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 朔神有限責任公司，山西朔州 036000；2.太原理工大學，山西太原 030002）

0 引言

隨著我國城市化進程的加快，交通擁堵現象日趨嚴重，為解決日益增大的交通壓力問題，道路橋梁建設工程在全國各地大量開展。根據《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2006）和《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）的規定，公路橋梁和城市橋梁兩側應設置防撞護欄，鋼筋混凝土防撞墻是防撞護欄的主要應用形式之一。裝配式鋼筋混凝土防撞墻能在滿足裝配式建設的前提下，極大地降低汽車碰撞時汽車吸收的能量，是道路橋梁路側防護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值研究，發現不止外在因素會顯著改變模擬情況，內在因素的變化一樣會對防撞墻的防撞性能產生明顯影響。王維利[3]也對防撞護欄的臨界高度問題做了深入研究。以上研究結果表明防撞墻的高度寬度與防撞墻性能密切相關。

近幾年，科研院所各大高校對裝配式橋墩、上部結構做了大量試驗，也提出了很多合理方案。但是對于橋梁附屬設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系規律作合理分析。這對發展我國橋梁道路全裝配來說是一個亟待解決的問題。

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，運用有限元仿真分析方法對汽車與防撞墻碰撞的過程進行分析，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系規律，為裝配式防撞墻的設計施工提供幫助。

1 研究目標

該研究中使用的預制防撞墻是基于我國現行《公路交通安全設施設計規則》（JTG∕T D81—2017）中規定的F 型混凝土護欄。護欄防護等級采用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。護欄寬度每減少25 mm，就形成一個試驗組，共有5 個試驗組。

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置為4 000 mm，各裝配段之間不設置連接；該模型主要由4 部分組成，包括防撞墻內部鋼筋、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，每根長度設置為300 mm，間距為700 mm。首先使用Hypermesh 軟件對制作的防撞墻進行建模，并分別對3 個部分進行網格劃分。將模型導出為K 文件格式后，使用LS-DYNA 軟件對模型各部分材料進行設置并設置接觸條件及邊界條件。內部鋼筋均為HRB400 鋼筋，材料類型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT-003），截面設置為BEAM元件截面。根據規范要求，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，具體參數見表1。角鋼材料設置與內部鋼筋相同，截面類型設置為SOLID 截面。裝配式防撞墻被汽車撞擊時，主要受力構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，混凝土底面與地面之間的連接采用CONTACT_AUTOMAIC_SEFACE_TO_SURFCE，靜摩擦系數和動摩擦系數均設置為0.3。為保證鋼筋與混凝土的共同變形，內部鋼筋與混凝土之間的接觸均設置為CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

表1 模型參數

2.2 汽車模型

我國有許多類型的車輛，從撞擊力與構件破壞情況等角度來看，高速公路上最危險的車輛是大型卡車。根據《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2006），選取中大型卡車，對裝配式防撞墻的碰撞性能進行測試。因此，采用質量為30 t 的大型卡車作為模擬試驗車輛，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，動靜摩擦系數均設置為0.3，汽車輪胎與地面的接觸通過關鍵字RIGIDWAL_PLANER 實現。

圖2 汽車模型

2.3 其他設置

根據《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的要求，碰撞試驗中車輛與護欄的碰撞點選擇距離護欄起點沿行駛方向的1∕3 護欄長度處，車輛與護欄之間的碰撞角為20°，碰撞速度為60 km∕h。

3 仿真結果分析

基于LS-DYNA 有限元模擬技術，該方法適用于求解大變形碰撞運動。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和車輛重心加速度作為評估，對不同寬度的預制混凝土防撞墻的防撞性能指標進行了評價。

3.1 能量分析

卡車與典型構件碰撞時，總能量為4.5e6J，基本保持不變；隨著時間的增加，動能從4.2e6J 逐漸降低到3.2e6J；隨著時間的增加，內能從3.8e3J 增加到5.1e5J；沙漏能量控制在10%以內，這證明碰撞模型滿足動力學要求，數據可信[5]。

3.2 護欄強度

從模擬結果的動態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?；炷练雷矇姸葘Π踩雷o性能有重要意義。

圖3 給出了典型構件等效塑性應變?？梢钥闯?，碰撞過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變最高可達0.099，已遠超過混凝土的極限拉應變0.000 2，表示這些部位的混凝土產生了較大程度的破壞。然而構件破壞的區域相對較為集中，防撞墻迎撞面中部區域的混凝土等效塑性應變迅速降低至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。進一步觀察發現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欄摩擦碰撞造成的?；炷练雷矇εc底座連接部位未發生明顯破壞，角鋼與底部未發生分離。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，構件底部發生破壞，連接失效。

圖3 混凝土等效塑性應變

3.3 沖擊力

圖4 為汽車與典型構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 個階段：第1 階段為車頭與護欄碰撞階段；第2 階段為拖車與護欄碰撞階段；第3 階段為貨車脫離護欄的駛出階段。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，從而導致沖擊力峰值降低。

3.4 位移

圖5 給出了車輛與典型構件撞擊時的位移曲線?？梢钥闯?，混凝土防撞墻受汽車撞擊產生的位移峰值為15.89 mm，防撞墻未發生傾覆，防撞墻整體變形不嚴重，可以較好地承受汽車的側向撞擊。汽車不會發生騎跨和翻越防撞墻等危險，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 寬的試驗組作為碰撞分析的對象。0 s 時，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，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，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，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

在5 組碰撞試驗中，5 組試驗中的車輛首先通過車輛的前保險杠與防撞壁碰撞，并在碰撞過程中受到防撞壁的側向力，從而改變了運動方向，最后讓大卡車駛離防撞墻。在試驗中，只有第5 組車輛因防撞墻下部連接結構失效而輕微交叉。從這個角度來看，寬度的變化不會使作用在車輛上的力的高度發生顯著變化。當防撞墻連接節點的強度足夠時，在這種情況下，車輛不會交叉或翻轉，只會簡單地增加連接處的應力水平。只有當接頭處的應力超過接頭的最大承載應力時，車輛才會越過防撞墻。

3.6 重心加速度

在該試驗中，車輛重心加速度作為評價防撞墻防撞性能的指標。車輛的初始行駛方向為X方向，車輛橫截面的切線方向為Y方向。分析結果：從加速度時程曲線可以發現，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；在第二階段，加速度穩定下降并保持波動。比較不同試驗組的峰值加速度，可以看出，5組的加速度均未超過200 m∕s2，符合“標準”緩沖性能要求。根據“標準”對車輛出口角的要求，在碰撞角為20°時，車輛出口角應小于12°。在對所有試驗組進行模擬分析后，除了第5 組試驗因車輛越過防撞墻而不符合制導要求外，其余4 組試驗均符合“標準”的制導指標，并且由于寬度減小而沒有產生制導能力。

4 結語

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 軟件模擬了整個碰撞過程，并分析了5 組不同防撞墻的防撞性能。結果發現，當標準裝配式防撞墻的寬度減少125 mm 時，防撞墻底部連接器的強度無法滿足要求，并開始出現損壞，最終導致碰撞測試車輛越過防撞墻；當防撞墻的寬度未達到導致連接構件損壞的臨界寬度時，防撞墻寬度的變化不會對裝配式防撞墻的防撞性能產生顯著影響；當防撞墻的寬度達到臨界寬度時，裝配式防撞墻的防撞性能將發生突變。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，為今后防撞墻的設計提供理論依據。