龍紹海，黃曉虹，文哲思

廣州市道路工程研究中心，廣東 廣州 510000

隨著我國城市化進程的加快，城市交通的高速發(fā)展對城市橋梁的施工建設提出了新的要求。裝配式橋梁憑借其工廠化制造、裝配化施工效率高等優(yōu)點，在城市橋梁建設中得到了越來越廣泛的應用[1]。隨著裝配式橋梁的快速發(fā)展，傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土防撞護欄的許多弊端日益凸顯，積極推廣預制裝配式防撞護欄十分必要。預制裝配式防撞護欄具有裝配化的優(yōu)點，但結構整體性差，因此其與橋面板的連接尤為關鍵。目前已有不少國內學者對橋梁護欄的防撞性能進行了仿真分析，但針對預制裝配式防撞護欄動力碰撞的仿真分析較少[2-4]。

針對某城市橋梁中預制防撞護欄與橋面板的預埋鋼筋連接件連接方式，文章運用ANSYS建立車輛-護欄的碰撞有限元模型，并利用LS-NYNA計算求解，綜合分析了該類型預制防撞護欄的防撞性能。

1 工程背景

該預制鋼筋混凝土防撞護欄與橋面板的連接構造由護欄連接鋼筋、角鋼及橋面板內的預埋件組成。預埋件包括L形鋼筋和鋼板。預制防撞護欄與橋面板的連接通過焊接護欄角鋼與預埋件鋼板實現(xiàn)。

2 建立碰撞有限元模型

2.1 建模流程

采用ANSYS和Hyper Mesh完成前處理環(huán)節(jié)中有限元模型的建立，采用LS-DYNA求解器快速求解，具體流程如下：（1）運用ANSYS建立幾何模型，添加材料和邊界，運用HyperMesh劃分網(wǎng)格，獲得有限元模型；（2）設置模型運算控制參數(shù)，并生成相應的K文件；（3）將模型K文件導入LS-DYNA求解器進行運算及分析；（4）運用LS-PrePost查看計算結果，分析結果的可靠性。

2.2 幾何模型參數(shù)

（1）預制防撞護欄幾何模型。按照工程中預制防撞護欄的標準段方案尺寸建立護欄有限元模型。預制防撞護欄標準段長6m、高1.1m，護欄底部的角鋼與橋面板內預埋連接件的鋼板通過焊接連接。預制護欄、角鋼及帶鋼板L形鋼筋連接件的詳細尺寸如圖1所示。

圖1 預制混凝土護欄及連接件尺寸圖（單位：mm）

（2）碰撞車輛及碰撞條件。碰撞車輛的有限元模型采用美國國家碰撞分析中心官網(wǎng)提供的小汽車整車模型。根據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）對防撞護欄碰撞試驗條件的規(guī)定，車輛碰撞速度取100km/h，碰撞角度取20°，碰撞點在防撞護欄1/3標準段處。

2.3 材料參數(shù)及單元選取

（1）主要材料本構關系。Brittle Damage是一種將混凝土和鋼筋考慮為一體的損傷本構模型，能有效模擬混凝土拉伸斷裂行為，采用Brittle Damage本構作為防撞護欄鋼筋混凝土材料本構，模型參數(shù)如表1所示[5]。預制防撞護欄的豎向連接件主要由L形鋼筋和預埋鋼板組成，連接件中鋼筋和鋼板的本構關系采用雙折線模型，不考慮下降段，屈服應力分別取值為400MPa、345MPa，屈服應變分別為0.00167、0.00194。車輛的材料參數(shù)源于某汽車研究單位，采用LS-DYNA中的多折線塑性材料模型模擬。

表1 Brittle Damage模型材料參數(shù)表

（2）單元選取。SOLID164單元是常用的八節(jié)點六面體實體單元，SHELL163單元是一種薄壁殼單元，兩者均適合顯式動力問題的分析。在碰撞模型中，選取SOLID164單元模擬護欄鋼筋混凝土和鋼質連接件，選取SHELL163單元模擬車輛車身的金屬薄壁構件。

2.4 接觸及邊界條件

在整個動力碰撞模型中，不僅要考慮的接觸參數(shù)有摩擦系數(shù)、接觸阻尼、接觸剛度，還要考慮汽車與護欄、車輛與橋面之間的接觸。車輛與預制防撞護欄之間的接觸通過設置LS-DYNA的接觸卡*CONTROL_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定義，車輛與地面之間的接觸通過關鍵字*CONTROL_RIGIDWALL設置剛性墻來模擬地面。

防撞護欄與橋面板端部相互嵌固，并通過角鋼及預埋L形鋼筋連接件與橋面板連接在一起。有限元模型過程中，選取護欄與橋面板接觸的凹槽線及預埋連接件的節(jié)點，約束其全部6個自由度。

3 計算結果及分析

3.1 碰撞能量及撞擊力分析

車-護欄碰撞系統(tǒng)的總能量由初始值578.6kJ變化至574.9kJ，沙漏能終值為11.3kJ，界面滑移能終值為37.9kJ，總能量變化小于5%，沙漏能與界面滑移能均未超過總能量的10%，系統(tǒng)能量變化滿足能量守恒定律，模型符合可靠性要求。

護欄的撞擊力時程曲線顯示，在碰撞過程中出現(xiàn)了兩個撞擊力峰值，分別對應車頭與護欄的初次碰撞和車體與護欄的二次碰撞，兩次撞擊力的峰值分別為530kN、611.1kN。

3.2 護欄連接件應力分析

豎向連接件的最大主拉應力時程曲線如圖2所示。由圖2可知，連接件的最大主拉應力出現(xiàn)了兩次峰值，應力峰值的出現(xiàn)時刻與兩次碰撞對應。HRB400預埋鋼筋最大主拉應力為275.4MPa，小于其屈服強度400MPa；Q345c鋼板最大主拉應力為67.5MPa，小于其屈服強度345MPa。護欄的應力響應云圖如圖3所示。由圖3可知，車輛撞擊位置正下方的連接件應力響應較大。分析結果表明給定碰撞條件下連接件未失效，護欄整體安全性能仍有保證。

圖2 連接件最大主拉應力時程曲線

圖3 撞擊瞬間豎向連接件應力云圖

3.3 預制防撞護欄應力位移分析

預制防撞護欄的最大主拉應力時程曲線如圖4所示。由圖4可知，碰撞過程中護欄的最大主拉應力出現(xiàn)了兩次峰值，峰值的出現(xiàn)時刻與兩次碰撞對應，兩次應力峰值分別為27.8MPa和24.0MPa，均超過混凝土的極限抗拉強度，說明混凝土已出現(xiàn)開裂損傷。預制防撞護欄的最大橫向位移時程曲線如圖5所示。由圖5可知，護欄出現(xiàn)的最大橫向位移值為1.52mm，遠小于《高速公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）規(guī)定的剛性護欄最大動態(tài)變形量10cm。

圖4 護欄第一主拉應力時程曲線

圖5 護欄最大位移時程曲線

3.4 護欄導向性能分析

將碰撞結束時車輛各方向的速度導出并進行矢量合成，可知車輛的駛出角為2°，駛出角小于駛入角的60%，滿足規(guī)范標準。車輛與護欄碰撞后，行駛軌跡幾乎與護欄平行，降低了碰撞車輛與其他車輛發(fā)生二次碰撞的可能，說明護欄具有良好的導向性能。

4 結論

針對L形鋼筋連接件預制防撞護欄與橋梁的連接受力特點，利用ANSYS、LS-NYNA有限元分析軟件建立車輛-護欄動力碰撞有限元模型，通過計算分析得出了以下主要結論：（1）碰撞系統(tǒng)的能量變化滿足能量守恒定律，模型滿足可靠性要求；（2）連接件的最大主拉應力小于其材料屈服強度，連接件對護欄的整體安全性能仍有強度保證；（3）護欄最大橫向位移、碰撞車輛駛出角度、護欄導向性能等均滿足規(guī)范要求；（4）護欄最大主拉應力大于混凝土極限抗拉強度，部分護欄混凝土出現(xiàn)開裂損傷，由護欄鋼筋承受沖擊荷載。