王小龍，林夢(mèng)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(guó)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(wèn)題，道路橋梁建設(shè)工程在全國(guó)各地大量開(kāi)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(mǎn)足裝配式建設(shè)的前提下，極大地降低汽車(chē)碰撞時(shí)汽車(chē)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(kāi)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(duì)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(kāi)展了轎車(chē)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(duì)防撞墻的防撞性能產(chǎn)生明顯影響。王維利[3]也對(duì)防撞護(hù)欄的臨界高度問(wèn)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(duì)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(duì)于橋梁附屬設(shè)施目前的研究仍相對(duì)較少，特別是對(duì)于裝配式防撞墻的研究國(guó)內(nèi)基本處于空白階段，沒(méi)有對(duì)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(duì)發(fā)展我國(guó)橋梁道路全裝配來(lái)說(shuō)是一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

本文采用LS-DYNA 和Hypermesh 共同仿真分析的方法，建立了汽車(chē)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(duì)汽車(chē)與防撞墻碰撞的過(guò)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(guó)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(jí)采用SS 等級(jí)，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(zhǎng)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(zhǎng)度為4 000 mm；箍筋14φ12，間距150 mm；角鋼尺寸為L(zhǎng)75×75×10×10，每根長(zhǎng)度設(shè)置為300 mm，間距為700 mm。首先使用Hypermesh 軟件對(duì)制作的防撞墻進(jìn)行建模，并分別對(duì)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(duì)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(lèi)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(lèi)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(jiàn)表1。角鋼材料設(shè)置與內(nèi)部鋼筋相同，截面類(lèi)型設(shè)置為SOLID 截面。裝配式防撞墻被汽車(chē)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(chē)模型

我國(guó)有許多類(lèi)型的車(chē)輛，從撞擊力與構(gòu)件破壞情況等角度來(lái)看，高速公路上最危險(xiǎn)的車(chē)輛是大型卡車(chē)。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(chē)，對(duì)裝配式防撞墻的碰撞性能進(jìn)行測(cè)試。因此，采用質(zhì)量為30 t 的大型卡車(chē)作為模擬試驗(yàn)車(chē)輛，該30 t 卡車(chē)由16 t 大卡車(chē)模型和14 t 貨物裝配組成?？ㄜ?chē)模型來(lái)自國(guó)家碰撞分析中心（NCAC），長(zhǎng)度×寬度×高度分別為10 000 mm×2 500 mm×3 000 mm，汽車(chē)模型如圖2所示。汽車(chē)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(chē)輪胎與地面的接觸通過(guò)關(guān)鍵字RIGIDWAL_PLANER 實(shí)現(xiàn)。

圖2 汽車(chē)模型

2.3 其他設(shè)置

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的要求，碰撞試驗(yàn)中車(chē)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(zhǎng)度處，車(chē)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(chē)輛與不同寬度混凝土防撞墻碰撞的有限元模型。選擇車(chē)輛交叉條件、碰撞后車(chē)輛出口引導(dǎo)和車(chē)輛重心加速度作為評(píng)估，對(duì)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(píng)價(jià)。

3.1 能量分析

卡車(chē)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?xún)?nèi)，這證明碰撞模型滿(mǎn)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(chē)輛與混凝土防撞墻的碰撞過(guò)程大致可分3 個(gè)階段：車(chē)頭爬升與下落階段、車(chē)尾撞擊階段與車(chē)輛防撞墻分離階段?；炷练雷矇?qiáng)度對(duì)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。可以看出，碰撞過(guò)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(guò)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(duì)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(jiàn)汽車(chē)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(chē)車(chē)頭碰撞與車(chē)頭脫離防撞墻后拖車(chē)擺尾過(guò)程中被拋起后在下落和前行過(guò)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(jiàn)，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(chē)與典型構(gòu)件撞擊過(guò)程的沖擊力曲線(xiàn)。從圖4 大致可以看出汽車(chē)與防撞墻碰撞的3 個(gè)階段：第1 階段為車(chē)頭與護(hù)欄碰撞階段；第2 階段為拖車(chē)與護(hù)欄碰撞階段；第3 階段為貨車(chē)脫離護(hù)欄的駛出階段。各試件撞擊力峰值見(jiàn)表2。

表2 沖擊力峰值

圖4 沖擊力曲線(xiàn)

對(duì)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(guò)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(chē)輛與典型構(gòu)件撞擊時(shí)的位移曲線(xiàn)?？梢钥闯觯炷练雷矇κ芷?chē)撞擊產(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(chē)的側(cè)向撞擊。汽車(chē)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(xiàn)

3.5 車(chē)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(duì)象。0 s 時(shí)，大卡車(chē)開(kāi)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(chē)開(kāi)始接觸組裝好的防撞墻，車(chē)速開(kāi)始降低，如圖6b所示；在0.44 s 時(shí)，大卡車(chē)的速度方向開(kāi)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(chē)離開(kāi)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(chē)輛首先通過(guò)車(chē)輛的前保險(xiǎn)杠與防撞壁碰撞，并在碰撞過(guò)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(chē)駛離防撞墻。在試驗(yàn)中，只有第5 組車(chē)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(lái)看，寬度的變化不會(huì)使作用在車(chē)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(chē)輛不會(huì)交叉或翻轉(zhuǎn)，只會(huì)簡(jiǎn)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(guò)接頭的最大承載應(yīng)力時(shí)，車(chē)輛才會(huì)越過(guò)防撞墻。

3.6 重心加速度

在該試驗(yàn)中，車(chē)輛重心加速度作為評(píng)價(jià)防撞墻防撞性能的指標(biāo)。車(chē)輛的初始行駛方向?yàn)閄方向，車(chē)輛橫截面的切線(xiàn)方向?yàn)閅方向。分析結(jié)果：從加速度時(shí)程曲線(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，車(chē)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(guò)200 m∕s2，符合“標(biāo)準(zhǔn)”緩沖性能要求。根據(jù)“標(biāo)準(zhǔn)”對(duì)車(chē)輛出口角的要求，在碰撞角為20°時(shí)，車(chē)輛出口角應(yīng)小于12°。在對(duì)所有試驗(yàn)組進(jìn)行模擬分析后，除了第5 組試驗(yàn)因車(chē)輛越過(guò)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(méi)有產(chǎn)生制導(dǎo)能力。

4 結(jié)語(yǔ)

以5 組不同寬度的裝配式防撞墻為研究對(duì)象，利用LS-DYNA 和Hypermesh 軟件模擬了整個(gè)碰撞過(guò)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(wú)法滿(mǎn)足要求，并開(kāi)始出現(xiàn)損壞，最終導(dǎo)致碰撞測(cè)試車(chē)輛越過(guò)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(duì)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(duì)防撞墻寬度的研究，將為同類(lèi)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)。