基于装配式混凝土防撞墙宽度对其防撞性能影响的研究

王小龙，林梦晗，苗瑞峰

（1.山西高速集团 朔神有限责任公司，山西朔州 036000；2.太原理工大学，山西太原 030002）

0 引言

随着我国城市化进程的加快，交通拥堵现象日趋严重，为解决日益增大的交通压力问题，道路桥梁建设工程在全国各地大量开展。根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006）和《城市桥梁设计规范》（CJJ 11—2011）的规定，公路桥梁和城市桥梁两侧应设置防撞护栏，钢筋混凝土防撞墙是防撞护栏的主要应用形式之一。装配式钢筋混凝土防撞墙能在满足装配式建设的前提下，极大地降低汽车碰撞时汽车吸收的能量，是道路桥梁路侧防护中不可缺少的重要组成部分。

胡煜文等人[1]开展了F 型混凝土防撞墙与单坡型混凝土防撞墙的防撞性能对比研究，证明合理的截面形式有助于提高防撞墙的防撞性能。黄红武[2]开展了轿车与高速公路防撞墙的碰撞数值研究，发现不止外在因素会显著改变模拟情况，内在因素的变化一样会对防撞墙的防撞性能产生明显影响。王维利[3]也对防撞护栏的临界高度问题做了深入研究。以上研究结果表明防撞墙的高度宽度与防撞墙性能密切相关。

近几年，科研院所各大高校对装配式桥墩、上部结构做了大量试验，也提出了很多合理方案。但是对于桥梁附属设施目前的研究仍相对较少，特别是对于装配式防撞墙的研究国内基本处于空白阶段，没有对防撞墙截面高度、宽度与防撞性能间联系规律作合理分析。这对发展我国桥梁道路全装配来说是一个亟待解决的问题。

本文采用LS-DYNA 和Hypermesh 共同仿真分析的方法，建立了汽车与防撞墙碰撞耦合有限元模型，运用有限元仿真分析方法对汽车与防撞墙碰撞的过程进行分析，研究了装配式混凝土防撞墙截面高度、宽度与防撞墙防撞性能间的联系规律，为装配式防撞墙的设计施工提供帮助。

1 研究目标

该研究中使用的预制防撞墙是基于我国现行《公路交通安全设施设计规则》（JTG∕T D81—2017）中规定的F 型混凝土护栏。护栏防护等级采用SS 等级，高度为1 100 mm，宽度为525 mm，其横截面尺寸和典型钢筋如图1所示。护栏宽度每减少25 mm，就形成一个试验组，共有5 个试验组。

2 有限元模型

2.1 装配式防撞墙的有限元模型

该模型装配段长度设置为4 000 mm，各装配段之间不设置连接；该模型主要由4 部分组成，包括防撞墙内部钢筋、防撞墙混凝土主体、角钢和底座。其中，纵筋为10φ12，长度为4 000 mm；箍筋14φ12，间距150 mm；角钢尺寸为L75×75×10×10，每根长度设置为300 mm，间距为700 mm。首先使用Hypermesh 软件对制作的防撞墙进行建模，并分别对3 个部分进行网格划分。将模型导出为K 文件格式后，使用LS-DYNA 软件对模型各部分材料进行设置并设置接触条件及边界条件。内部钢筋均为HRB400 钢筋，材料类型采用MAT_PLASTIC_KINEMATIC（MAT-003），截面设置为BEAM元件截面。根据规范要求，防撞墙混凝土主体选用C40 混凝土，材料类型选用LS-DYNA[4]中的MAT_CSCM_CONCRETE（MAT-159），截面选用SOLID 截面，具体参数见表1。角钢材料设置与内部钢筋相同，截面类型设置为SOLID 截面。装配式防撞墙被汽车撞击时，主要受力构件是防撞墙与地面的连接部位以及防撞墙主体。因此角钢与混凝土地面之间的接触采用固结，混凝土底面与地面之间的连接采用CONTACT_AUTOMAIC_SEFACE_TO_SURFCE，静摩擦系数和动摩擦系数均设置为0.3。为保证钢筋与混凝土的共同变形，内部钢筋与混凝土之间的接触均设置为CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID。

表1 模型参数

2.2 汽车模型

我国有许多类型的车辆，从撞击力与构件破坏情况等角度来看，高速公路上最危险的车辆是大型卡车。根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2006），选取中大型卡车，对装配式防撞墙的碰撞性能进行测试。因此，采用质量为30 t 的大型卡车作为模拟试验车辆，该30 t 卡车由16 t 大卡车模型和14 t 货物装配组成。卡车模型来自国家碰撞分析中心（NCAC），长度×宽度×高度分别为10 000 mm×2 500 mm×3 000 mm，汽车模型如图2所示。汽车与防撞墙间的接触采用CONTACT_AUTOMAIC_SEFACE_TO_ SURFCE，动静摩擦系数均设置为0.3，汽车轮胎与地面的接触通过关键字RIGIDWAL_PLANER 实现。

图2 汽车模型

2.3 其他设置

根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求，碰撞试验中车辆与护栏的碰撞点选择距离护栏起点沿行驶方向的1∕3 护栏长度处，车辆与护栏之间的碰撞角为20°，碰撞速度为60 km∕h。

3 仿真结果分析

基于LS-DYNA 有限元模拟技术，该方法适用于求解大变形碰撞运动。本文建立了车辆与不同宽度混凝土防撞墙碰撞的有限元模型。选择车辆交叉条件、碰撞后车辆出口引导和车辆重心加速度作为评估，对不同宽度的预制混凝土防撞墙的防撞性能指标进行了评价。

3.1 能量分析

卡车与典型构件碰撞时，总能量为4.5e6J，基本保持不变；随着时间的增加，动能从4.2e6J 逐渐降低到3.2e6J；随着时间的增加，内能从3.8e3J 增加到5.1e5J；沙漏能量控制在10%以内，这证明碰撞模型满足动力学要求，数据可信[5]。

3.2 护栏强度

从模拟结果的动态演示中可以看出车辆与混凝土防撞墙的碰撞过程大致可分3 个阶段：车头爬升与下落阶段、车尾撞击阶段与车辆防撞墙分离阶段。混凝土防撞墙强度对安全防护性能有重要意义。

图3 给出了典型构件等效塑性应变。可以看出，碰撞过程中混凝土防撞墙的破坏主要集中在防撞墙迎撞面顶部与根部。破坏位置处的等效塑性应变最高可达0.099，已远超过混凝土的极限拉应变0.000 2，表示这些部位的混凝土产生了较大程度的破坏。然而构件破坏的区域相对较为集中，防撞墙迎撞面中部区域的混凝土等效塑性应变迅速降低至0，表示混凝土并未破坏。由此可见汽车撞击混凝土防撞墙的破坏仅仅是局部的。进一步观察发现这些破坏主要是由汽车车头碰撞与车头脱离防撞墙后拖车摆尾过程中被抛起后在下落和前行过程中与护栏摩擦碰撞造成的。混凝土防撞墙与底座连接部位未发生明显破坏，角钢与底部未发生分离。由此可见，混凝土防撞墙的承载能力有较大的剩余。但随着防撞墙宽度降低，构件底部发生破坏，连接失效。

图3 混凝土等效塑性应变

3.3 冲击力

图4 为汽车与典型构件撞击过程的冲击力曲线。从图4 大致可以看出汽车与防撞墙碰撞的3 个阶段：第1 阶段为车头与护栏碰撞阶段；第2 阶段为拖车与护栏碰撞阶段；第3 阶段为货车脱离护栏的驶出阶段。各试件撞击力峰值见表2。

表2 冲击力峰值

图4 冲击力曲线

对比可知，冲击力峰值随防撞墙宽度降低而降低，是由于试件宽度过低而底部失效造成连接刚度降低，从而导致冲击力峰值降低。

3.4 位移

图5 给出了车辆与典型构件撞击时的位移曲线。可以看出，混凝土防撞墙受汽车撞击产生的位移峰值为15.89 mm，防撞墙未发生倾覆，防撞墙整体变形不严重，可以较好地承受汽车的侧向撞击。汽车不会发生骑跨和翻越防撞墙等危险，司乘人员的安全性可以较好地得到保障。

图5 位移曲线

3.5 车辆穿越情况分析

本文选择450 mm 宽的试验组作为碰撞分析的对象。0 s 时，大卡车开始以60 km∕h 的速度从与防撞墙成20°的角度行驶，如图6a所示；在0.07 s 时，大卡车开始接触组装好的防撞墙，车速开始降低，如图6b所示；在0.44 s 时，大卡车的速度方向开始与防撞墙的纵向方向一致，如图6c所示；在0.5 s 时，大卡车离开防撞墙，两者不再接触，如图6d所示。

图6 碰撞试验

在5 组碰撞试验中，5 组试验中的车辆首先通过车辆的前保险杠与防撞壁碰撞，并在碰撞过程中受到防撞壁的侧向力，从而改变了运动方向，最后让大卡车驶离防撞墙。在试验中，只有第5 组车辆因防撞墙下部连接结构失效而轻微交叉。从这个角度来看，宽度的变化不会使作用在车辆上的力的高度发生显著变化。当防撞墙连接节点的强度足够时，在这种情况下，车辆不会交叉或翻转，只会简单地增加连接处的应力水平。只有当接头处的应力超过接头的最大承载应力时，车辆才会越过防撞墙。

3.6 重心加速度

在该试验中，车辆重心加速度作为评价防撞墙防撞性能的指标。车辆的初始行驶方向为X方向，车辆横截面的切线方向为Y方向。分析结果：从加速度时程曲线可以发现，车辆重心加速度在X和Y方向上有明显的两阶段变化。在第一阶段，加速度迅速增加，加速度峰值迅速出现；在第二阶段，加速度稳定下降并保持波动。比较不同试验组的峰值加速度，可以看出，5组的加速度均未超过200 m∕s²，符合“标准”缓冲性能要求。根据“标准”对车辆出口角的要求，在碰撞角为20°时，车辆出口角应小于12°。在对所有试验组进行模拟分析后，除了第5 组试验因车辆越过防撞墙而不符合制导要求外，其余4 组试验均符合“标准”的制导指标，并且由于宽度减小而没有产生制导能力。

4 结语

以5 组不同宽度的装配式防撞墙为研究对象，利用LS-DYNA 和Hypermesh 软件模拟了整个碰撞过程，并分析了5 组不同防撞墙的防撞性能。结果发现，当标准装配式防撞墙的宽度减少125 mm 时，防撞墙底部连接器的强度无法满足要求，并开始出现损坏，最终导致碰撞测试车辆越过防撞墙；当防撞墙的宽度未达到导致连接构件损坏的临界宽度时，防撞墙宽度的变化不会对装配式防撞墙的防撞性能产生显著影响；当防撞墙的宽度达到临界宽度时，装配式防撞墙的防撞性能将发生突变。对防撞墙宽度的研究，将为同类装配式防撞墙的防撞性能分析提供参考，为今后防撞墙的设计提供理论依据。