裝配式混凝土防撞墻防撞擊性能與數(shù)值分析

王志超，張冠華，王威赫

(1.沈陽建筑大學(xué) 沈陽市 110168; 2.遼寧省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 沈陽市 110166)

1 背景介紹

防撞墻雖然是橋梁結(jié)構(gòu)中附屬設(shè)施，但其對(duì)保障行車安全，防止車輛駛離公路，減少道路事故的產(chǎn)生具有重要的作用。裝配式防撞墻是一種重要的防護(hù)物，在現(xiàn)代技術(shù)中的防撞墻通常是采用現(xiàn)澆法施工，由于防撞墻通常是在施工完成后現(xiàn)場(chǎng)澆筑，需要安裝內(nèi)側(cè)模板和外側(cè)模板，并在兩者之間澆注混凝土以形成防撞墻，且模板安裝工藝較復(fù)雜，需要輔助安裝設(shè)備，工期長(zhǎng)、工效低，易發(fā)生跑?，F(xiàn)象，從而導(dǎo)致防撞墻凹凸不平，影響橋梁外觀。

結(jié)合城市建設(shè)需求，裝配式防撞墻的研究和應(yīng)用成為一項(xiàng)新的課題。目前對(duì)于防撞墻的預(yù)制結(jié)構(gòu)的研究應(yīng)用，很有必要也勢(shì)在必行。

裝配式防撞墻由工廠預(yù)制生產(chǎn)，施工質(zhì)量可以得到有效地保證，橋梁工程中采用裝配式防撞墻不僅能夠縮短施工工期，還能有效地減少混凝土因收縮徐變對(duì)防撞墻性能帶來的不利影響。南志等[1]將倒置預(yù)制施工方法應(yīng)用于防撞墻的預(yù)制，研究結(jié)果表明，該方法可以提高防撞墻的施工質(zhì)量，有效降低施工成本與后期維護(hù)成本。

項(xiàng)貽強(qiáng)等[2]將防撞墻與橋梁主梁共同預(yù)制，解決了防撞墻與橋梁主梁混凝土收縮徐變不一致的問題。通過工程實(shí)例闡述了橋梁快速施工的技術(shù)方法，體現(xiàn)了其施工優(yōu)勢(shì)，并給出相應(yīng)的細(xì)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該連接方式牢固可靠，與主梁混凝土無齡期差異，整體力學(xué)性能良好。

為了使裝配式防撞墻能夠安全可靠地服務(wù)于橋梁工程的發(fā)展，保障行車安全，國(guó)內(nèi)知名學(xué)者采用了不同方法對(duì)裝配式混凝土防撞墻的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

一些學(xué)者對(duì)裝配式防撞墻的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，研究了不同結(jié)構(gòu)形式的裝配式防撞墻的力學(xué)性能。

馮長(zhǎng)林等[3]設(shè)計(jì)了一種預(yù)制空心混凝土防撞護(hù)欄，這種防撞墻結(jié)構(gòu)構(gòu)造較為簡(jiǎn)單，能節(jié)約混凝土材料，提高施工速度，具有良好的經(jīng)濟(jì)性和應(yīng)用推廣前景。

張鵬等[4]采用數(shù)值模擬方法對(duì)不同的斷面形式的剛性防撞墻進(jìn)行了大量的對(duì)比分析，研究了混凝土剛性防撞墻截面形式對(duì)碰撞影響的過程。研究表明，通過改變混凝土剛性防撞墻的斷面形狀，在合理的形狀下，防撞墻的防撞性能可以提升。

連接方式對(duì)裝配式防撞墻的力學(xué)性能有重要影響，一些學(xué)者對(duì)裝配式防撞墻的連接方式展開了深入的研究。

廖滿軍等[5]提出采用了一種快速連接設(shè)計(jì)方案，主要是通過先在結(jié)構(gòu)中預(yù)埋鋼板和角鐵焊接，形成一個(gè)整體，然后用漿錨連接技術(shù)提升施工效率。有限元分析結(jié)果表明，這種連接方式能夠完全滿足防撞墻力學(xué)要求。應(yīng)用于工程中可降低施工成本，有效提高施工效率。

蘇高裕[6]提出了裝配式防撞墻縱向連接的三種形式：企口連接、背部型鋼連接和傳力桿連接，并通過試驗(yàn)和有限元模擬的方法對(duì)三種不同連接形式的裝配式防撞墻的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。

裝配式防撞墻的抗沖擊能力是評(píng)判其力學(xué)性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，因此，部分學(xué)者對(duì)此開展了相關(guān)研究。

衛(wèi)軍等[7]根據(jù)動(dòng)力學(xué)和能量原理，采用三維有限元軟件對(duì)防撞墻的力學(xué)性能進(jìn)行模擬，得到了防撞墻抗沖擊能力的計(jì)算方法。

謝智敏[8]通過試運(yùn)行和碰撞試驗(yàn)，測(cè)試了預(yù)制防撞墻的承載力。結(jié)果表明，當(dāng)連接滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求時(shí)，預(yù)制防護(hù)墻的承載力滿足工程力學(xué)要求。

石紅星等[9]用機(jī)械振動(dòng)法對(duì)混凝土防撞墻進(jìn)行了碰撞安全研究，對(duì)車輛與混凝土防撞墻的碰撞過程進(jìn)行了合理的簡(jiǎn)化。

運(yùn)用ABAQUS建立裝配式防撞墻碰撞體模型，對(duì)汽車—防撞墻碰撞的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，本研究模擬了裝配式混凝土防撞墻的受沖擊過程，分析了不同撞擊位置下裝配式防撞墻的破壞過程。

2 模型建立

2.1 基本假設(shè)

把汽車等效為質(zhì)量塊，考慮到汽車碰撞過程中為光滑的曲面，將質(zhì)量塊前端設(shè)置倒角，形成光滑曲面。防撞墻—汽車碰撞計(jì)算的基本假設(shè)有以下內(nèi)容：

(1)假定防撞墻墻體之間完整連續(xù)，所有的構(gòu)件連接良好。

(2)假定防撞墻—汽車碰撞過程可能的接觸是汽車的前端。

(3)假定汽車在碰撞過程中不受障礙物的影響，碰撞過程為平面運(yùn)動(dòng)，不考慮汽車的翻轉(zhuǎn)和騰空，不考慮空氣阻力的影響。

(4)不考慮汽車摩擦作用的影響，也不考慮汽車和路面及防撞墻的摩擦作用。

(5)不考慮汽車自身變形。

2.2 模型建立

在ABAQUS上為了節(jié)約計(jì)算的時(shí)間和增加計(jì)算時(shí)的收斂性，在一定范圍內(nèi)可以簡(jiǎn)化一下模型。在模型中兩個(gè)接觸面的interaction中設(shè)置的切向摩擦系數(shù)是0.5?；炷梁弯摻畹淖冃蜗禂?shù)接近，而且他們之間沒有明顯的滑移關(guān)系，所以沒有考慮粘結(jié)滑移的影響。

(1)裝配式防撞墻混凝土單元選擇C3D8R，即為八結(jié)點(diǎn)線性六面體單元?？v筋選擇兩節(jié)點(diǎn)T3D2三維桁架單元；箍筋選擇桁架單元建立T3D2單元。

(2)接觸面屬性：對(duì)部件進(jìn)行組裝時(shí)構(gòu)件之間采用tie的方式進(jìn)行連接，輸入相應(yīng)的摩擦系數(shù)為0.5。為達(dá)到與真實(shí)情況相近的模擬結(jié)果，對(duì)模型底部約束三個(gè)方向的位移和轉(zhuǎn)角，采用的是全約束；鋼筋籠采用embedded region內(nèi)置區(qū)域約束條件與混凝土組合形成整體。模型采用的是切向行為，方向?yàn)楦飨蛲浴?/p>

(3)邊界條件及荷載加載過程：因?yàn)槠嚒雷矇υ谂鲎策^程中，主要考慮碰撞區(qū)域，其它區(qū)域在空間自由度上都被約束。建模過程中主梁底部固結(jié)，按照所要求的條件完成約束。因?yàn)榉雷矇Φ膬啥藢?duì)模擬的影響較小，故防撞墻的兩端也設(shè)定為全部自由度被約束，

(4)網(wǎng)格劃分和模擬的精確程度關(guān)系很大，在防撞墻和翼緣板設(shè)置合理邊距網(wǎng)格，使計(jì)算更為準(zhǔn)確。將汽車簡(jiǎn)化處理為質(zhì)量塊，表1為汽車碰撞條件。

表1 汽車碰撞條件

對(duì)于防撞墻—汽車碰撞系統(tǒng)中車輛的受力問題，可以作如圖1所示分解。

圖1 汽車碰撞受力分解圖

將汽車模型定為小轎車，汽車自身質(zhì)量為1.4t。為了研究裝配式防撞墻的防撞擊性能，把汽車模型簡(jiǎn)化成彈性體，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3。汽車以20°的角度撞向防撞墻時(shí)，速度可以分解為橫向速度和縱向速度，為了有效分析汽車碰撞過程中的瞬時(shí)受力問題，把汽車撞向防撞墻的力也分解為橫向作用力和縱向作用力。汽車—防撞墻碰撞有限元模型圖如圖2所示。

圖2 汽車-防撞墻碰撞有限元模型圖

3 不同撞擊位置下防撞墻破壞過程對(duì)比分析

3.1 防撞墻連接處的撞擊破壞過程分析

裝配式防撞墻連接處在汽車沖擊作用下，其破壞云圖如圖3所示。

圖3 防撞墻破壞云圖

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，防撞墻在汽車的撞擊作用下，通過產(chǎn)生更大的位移和結(jié)構(gòu)變形來減小汽車的碰撞能。一般在車輛撞向防撞墻連接處時(shí)，車輛前輪會(huì)卡死在防撞墻，此時(shí)可以通過位移變形來使車輛爬升從而回到正常行駛方向，防止汽車沖出路外。車輛碰撞時(shí)，防撞墻通過阻擋作用使汽車速度減小，使汽車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為防撞墻的內(nèi)能。護(hù)欄上半部分為主要的受撞區(qū)，區(qū)域應(yīng)力最大。裝配式防撞墻結(jié)構(gòu)的混凝土鋼筋應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 防撞墻混凝土鋼筋應(yīng)力云圖

汽車碰撞防撞墻連接處時(shí)，混凝土裂縫主要沿著初始方向繼續(xù)發(fā)育擴(kuò)展。在撞擊力的作用下，上部區(qū)域承受壓力作用使變形不斷增加，破壞位置沿著防撞墻截面擴(kuò)展。防撞墻與翼緣板的連接處鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力345MPa，符合破壞規(guī)則，防撞墻連接處在汽車撞擊作用下，混凝土的拉壓應(yīng)力均達(dá)到其極限應(yīng)力值。豎向鋼筋在裝配式防撞墻裝配過程中主要承受彎拉作用，豎向鋼筋起到的連接作用比較明顯。汽車撞向防撞墻時(shí)，保持角度不變，沒有出現(xiàn)掉頭現(xiàn)象。

此外汽車在碰撞防撞墻時(shí)，防撞墻通過產(chǎn)生更大的位移和結(jié)構(gòu)變形來減小汽車的碰撞能，減小動(dòng)能轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形勢(shì)能的總量，最大位移量為38.6mm，滿足規(guī)范《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(JTG B05-01—2013)要求車輛碰撞防撞墻最大變形量不得超過100mm。加速度響應(yīng)曲線峰值度處于可接受的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了模擬的防撞墻——汽車碰撞有限元模型是可靠有效的。

3.2 防撞墻一般位置處撞擊破壞過程分析

裝配式防撞墻一般位置處在汽車沖擊作用下，其破壞云圖如圖5所示。

圖5 防撞墻破壞云圖

根據(jù)模擬結(jié)果分析可知，防撞墻的一般位置在汽車的撞擊作用下，通過產(chǎn)生更大的位移和結(jié)構(gòu)變形來減小汽車的碰撞能。護(hù)欄上半部分為主要的受撞區(qū)，區(qū)域應(yīng)力最大。受壓損傷主要集中在碰撞區(qū)和連接處，相鄰一塊的防撞墻基本沒有受壓損傷。在沖擊過程中，主要是受拉損傷，受拉損傷主要集中在碰撞點(diǎn)和翼緣板上，相鄰一塊的防撞墻也受到受壓損傷。裝配式防撞墻結(jié)構(gòu)的混凝土鋼筋應(yīng)力云圖如圖6所示。

圖6 防撞墻混凝土鋼筋應(yīng)力云圖

從圖6可看出汽車碰撞防撞墻一般位置時(shí)，在撞擊力的作用下，上部區(qū)域承受壓力作用使變形不斷增加，破壞位置沿著防撞墻截面擴(kuò)展，與之相鄰的防撞墻也會(huì)受到影響。防撞墻與翼緣板的連接處鋼筋達(dá)到屈服應(yīng)力345MPa，符合破壞規(guī)則。豎向鋼筋在裝配式防撞墻裝配過程中主要承受彎拉作用，豎向鋼筋起到的連接作用比較明顯。

此外汽車在碰撞防撞墻時(shí)，最大位移量為34.2mm，滿足規(guī)范中的不得大于100mm的要求。加速度響應(yīng)曲線峰值度處于可接受的范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了模擬的防撞墻-汽車碰撞有限元模型是可靠有效的。

4 結(jié)果與討論

汽車碰撞的能量條件，按以下公式計(jì)算：

(1)

式中：E為汽車碰撞防撞墻的能量(kJ)；m為汽車的質(zhì)量(t)；v為汽車碰撞防撞墻的速度(m/s)；θ為汽車撞向防撞墻時(shí)的角度(°)。

按照式(1)計(jì)算，結(jié)果如表2所示。

表2 汽車碰撞能量表

根據(jù)規(guī)范要求質(zhì)量為1.4t的車輛在80km/h速度下碰撞能量為353kJ，滿足規(guī)范中的要求，規(guī)范中要求SA等級(jí)的橋梁護(hù)欄的能量要求是400kJ，因此防撞墻滿足護(hù)欄的防撞等級(jí)。汽車以80km/h的車速和以20°的角度撞擊防撞墻時(shí)，車輛在碰撞前速度達(dá)到最大值，在碰撞的瞬間速度開始減小,汽車碰撞防撞墻時(shí)，汽車的速度變化很大，防撞墻有阻擋和緩沖的作用，使汽車的速度不斷減小。汽車在撞向混凝土防撞墻時(shí)，防撞墻的阻擋和緩沖作用改變了汽車前進(jìn)方向,這表明了結(jié)構(gòu)的沖擊能被消耗掉，防撞墻發(fā)生位移變化來進(jìn)行耗能。表3給出車輛在不同的碰撞點(diǎn)下，混凝土防撞墻峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量值。

表3 車輛在不同碰撞點(diǎn)下混凝土防撞墻峰值沖擊力與最大動(dòng)態(tài)變形量

根據(jù)有限元模擬分析結(jié)果得到在不同碰撞位置混凝土防撞墻沖擊力時(shí)程曲線和位移時(shí)程曲線，如圖7所示。

圖7 車輛-防撞墻沖擊力時(shí)程曲線

根據(jù)圖7所示，從車輛—防撞墻沖擊力時(shí)程曲線可以看出:在車輛碰撞過程中，當(dāng)車輛與防撞墻開始碰撞時(shí)，沖擊力時(shí)程曲線出現(xiàn)了第一個(gè)峰值，在0.01～0.02之間，在連接處的沖擊力大于在防撞墻一般位置處的沖擊力；在防撞墻的前段發(fā)生碰撞時(shí)，由于防撞墻的導(dǎo)向作用，使車輛的尾部再次與防撞墻發(fā)生碰撞，這時(shí)候出現(xiàn)第二個(gè)峰值，大約在0.1～0.15s之間。碰撞完成后，汽車與防撞墻分離，汽車的沖擊力不斷減小。

如圖8所示，觀察轎車碰撞過程中的能量曲線，動(dòng)能的減少是非線性的，隨著變形的擴(kuò)大，內(nèi)部的能量是越來越大，動(dòng)能通過能量的轉(zhuǎn)換而在減少，減少的動(dòng)能一部分轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，內(nèi)能隨著動(dòng)能的減少逐漸增加。防撞墻的初始動(dòng)能為344kJ，碰撞后的13ms內(nèi)，降到201kJ，在車輛碰撞的過程中，混凝土防撞墻受到的沖擊力最大，由于防撞墻有很強(qiáng)的阻擋能力和緩沖能力，汽車的速度逐漸降低，從而汽車的能量逐漸降低，對(duì)護(hù)欄的沖擊力也越來越小，由圖中可以看出，防撞墻的內(nèi)能增加了128kJ。當(dāng)t=0時(shí)，即在碰撞時(shí)刻，內(nèi)部的能量為0，動(dòng)能是最大值，當(dāng)t=0.15s時(shí)，動(dòng)能和內(nèi)能保持在一個(gè)固定值上，此時(shí)保持平衡且能量守恒，滿足了節(jié)約能源的要求和對(duì)車輛以及防撞墻自身的保護(hù)作用。

圖8 碰撞過程中的能量曲線

如圖9所示，取碰撞點(diǎn)的位移為分析對(duì)象，汽車在碰撞過程中，由于汽車與防撞墻撞擊的位置近，碰撞的時(shí)間較短，所以對(duì)二次變形的影響比較大，由于在連接處之間剛度小，所以在防撞墻連接處發(fā)生位移最大，隨著汽車與防撞墻接觸時(shí)位移迅速增大，位移最大達(dá)到38.6mm，而撞向防撞墻一般位置時(shí)，最大位移為34.2mm，位移變形滿足規(guī)范《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》所要求的在80km/h的汽車速度下，SA等級(jí)的防撞墻最大變形量不得超過100mm。在汽車的撞擊作用下，防撞墻通過產(chǎn)生更大的位移和結(jié)構(gòu)變形來減小汽車的碰撞能，避免發(fā)生更嚴(yán)重的事故。

圖9 汽車碰撞過程中位移時(shí)程曲線

5 結(jié)論

隨著科學(xué)的進(jìn)步和技術(shù)的提高，裝配式技術(shù)以后也會(huì)成為工程建設(shè)的主流趨勢(shì)。主要通過運(yùn)用ABAQUS建立碰撞體模型，對(duì)汽車—防撞墻碰撞的過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，研究不同撞擊位置下防撞墻的破壞過程，驗(yàn)證此種裝配式混凝土防撞墻的可靠性，得出了以下結(jié)論：

(1)有限元模擬結(jié)果表明:在汽車速度80km/h、碰撞角度為20°的條件下，車輛碰撞防撞墻能量小于規(guī)范中要求的400kJ，而且滿足車輛碰撞防撞墻最大變形量不得超過100mm的要求，新型裝配式混凝土防撞墻起到了阻擋、減速、引導(dǎo)的作用，滿足了相關(guān)規(guī)范要求。

(2)在不同的撞擊點(diǎn)作用下，在連接處的最大位移變形量為38.6mm，在防撞墻一般位置處最大位移變形量為34.2mm，混凝土防撞墻峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量值都滿足規(guī)范要求，而且防撞墻在吸收能量的方面起著重要的作用，動(dòng)能和內(nèi)能保持在一個(gè)固定值上，保持平衡且能量守恒，既節(jié)約能源又對(duì)車輛和防撞墻自身起到了保護(hù)作用。

(3)綜合上述模擬以及數(shù)值分析，汽車在與防撞墻發(fā)生碰撞時(shí)符合基本規(guī)則，建立的碰撞模型是可靠的，故而此裝配式混凝土防撞墻在受到汽車撞擊時(shí)所展現(xiàn)出來的性能是良好的。