基于裝配式混凝土防撞墻寬度對其防撞性能影響的研究

王小龍，林夢晗，苗瑞峰

（1.山西高速集團(tuán) 朔神有限責(zé)任公司，山西朔州 036000；2.太原理工大學(xué)，山西太原 030002）

0 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，交通擁堵現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，為解決日益增大的交通壓力問題，道路橋梁建設(shè)工程在全國各地大量開展。根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006）和《城市橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 11—2011）的規(guī)定，公路橋梁和城市橋梁兩側(cè)應(yīng)設(shè)置防撞護(hù)欄，鋼筋混凝土防撞墻是防撞護(hù)欄的主要應(yīng)用形式之一。裝配式鋼筋混凝土防撞墻能在滿足裝配式建設(shè)的前提下，極大地降低汽車碰撞時(shí)汽車吸收的能量，是道路橋梁路側(cè)防護(hù)中不可缺少的重要組成部分。

胡煜文等人[1]開展了F 型混凝土防撞墻與單坡型混凝土防撞墻的防撞性能對比研究，證明合理的截面形式有助于提高防撞墻的防撞性能。黃紅武[2]開展了轎車與高速公路防撞墻的碰撞數(shù)值研究，發(fā)現(xiàn)不止外在因素會(huì)顯著改變模擬情況，內(nèi)在因素的變化一樣會(huì)對防撞墻的防撞性能產(chǎn)生明顯影響。王維利[3]也對防撞護(hù)欄的臨界高度問題做了深入研究。以上研究結(jié)果表明防撞墻的高度寬度與防撞墻性能密切相關(guān)。

近幾年，科研院所各大高校對裝配式橋墩、上部結(jié)構(gòu)做了大量試驗(yàn)，也提出了很多合理方案。但是對于橋梁附屬設(shè)施目前的研究仍相對較少，特別是對于裝配式防撞墻的研究國內(nèi)基本處于空白階段，沒有對防撞墻截面高度、寬度與防撞性能間聯(lián)系規(guī)律作合理分析。這對發(fā)展我國橋梁道路全裝配來說是一個(gè)亟待解決的問題。

本文采用LS-DYNA 和Hypermesh 共同仿真分析的方法，建立了汽車與防撞墻碰撞耦合有限元模型，運(yùn)用有限元仿真分析方法對汽車與防撞墻碰撞的過程進(jìn)行分析，研究了裝配式混凝土防撞墻截面高度、寬度與防撞墻防撞性能間的聯(lián)系規(guī)律，為裝配式防撞墻的設(shè)計(jì)施工提供幫助。

1 研究目標(biāo)

該研究中使用的預(yù)制防撞墻是基于我國現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)則》（JTG∕T D81—2017）中規(guī)定的F 型混凝土護(hù)欄。護(hù)欄防護(hù)等級采用SS 等級，高度為1 100 mm，寬度為525 mm，其橫截面尺寸和典型鋼筋如圖1所示。護(hù)欄寬度每減少25 mm，就形成一個(gè)試驗(yàn)組，共有5 個(gè)試驗(yàn)組。

2 有限元模型

2.1 裝配式防撞墻的有限元模型

該模型裝配段長度設(shè)置為4 000 mm，各裝配段之間不設(shè)置連接；該模型主要由4 部分組成，包括防撞墻內(nèi)部鋼筋、防撞墻混凝土主體、角鋼和底座。其中，縱筋為10φ12，長度為4 000 mm；箍筋14φ12，間距150 mm；角鋼尺寸為L75×75×10×10，每根長度設(shè)置為300 mm，間距為700 mm。首先使用Hypermesh 軟件對制作的防撞墻進(jìn)行建模，并分別對3 個(gè)部分進(jìn)行網(wǎng)格劃分。將模型導(dǎo)出為K 文件格式后，使用LS-DYNA 軟件對模型各部分材料進(jìn)行設(shè)置并設(shè)置接觸條件及邊界條件。內(nèi)部鋼筋均為HRB400 鋼筋，材料類型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT-003），截面設(shè)置為BEAM元件截面。根據(jù)規(guī)范要求，防撞墻混凝土主體選用C40 混凝土，材料類型選用LS-DYNA[4]中的MAT_CSCM_CONCRETE（MAT-159），截面選用SOLID 截面，具體參數(shù)見表1。角鋼材料設(shè)置與內(nèi)部鋼筋相同，截面類型設(shè)置為SOLID 截面。裝配式防撞墻被汽車撞擊時(shí)，主要受力構(gòu)件是防撞墻與地面的連接部位以及防撞墻主體。因此角鋼與混凝土地面之間的接觸采用固結(jié)，混凝土底面與地面之間的連接采用CONTACT_AUTOMAIC_SEFACE_TO_SURFCE，靜摩擦系數(shù)和動(dòng)摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.3。為保證鋼筋與混凝土的共同變形，內(nèi)部鋼筋與混凝土之間的接觸均設(shè)置為CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

表1 模型參數(shù)

2.2 汽車模型

我國有許多類型的車輛，從撞擊力與構(gòu)件破壞情況等角度來看，高速公路上最危險(xiǎn)的車輛是大型卡車。根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006），選取中大型卡車，對裝配式防撞墻的碰撞性能進(jìn)行測試。因此，采用質(zhì)量為30 t 的大型卡車作為模擬試驗(yàn)車輛，該30 t 卡車由16 t 大卡車模型和14 t 貨物裝配組成?？ㄜ嚹Ｐ蛠碜試遗鲎卜治鲋行模∟CAC），長度×寬度×高度分別為10 000 mm×2 500 mm×3 000 mm，汽車模型如圖2所示。汽車與防撞墻間的接觸采用CONTACT_AUTOMAIC_SEFACE_TO_ SURFCE，動(dòng)靜摩擦系數(shù)均設(shè)置為0.3，汽車輪胎與地面的接觸通過關(guān)鍵字RIGIDWAL_PLANER 實(shí)現(xiàn)。

圖2 汽車模型

2.3 其他設(shè)置

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的要求，碰撞試驗(yàn)中車輛與護(hù)欄的碰撞點(diǎn)選擇距離護(hù)欄起點(diǎn)沿行駛方向的1∕3 護(hù)欄長度處，車輛與護(hù)欄之間的碰撞角為20°，碰撞速度為60 km∕h。

3 仿真結(jié)果分析

基于LS-DYNA 有限元模擬技術(shù)，該方法適用于求解大變形碰撞運(yùn)動(dòng)。本文建立了車輛與不同寬度混凝土防撞墻碰撞的有限元模型。選擇車輛交叉條件、碰撞后車輛出口引導(dǎo)和車輛重心加速度作為評估，對不同寬度的預(yù)制混凝土防撞墻的防撞性能指標(biāo)進(jìn)行了評價(jià)。

3.1 能量分析

卡車與典型構(gòu)件碰撞時(shí)，總能量為4.5e6J，基本保持不變；隨著時(shí)間的增加，動(dòng)能從4.2e6J 逐漸降低到3.2e6J；隨著時(shí)間的增加，內(nèi)能從3.8e3J 增加到5.1e5J；沙漏能量控制在10%以內(nèi)，這證明碰撞模型滿足動(dòng)力學(xué)要求，數(shù)據(jù)可信[5]。

3.2 護(hù)欄強(qiáng)度

從模擬結(jié)果的動(dòng)態(tài)演示中可以看出車輛與混凝土防撞墻的碰撞過程大致可分3 個(gè)階段：車頭爬升與下落階段、車尾撞擊階段與車輛防撞墻分離階段。混凝土防撞墻強(qiáng)度對安全防護(hù)性能有重要意義。

圖3 給出了典型構(gòu)件等效塑性應(yīng)變?？梢钥闯觯鲎策^程中混凝土防撞墻的破壞主要集中在防撞墻迎撞面頂部與根部。破壞位置處的等效塑性應(yīng)變最高可達(dá)0.099，已遠(yuǎn)超過混凝土的極限拉應(yīng)變0.000 2，表示這些部位的混凝土產(chǎn)生了較大程度的破壞。然而構(gòu)件破壞的區(qū)域相對較為集中，防撞墻迎撞面中部區(qū)域的混凝土等效塑性應(yīng)變迅速降低至0，表示混凝土并未破壞。由此可見汽車撞擊混凝土防撞墻的破壞僅僅是局部的。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)這些破壞主要是由汽車車頭碰撞與車頭脫離防撞墻后拖車擺尾過程中被拋起后在下落和前行過程中與護(hù)欄摩擦碰撞造成的?；炷练雷矇εc底座連接部位未發(fā)生明顯破壞，角鋼與底部未發(fā)生分離。由此可見，混凝土防撞墻的承載能力有較大的剩余。但隨著防撞墻寬度降低，構(gòu)件底部發(fā)生破壞，連接失效。

圖3 混凝土等效塑性應(yīng)變

3.3 沖擊力

圖4 為汽車與典型構(gòu)件撞擊過程的沖擊力曲線。從圖4 大致可以看出汽車與防撞墻碰撞的3 個(gè)階段：第1 階段為車頭與護(hù)欄碰撞階段；第2 階段為拖車與護(hù)欄碰撞階段；第3 階段為貨車脫離護(hù)欄的駛出階段。各試件撞擊力峰值見表2。

表2 沖擊力峰值

圖4 沖擊力曲線

對比可知，沖擊力峰值隨防撞墻寬度降低而降低，是由于試件寬度過低而底部失效造成連接剛度降低，從而導(dǎo)致沖擊力峰值降低。

3.4 位移

圖5 給出了車輛與典型構(gòu)件撞擊時(shí)的位移曲線?？梢钥闯觯炷练雷矇κ芷囎矒舢a(chǎn)生的位移峰值為15.89 mm，防撞墻未發(fā)生傾覆，防撞墻整體變形不嚴(yán)重，可以較好地承受汽車的側(cè)向撞擊。汽車不會(huì)發(fā)生騎跨和翻越防撞墻等危險(xiǎn)，司乘人員的安全性可以較好地得到保障。

圖5 位移曲線

3.5 車輛穿越情況分析

本文選擇450 mm 寬的試驗(yàn)組作為碰撞分析的對象。0 s 時(shí)，大卡車開始以60 km∕h 的速度從與防撞墻成20°的角度行駛，如圖6a所示；在0.07 s 時(shí)，大卡車開始接觸組裝好的防撞墻，車速開始降低，如圖6b所示；在0.44 s 時(shí)，大卡車的速度方向開始與防撞墻的縱向方向一致，如圖6c所示；在0.5 s 時(shí)，大卡車離開防撞墻，兩者不再接觸，如圖6d所示。

圖6 碰撞試驗(yàn)

在5 組碰撞試驗(yàn)中，5 組試驗(yàn)中的車輛首先通過車輛的前保險(xiǎn)杠與防撞壁碰撞，并在碰撞過程中受到防撞壁的側(cè)向力，從而改變了運(yùn)動(dòng)方向，最后讓大卡車駛離防撞墻。在試驗(yàn)中，只有第5 組車輛因防撞墻下部連接結(jié)構(gòu)失效而輕微交叉。從這個(gè)角度來看，寬度的變化不會(huì)使作用在車輛上的力的高度發(fā)生顯著變化。當(dāng)防撞墻連接節(jié)點(diǎn)的強(qiáng)度足夠時(shí)，在這種情況下，車輛不會(huì)交叉或翻轉(zhuǎn)，只會(huì)簡單地增加連接處的應(yīng)力水平。只有當(dāng)接頭處的應(yīng)力超過接頭的最大承載應(yīng)力時(shí)，車輛才會(huì)越過防撞墻。

3.6 重心加速度

在該試驗(yàn)中，車輛重心加速度作為評價(jià)防撞墻防撞性能的指標(biāo)。車輛的初始行駛方向?yàn)閄方向，車輛橫截面的切線方向?yàn)閅方向。分析結(jié)果：從加速度時(shí)程曲線可以發(fā)現(xiàn)，車輛重心加速度在X和Y方向上有明顯的兩階段變化。在第一階段，加速度迅速增加，加速度峰值迅速出現(xiàn)；在第二階段，加速度穩(wěn)定下降并保持波動(dòng)。比較不同試驗(yàn)組的峰值加速度，可以看出，5組的加速度均未超過200 m∕s2，符合“標(biāo)準(zhǔn)”緩沖性能要求。根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”對車輛出口角的要求，在碰撞角為20°時(shí)，車輛出口角應(yīng)小于12°。在對所有試驗(yàn)組進(jìn)行模擬分析后，除了第5 組試驗(yàn)因車輛越過防撞墻而不符合制導(dǎo)要求外，其余4 組試驗(yàn)均符合“標(biāo)準(zhǔn)”的制導(dǎo)指標(biāo)，并且由于寬度減小而沒有產(chǎn)生制導(dǎo)能力。

4 結(jié)語

以5 組不同寬度的裝配式防撞墻為研究對象，利用LS-DYNA 和Hypermesh 軟件模擬了整個(gè)碰撞過程，并分析了5 組不同防撞墻的防撞性能。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)裝配式防撞墻的寬度減少125 mm 時(shí)，防撞墻底部連接器的強(qiáng)度無法滿足要求，并開始出現(xiàn)損壞，最終導(dǎo)致碰撞測試車輛越過防撞墻；當(dāng)防撞墻的寬度未達(dá)到導(dǎo)致連接構(gòu)件損壞的臨界寬度時(shí)，防撞墻寬度的變化不會(huì)對裝配式防撞墻的防撞性能產(chǎn)生顯著影響；當(dāng)防撞墻的寬度達(dá)到臨界寬度時(shí)，裝配式防撞墻的防撞性能將發(fā)生突變。對防撞墻寬度的研究，將為同類裝配式防撞墻的防撞性能分析提供參考，為今后防撞墻的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。