混凝土結(jié)構(gòu)柔性防護(hù)技術(shù)與性能模擬分析

摘要：文章提出了將高性能吸能材料直接設(shè)置于混凝土結(jié)構(gòu)表面，改造形成組合式的柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，可解決現(xiàn)役混凝土護(hù)欄防護(hù)性能不達(dá)標(biāo)、拆除重新鋪設(shè)費(fèi)用較高且施工量大等問題。通過采用LS-DYNA軟件進(jìn)行碰撞模擬試驗(yàn)，分析了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的防護(hù)性能，并與現(xiàn)役混凝土護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)并未影響護(hù)欄的阻擋及導(dǎo)向功能，其變形防護(hù)、撞擊力及加速度等防護(hù)指標(biāo)均優(yōu)于原始混凝土護(hù)欄。同時(shí)，通過對(duì)不同厚度柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的模擬分析，得出了高性價(jià)比的防護(hù)層厚度范圍，為我國道路混凝土護(hù)欄的升級(jí)改造提供理論參考及工程借鑒。

關(guān)鍵詞：混凝土結(jié)構(gòu)；吸能材料；柔性防護(hù)；有限元分析

中圖分類號(hào)：U417.1

0 引言

隨著我國汽車保有量的持續(xù)增加，每年交通事故造成的傷亡給社會(huì)帶來嚴(yán)重影響。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在交通事故中，汽車與路邊防護(hù)設(shè)施發(fā)生碰撞的比例高達(dá)30%以上［1］。防護(hù)護(hù)欄是公路建設(shè)的重要設(shè)施，在我國2017年修訂的《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81-2017）中，對(duì)交通安全設(shè)施中的護(hù)欄進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定［2］。目前我國公路護(hù)欄主要分為剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄及柔性護(hù)欄，而采用較多的有剛性混凝土護(hù)欄及半剛性護(hù)欄中的波形護(hù)欄［3］。隨著車流量增加，道路護(hù)欄防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)要求也在逐漸增高，如果拆除原先的混凝土護(hù)欄，不僅會(huì)對(duì)原來的路基造成損壞，而且還會(huì)產(chǎn)生大量廢料，造成浪費(fèi)，增加成本。因此，研究混凝土護(hù)欄升級(jí)改造方案對(duì)降低道路維護(hù)成本具有重要的意義。

國內(nèi)對(duì)護(hù)欄的研究起步較晚［4］，再加上費(fèi)用及裝備研究不足，只能通過借鑒國外成熟的技術(shù)及理念，逐步完善我國護(hù)欄的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。我國于2013年修訂的《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01-2013）［5］，詳細(xì)規(guī)定了護(hù)欄的評(píng)價(jià)機(jī)制，對(duì)國內(nèi)道路防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施起到促進(jìn)作用。張茜［6］對(duì)高速公路舊橋防撞護(hù)欄進(jìn)行改進(jìn)提升，通過綜合考慮工程造價(jià)、工程施工、工期等諸多因素，提出了設(shè)計(jì)方案和計(jì)算方法供工程參考。石紅星等［7］通過計(jì)算機(jī)仿真模擬程序?qū)囕v碰撞混凝土護(hù)欄的數(shù)值模擬與應(yīng)用進(jìn)行了研究及分析，通過分析影響因素提出了混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)的建議。蔣鍵鋯等［8］采用超高性能混凝土裝配連接新節(jié)段拼裝護(hù)欄，通過數(shù)值模擬分析受力情況，得出新型節(jié)段能夠有效起到保護(hù)作用，對(duì)混凝土護(hù)欄裝配施工具有參考意義。趙永利等［9］對(duì)剛性護(hù)欄及半剛性護(hù)欄與車輛碰撞的安全性進(jìn)行了模擬分析，通過計(jì)算護(hù)欄變形、車輛質(zhì)心加速度及車輛軌跡，得出剛性護(hù)欄抗沖擊力大、導(dǎo)向差，半剛性護(hù)欄導(dǎo)向性好、抗沖擊性能差，建議根據(jù)具體需求及使用工況進(jìn)行選用。鄭植等［10］通過在混凝土護(hù)欄上設(shè)置復(fù)合材料防護(hù)板，對(duì)既有低等級(jí)混凝土護(hù)欄防護(hù)能力進(jìn)行了提升。結(jié)果表明，組合式護(hù)欄的防側(cè)翻及防護(hù)效果均有較大提升。因混凝土造價(jià)便宜，改造升級(jí)空間大，成為部分學(xué)者的研究熱點(diǎn)。

目前緩沖吸能材料在道路防護(hù)領(lǐng)域已經(jīng)得到了大量的應(yīng)用，本文結(jié)合現(xiàn)行混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)，采用高性能吸能材料設(shè)計(jì)開發(fā)了一種新型柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，旨在降低車輛碰撞對(duì)人員造成的傷害。通過有限元模擬分析碰撞過程，對(duì)新型結(jié)構(gòu)安全性能進(jìn)行了評(píng)估。

1 改進(jìn)方案及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

1.1 提升改進(jìn)方案

本文擬采用高性能吸能材料，設(shè)計(jì)一種安裝在混凝土墻式防撞護(hù)欄上的新型柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)車輛及人員的高效安全防護(hù)。柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)材料主要選用聚氨酯彈性體，內(nèi)部填充納米流體耗能體，采用壓板將柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)固定在混凝土護(hù)欄表面，最后貼上反光材料。緩沖耗能機(jī)理為：當(dāng)車輛失速后，先與表面柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)碰撞摩擦緩沖耗能，然后再壓縮內(nèi)部納米流體塊耗能，從而降低車輛碰撞動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)柔性防護(hù)，降低車輛及人員的傷害。該材料成本低、施工簡(jiǎn)單，可多次重復(fù)使用。如圖1所示。

本次采用前處理軟件Hypermesh和仿真分析Ls-Dyna軟件對(duì)其車輛碰撞護(hù)欄過程進(jìn)行模擬分析，分析車輛質(zhì)量及能量變化，以及混凝土變形情況分析，根據(jù)車輛行駛軌跡、車輛撞擊力和加速度分析結(jié)果對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

1.2 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)《汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)》（GB20071-2006）、《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB05-01-2013）等標(biāo)準(zhǔn)，本次對(duì)防護(hù)性能評(píng)價(jià)采用以下指標(biāo)：

（1）阻擋功能：車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，禁止車輛出現(xiàn)穿越、騎跨、翻越、下鉆護(hù)欄等現(xiàn)象；混凝土護(hù)欄及其緩沖吸能材料等構(gòu)件及其脫離碎片不允許侵入車輛乘員艙。

（2）導(dǎo)向功能：碰撞后護(hù)欄要能夠?qū)④囕v引導(dǎo)到車輛行駛方向，并且車輛不發(fā)生掉頭、橫轉(zhuǎn)、翻車等現(xiàn)象。

（3）緩沖功能：車輛重心位置和駕駛室位置的乘員碰撞橫向、縱向加速度的最大值≤20 g（即200 m/s2），碰撞速度＜12 m/s。

2 有限元分析

本節(jié)以現(xiàn)行混凝土護(hù)欄和安裝了納米吸能柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的混凝土護(hù)欄為研究對(duì)象。根據(jù)小型轎車車輛實(shí)際尺寸，采用前處理軟件Hypermesh，求解器LS-DYNA分別建立小型車輛與防護(hù)欄碰撞模型。其中車輛重量為1.5 t，碰撞速度為100 km/h，碰撞角度為20°，護(hù)欄混凝土材料采用Mat159號(hào)材料模型進(jìn)行模擬，材料參數(shù)采用Evaluation of LS-DYNA Concrete Material Model 159中測(cè)試報(bào)告值。小車-混凝土護(hù)欄碰撞有限元模型如圖2所示。

3 碰撞結(jié)果分析

3.1 可信度分析

模型車輛高速碰撞過程中的質(zhì)量增加曲線及能量曲線如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，經(jīng)過對(duì)整車質(zhì)量增加的比率進(jìn)行分析，整車質(zhì)量增加比率從8.234%增加到8.331%，增加比約為1.18%，＜5%，在控制范圍內(nèi)。

根據(jù)能量守恒定理，碰撞過程中總能量應(yīng)基本保持不變，動(dòng)能減小，內(nèi)能增加直至平衡不變，動(dòng)能逐漸轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，但內(nèi)能增加不多，能量主要由車輛自身變形耗散。為保證結(jié)果的有效性，總沙漏能＜5%，滑移界面能＜5%，可以看到，各能量變化平穩(wěn)，曲線光滑過度，碰撞過程中能量守恒，結(jié)果有效可信。如圖4所示。

3.2 變形分析

3.2.1 混凝土護(hù)欄碰撞

通過對(duì)混凝土護(hù)欄和車輛在碰撞過程中的變形進(jìn)行分析（見圖5），可以看到碰撞過程中，混凝土護(hù)欄無變形，但出現(xiàn)表面表皮掉落及車輛碰撞劃痕等，車輛沒有出現(xiàn)翻越和穿出護(hù)欄，也未出現(xiàn)掉頭、翻車等現(xiàn)象。車輛經(jīng)過混凝土護(hù)欄導(dǎo)向后平穩(wěn)駛出，但車輛防撞梁變形脫落，輪胎偏轉(zhuǎn)，引擎蓋及車門變形，結(jié)果如圖5（b）所示。

3.2.2 柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)欄碰撞

通過對(duì)比分析柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)和車輛在碰撞過程中的變形情況，可以看到碰撞過程中，柔性結(jié)構(gòu)表面防腐層掉皮，有車輛碰撞后的劃痕，未影響混凝土基體的導(dǎo)向和阻擋功能，結(jié)果如圖6（a）所示。柔性緩沖結(jié)構(gòu)的阻擋功能、導(dǎo)向功能均滿足要求，車輛防撞梁變形脫落，輪胎偏轉(zhuǎn)相較于混凝土護(hù)欄小，引擎蓋及車門變形也較小，綜合防護(hù)效果優(yōu)于混凝土護(hù)欄，結(jié)果如圖6（b）所示。

3.3 碰撞結(jié)果分析

3.3.1 撞擊力對(duì)比

采用小型客車對(duì)布置了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)（厚度100 mm）的護(hù)欄與混凝土護(hù)欄進(jìn)行碰撞對(duì)比，撞擊力如圖7所示，可以看出兩種護(hù)欄的撞擊力曲線特性基本一致，車頭和甩尾碰撞峰值均隨時(shí)間增加而逐漸降低，初始撞擊力峰值分別為283 kN和197 kN，和混凝土護(hù)欄相比，布置了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的護(hù)欄撞擊力峰值降低了30%以上。

3.3.2 乘員傷害對(duì)比

3.3.2.1 混凝土護(hù)欄碰撞

小客車碰撞混凝土護(hù)欄的撞擊力和加速度時(shí)程曲線如圖8所示?？梢钥闯觯≤囎驳交炷练雷o(hù)欄后，乘員最大反向碰撞加速度為-169 m/s2（X方向）和-185 m/s2（Y方向），負(fù)值代表加速度方向與行車方向相反。

3.3.2.2 柔性防護(hù)

小客車碰撞柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的撞擊力和加速度時(shí)程曲線如圖9所示。可以看出，小車撞到柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)欄后乘員最大反向碰撞加速度為-129 m/s2（X方向）和-116 m/s2（Y方向）。

通過對(duì)比可以看出，車輛撞擊加速度均滿足規(guī)范要求，安裝了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的護(hù)欄加速度降低明顯，X方向降幅約23.67%、Y方向降幅約37.3%。

3.3.3 車輛碰撞行駛軌跡分析

從圖10可以看出，車輛碰撞護(hù)欄后行駛軌跡未發(fā)生較大改變，未出現(xiàn)騎跨、翻越或翻車等現(xiàn)象。如圖10（b）所示，布置了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的護(hù)欄碰撞軌跡未影響原混凝土護(hù)欄的阻擋導(dǎo)向功能。

4 優(yōu)化分析

針對(duì)計(jì)算結(jié)果，研究了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的厚度對(duì)車輛碰撞力的影響。結(jié)果如后頁表1所示：布置柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)后，有效降低了護(hù)欄撞擊力，隨著防護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，撞擊力降低幅度逐漸減小，綜合成本及防護(hù)效果，建議防護(hù)結(jié)構(gòu)厚度控制在100～120 mm為宜。

5 結(jié)語

（1）車輛與混凝土結(jié)構(gòu)護(hù)欄和柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)護(hù)欄碰撞后，均未出現(xiàn)翻越、穿出、騎跨及翻車等現(xiàn)象，柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)未影響混凝土護(hù)欄阻擋導(dǎo)向性能。

（2）碰撞力和混凝土護(hù)欄對(duì)比，布置了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)后，撞擊力峰值降低了30%以上。

（3）車輛重心加速度均滿足規(guī)范要求，安裝了柔性防護(hù)結(jié)構(gòu)的護(hù)欄加速度降低效果明顯，X方向降幅約23.67%、Y方向降幅約37.3%。

（4）隨著防護(hù)結(jié)構(gòu)厚度的增加，防護(hù)效果的降低幅度逐漸減小，綜合成本考慮，建議防護(hù)結(jié)構(gòu)厚度控制在100～120 mm為宜。

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收稿日期：2024-03-10

作者簡(jiǎn)介：馮 鋒（1987—），碩士，高級(jí)工程師，研究方向：材料科學(xué)與工程專業(yè)。