)行研究和優(yōu)化，該項技術(shù)已經(jīng)趨于成熟[7-10]。故本文采用非線性顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA模擬連續(xù)玄武巖纖維(BFRP)護(hù)欄的碰撞過程[11-13]，分析BFRP護(hù)欄在碰撞過程中的各種碰撞指標(biāo)，以最新的《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)為依據(jù)，并與傳統(tǒng)的梁柱式護(hù)欄作對比，分析BFRP護(hù)欄在碰撞過程中的優(yōu)缺點。

1 BFRP護(hù)欄簡介

1.1 連續(xù)玄武巖纖維簡介

連續(xù)玄武巖纖維是以玄武巖礦石為原材料，經(jīng)1 500 ℃的高溫熔融拉絲拉制而成的連續(xù)纖維材料，是一種重量輕、成本低的環(huán)保型材料，其生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生任何有害的氣體。其耐酸、耐堿性能也非常優(yōu)異，故其使用壽命相比于鋼材要長的多。目前，連續(xù)玄武巖纖維可以制成的產(chǎn)品非常多，包括纖維筋、纖維布、纖維板材等。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，如今連續(xù)玄武巖纖維廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域[14-15]。BFRP對沖擊荷載有良好的抵抗能力[16]，并且其彈性模量相比于鋼材要小，因而用作護(hù)欄時在碰撞過程中對于碰撞能量的吸收也優(yōu)于鋼材。

目前，市場上連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料型材價格約是型鋼價格的5.4倍，而鋼材的密度約是BFRP密度的4.7倍，考慮到兩種護(hù)欄厚度差異，BFRP護(hù)欄每延米的價格約是鋼材護(hù)欄價格的1.4倍，但BFRP一種綠色環(huán)保材料，且BFRP護(hù)欄自重小，運輸安裝方便，尤其值得稱道的是BFRP耐腐蝕能力強，能夠適用于各種惡劣環(huán)境，可以大大減少后期的養(yǎng)護(hù)維修費用；并且BFRP護(hù)欄在生產(chǎn)工藝方面還可以一體化、模型化生產(chǎn)。故綜合比較而言，BFRP護(hù)欄在全壽命周期內(nèi)的成本較鋼護(hù)欄更有優(yōu)勢。

1.2 連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料參數(shù)

本文所選取的連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料為吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司所生產(chǎn)。目前，連續(xù)玄武巖纖維可以布置在面內(nèi)兩個方向，該類型復(fù)合材料面內(nèi)兩個方向具有相同的性能參數(shù)，所用材料的參數(shù)見表1(表中Y方向為順橋方向，X方向為橫橋方向，Z方向為豎向)。

表1 BFRP參數(shù)Tab.1 Parameters of BFRP

1.3 護(hù)欄構(gòu)造

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2006)[17]對橋梁護(hù)欄的要求，考慮到BFRP的彈性模量相對較小，對BFRP梁柱式護(hù)欄設(shè)計如下：橫梁采用寬長為100 mm×100 mm的箱形斷面，壁厚為12 mm；立柱采用寬長為120 mm×140 mm的箱形斷面，壁厚為11 mm，立柱高為1.3 m，采用7跨立柱模型，每個立柱間距為2.5 m，具體見圖1。將傳統(tǒng)的鋼制梁柱式護(hù)欄作為對比組，由于鋼的彈性模量相對較大，鋼護(hù)欄如果采用與BFRP護(hù)欄相同的厚度，則其碰撞性能更差，故在滿足《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2006)要求的前提下，將鋼護(hù)欄的立柱和橫梁厚度減小。鋼護(hù)欄截面尺寸與BFRP護(hù)欄尺寸相同，但立柱壁厚為5 mm，橫梁壁厚為6 mm。若立柱和橫梁厚度減小后的鋼護(hù)欄的碰撞性能比BFRP護(hù)欄差，則更能說明BFRP護(hù)欄在防撞性能方面的優(yōu)越性。

圖1 梁柱式BFRP護(hù)欄Fig.1 BFRP beam-column guardrail

2 護(hù)欄碰撞仿真系統(tǒng)

2.1 汽車模型

為了分析不同車型與護(hù)欄碰撞過程中的力學(xué)性能，本文中分別選取了1.5 t的小汽車和10 t的大貨車，小汽車共有5 025個節(jié)點，5 337個單元：大貨車總共有38 955個節(jié)點，36 539個單元。汽車模型見圖2和圖3。

圖2 小汽車模型Fig.2 The finite element model of car

圖3 大貨車模型Fig.3 The finite element model of truck

2.2 模型單元和材料類型選擇

對于汽車模型，主要采用殼單元(SectShell)；對于發(fā)動機的構(gòu)建采用實體單元(SectSolid)，材料類型采用MATL24號彈塑性材料；而對于連續(xù)玄武巖纖維復(fù)合材料，選取的也是殼單元(SectShell)，材料類型選取MATL54_55材料模型。復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則采用Chang-chang失效準(zhǔn)則[18-20]，這種失效準(zhǔn)則對于復(fù)合材料的變形過程非常適用。

2.3 模型系統(tǒng)控制要點

整個護(hù)欄碰撞系統(tǒng)是一個龐大而復(fù)雜的系統(tǒng)，系統(tǒng)有重要的控制點，例如部件之間的連接、接觸類型、接觸算法等。對于車輛之間的連接，采用焊點連接(Spotweld)，而對于護(hù)欄之間的連接，按高強螺栓(Bolts)連接進(jìn)行模擬。對于接觸類型的選取，護(hù)欄之間的接觸類型采用自動點-面接觸，車輛之間的接觸類型采用自動面-面接觸，汽車與護(hù)欄之間的接觸類型采用自動面-面接觸。小汽車與護(hù)欄碰撞系統(tǒng)見圖4。

圖4 護(hù)欄碰撞系統(tǒng)Fig.4 Collision system

3 護(hù)欄碰撞仿真性能驗證

驗證護(hù)欄碰撞仿真性能的一個重要因素就是沙漏能，一般認(rèn)為系統(tǒng)沙漏能控制在10%以下則認(rèn)為碰撞過程仿真性能良好[21]。在本文的碰撞過程中，各種能量轉(zhuǎn)化關(guān)系見圖5。

圖5 碰撞能量圖Fig.5 The chart of energy conversion

由圖5可知，整個碰撞過程的沙漏能約占用能量的9%，故本文碰撞過程仿真性能良好。

4 護(hù)欄碰撞仿真結(jié)果分析

為了研究新型BFRP護(hù)欄的可行性，本文以《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)[22]為基準(zhǔn)，探討新型護(hù)欄導(dǎo)向功能和防撞性能，防撞分析對比指標(biāo)為碰撞后座椅位置處加速度的最大值以及碰撞過程護(hù)欄能量的吸收情況。小汽車碰撞速度為100 km/h，大貨車碰撞速度為60 km/h，碰撞角度均為20°。

4.1 護(hù)欄的導(dǎo)向功能

橋梁護(hù)欄在碰撞過程中需要對碰撞車輛起到有效的導(dǎo)向作用，不能出現(xiàn)翻越、騎跨及穿越護(hù)欄的現(xiàn)象。本文設(shè)計的護(hù)欄在分別受小汽車和大貨車碰撞過程中均沒有出現(xiàn)材料失效的現(xiàn)象，并且BFRP護(hù)欄對車輛具有良好的導(dǎo)向功能，沒有出現(xiàn)翻越、騎跨及穿越護(hù)欄的現(xiàn)象，其中0.05 s、0.25 s、0.5 s和1.25 s時貨車碰撞過程見圖6。

(a)0.05 s碰撞圖

(b)0.25 s碰撞圖

(c)0.5 s碰撞圖

(d)1.25 s碰撞圖圖6 貨車碰撞過程Fig.6 The collision process of truck

4.2 護(hù)欄的緩沖功能

對于護(hù)欄緩沖功能的描述，主要是分析碰撞后縱橫向最大加速度值，碰撞過程中最大加速度值越小，護(hù)欄緩沖功能越好，對于車輛和乘員的損傷也越小。《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)中4.2.2條規(guī)定，碰撞后乘員位置處加速度的橫向(X方向)與縱向(Y方向)分量均不得大于200 m/s2(約20g，g為重力加速度，取9.81 m/s2)。

4.2.1 對小汽車緩沖功能

利用后處理軟件HyperView提取小汽車碰撞過程中車輛座椅處X、Y方向加速度值，具體見圖7和圖8。BFRP護(hù)欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為16.88g，Y方向最大加速度值為11.33g，均小于規(guī)范中的20g，故滿足規(guī)范要求。鋼護(hù)欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為18.92g，Y方向最大加速度值為12.30g。可見，BFRP護(hù)欄在與小汽車碰撞過程中X、Y方向加速度值都要小于鋼護(hù)欄。

圖7 碰撞過程X方向加速度曲線Fig.7 The acceleration of X-direction

圖8 碰撞過程Y方向加速度曲線Fig.8 The acceleration of Y-direction

4.2.2 對大貨車緩沖功能

大貨車在碰撞過程中車輛座椅處X、Y方向加速度曲線見圖9和圖10。BFRP護(hù)欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為10.43g，Y方向最大加速度值為11.61g，小于規(guī)范中的20g，故滿足規(guī)范要求。鋼護(hù)欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為11.81g，Y方向最大加速度值為14.46g?？梢?，BFRP護(hù)欄在與大貨車碰撞過程中X、Y方向加速度值都要小于鋼護(hù)欄。

圖9 碰撞過程X方向加速度曲線Fig.9 The acceleration of X-direction

4.3 碰撞過程護(hù)欄能量吸收

橋梁護(hù)欄在碰撞過程中除了要具有阻擋、導(dǎo)向功能，還應(yīng)具備良好的吸能特性，故在碰撞過程中能量的轉(zhuǎn)換也是評價護(hù)欄碰撞性能好壞的一個重要指標(biāo)。在HyperMesh后處理軟件HyperView中可以對碰撞過程中每個構(gòu)件的能量吸收做出統(tǒng)計，本次有限元模擬過程中，在小汽車碰撞過程中兩種材料的護(hù)欄能量吸收情況見圖11。

圖10 碰撞過程Y方向加速度曲線Fig.10 The acceleration of Y-direction

圖11 能量吸收對比圖Fig.11 The comparison chart of energy absorption

由圖11可見，橫梁在碰撞過程中吸收了大量能量，并且BFRP護(hù)欄立柱和橫梁在碰撞過程中的能量吸收值相比于鋼護(hù)欄都要高，BFRP護(hù)欄吸收總能量約100 kJ，鋼護(hù)欄吸收總能量約60 kJ，BFRP護(hù)欄緩沖功能要優(yōu)于鋼護(hù)欄，即BFRP護(hù)欄在碰撞過程中對于車輛的損害也小。

結(jié)合4.2和4.3，可以得出，BFRP護(hù)欄相比于鋼護(hù)欄有著更好的防撞性能。

5 結(jié) 論

本文通過CAE軟件HyperMesh建立BFRP護(hù)欄碰撞系統(tǒng)，利用非線性顯式動力學(xué)軟件LS-DYNA模擬碰撞過程，得到以下結(jié)論：

(1)碰撞過程中系統(tǒng)沙漏能小于10%的總能量，說明本文有限元模擬過程具有良好的仿真性能，能夠真實的反映出碰撞過程。

(2)通過分析車輛與BFRP護(hù)欄在碰撞過程的行駛軌跡，可以看出BFRP護(hù)欄對車輛有著良好的導(dǎo)向功能。

(3)車輛與BFRP護(hù)欄在碰撞過程中座椅位置處的橫(X)、縱(Y)加速度值均小于規(guī)范容許值，可以看出BFRP護(hù)欄對車輛有著良好的緩沖功能。

(4)通過對比BFRP護(hù)欄與鋼護(hù)欄碰撞過程中的加速度和碰撞能量，發(fā)現(xiàn)BFRP護(hù)欄能夠更好地降低車輛的加速度值，也能夠更好地吸收碰撞能量，可見BFRP護(hù)欄的防撞性能優(yōu)于鋼護(hù)欄。

(5)本文設(shè)計的BFRP護(hù)欄可以作為實際生產(chǎn)設(shè)計依據(jù)，但需要實車碰撞試驗更進(jìn)一步的驗證。