反光式突起路標功能失效ANASYS分析

盛玉剛，夏紅亮，呂婷婷

(南京林業大學汽車與交通工程學院，南京210037)

突起路標是安裝、固定在道路上并突出路面的突起標記塊，是一種交通安全設施。突起路標廣泛應用于公路或城市道路上用來標記中心線、車道分界線、邊緣線，也可以用來標記彎道、進出口匝道、導流標線、道路變窄、路面障礙物等危險路段，并可與涂料標線配合使用。在夜間光線不佳的路段處，給駕駛員提供視線誘導，保證車輛安全、通暢、舒適的運行［1］。

但目前道路上安裝的突起路標存在破壞率高、反光功能失效快等問題，使得突起路標的引導作用沒辦法發揮，交通安全形勢日益嚴峻［2］。因此研究突起路標的破壞機理對提高道路行車安全具有重要意義。但國內外缺乏對突起路標系統研究的專門機構，專業人才很少，相關研究成果較少。

目前道路上安裝的反光式突起路標均出現了破壞效率高、反光功能失效快等現象，壽命的縮短使得突起路標不能很好的提供視線誘導作用，這也是道路交通管理部門一直關注的問題。為了有利于夜問行車安全［3］，提高反光式突起路可視性，引導駕駛人員正確安全行駛［4］，減小交通事故的發生，本文從影響突起路標的結構破壞和逆反射功能降低角度出發，分析引起上述問題的影響因素。從而得到反光式突起路標的破壞機理。為進一步改善和提高突起路標的性能提供參考。

1 反光式突起路標破壞特征分析

根據交通部《JTT390－1999突起路標》，按照突起路標是否具備逆反射性能可分為A、B兩大類［5］。A類突起路標是指具備逆反射性能的突起路標，其基體主要由工程塑料、金屬、玻璃或陶瓷組成。B類突起路標是指不具備逆反射性能的突起路標，其基體由工程塑料、金屬、玻璃或陶瓷組成。

本次研究以南京市主干道龍蟠路新莊段－崗子村段、崗子村－太平門段、太平門段－龍蟠中路為調查對象，調查內容包括突起路標破壞分布、碾壓概率、逆反射系數、破壞形式等。

突起路標破壞分布調查結果見表1，設置在車道分界線上的突起路標基體結構受破壞的程度均比較大。設置在道路中心線和車道邊緣線上的部分由于設置區域的不同受破壞程度比較小。受破壞的部位主要在左、右、正三面，頂面和背面相對較小。車道分界線上的突起路標的頂面比背面受破壞大，一方面是因為背面受車輛接觸的概率比較小，另一方面因為頂面四周的棱邊是應力集中的關鍵部位，左、右、正面受到破壞時，頂面也會受到影響。

表1 突起路標破壞分布表/個Tab.1 Damage distribution of protuberant pavement marker/piece

突起路標的逆反射系數調查過程中，基體破損嚴重、反光片破壞的樣本逆反射功能已失效，逆反射系數為零。使用突起路標逆反射測定儀［5］測量反光體完整的突起路標時，反光體表面未清潔前逆反射系數均不大于20mcd/lx·m－2。清潔后測量數據在40～50mcd/lx·m－2左右。設置在車道分界線和邊緣線上的突起路標反光體表面泥土、油類污染較大，影響其發揮作用。根據標準規定:反光式突起路標逆反射器的發光強度系數應符合GB/T18833－2002的有關規定［6］見表2和表3，實際檢測的數據均不符合要求。

突起路標受碾壓概率調查，將車輛分為小型客車、中型客車、大型客車，貨車數量較少，本次研究未列入統計。調查地點選在路段交叉口附近，3條路調查結果見表2，平均碾壓概率達43.67%，因為臨近交叉口，駕駛人調整行車道較隨意。

表2 各種車型碾壓突起路標概率Tab.2 Probability of rolling times of protuberant pavement marker by various models

根據突起路標破壞形式調查結果，道路上設置的突起路標均出現了不同程度的損壞，主要破壞形式為脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等現象。道路不同部位的突起路標破壞率統計結果見表3。

表3 突起路標機體破壞率匯總表Tab.3 Number of damaged protuberant raised pavement markers

車道分界線上的突起路標機體破壞率達98%。若道路中心線和道路邊緣線上設置的突起路標機體破壞率較低，但調查發現這些突起路標的反光體由于老化或者灰塵遮蓋，反光機能基本失效。如這部分突起路標統計進來，則突起路標功能失效率達到95%以上。

2 突起路標功能失效原因分析

(1)基體材料抗壓強度不夠

據交通部頒布的《JT/T390－1999突起路標》中要求［5］，所有普通類突起路標的抗壓強度需大于160KN，作為普通類突起路標的代表，塑料和鑄鋁突起路標均應符合標準的要求。

調查路段上設置的為鑄鋁突起路標，是鋁合金外殼和填充的石英砂組合而成。其結構抗壓性比全鋁突起路標低得多。

調查數據顯示，設置在車道分界線上突起路標的基體結構破壞率均在90%左右。設置在道路中心線和邊緣線上的由于隔離護欄的保護其破壞率相對低一些。數據表明，突起路標功能的破壞主要原因還是受交通流的影響。車輛在碾壓時對突起路標產生沖擊荷載作用，而且隨著碾壓次數的增加，結構受到疲勞荷載作用受破壞的概率也相應增加。

(2)機體與路面粘結不牢固

常用的突起路標粘結材料有環氧樹脂、瀝青膠、非晶態－聚烯烴共聚物［6－7］。三種粘結材料根據性能的差異適用于不同的道路環境。調查顯示，部分突起路標與地面之間粘接劑失效，導致突起路標脫落遺失。還有部分突起路標即使在釘腳的保護下未發生脫落現象，但方位發生了變化，逆反射性能同樣無法發揮，雖然突起路標基體和反光體未發生破壞但功能同樣失效。

影響突起路標粘結效果的因素很多，主要因素有:路面狀況 (粗糙程度)、突起路標基座的材料、突起路標底座的粗糙度、突起路標底座的平整度、粘結材料的固化收縮率等等。

3 力學分析

突起路標功能失效的外界因素具有復雜性和偶然性，研究著重考慮交通流的作用 (即車輛碾壓)因素，及機械破壞為主。利用有限元仿真軟件ANSYS從力學角度研究車輛碾壓突起路標引起的破壞過程。分析思路如圖1所示。

首先使用ANSYS軟件對突起路標進行建模，并加荷載進行有限元分析［8］。具體步驟:定義材料單元 (Define elements)，進行單元體的劃分。為保證計算的精確性，采用20個節點的solid186高階單元，可進行塑性、超彈性、粘彈性、粘塑性、預應力輸入等的計算;定義材料屬性 (Defineproperty)，輸入材料的彈性模量和泊松比;劃分網格 (Meshing)，模型相對簡單，使用自由劃分網格的方式進行網格劃分;材料屬性賦值 (Evaluate attributes)，將模型中的彈性模量和泊松比賦予到模型相應的部分;增加約束 (Add constraints)，限制模型的特定部分 (點、線、面)在XYZ方向上的自由度;添加荷載 (Define loads)，根據規范，取突起路標在最不利情況下的荷載，即在各個表面承受16T(160kN)的壓力;解算 (Solve)，通過ANSYS內部的求解器，根據材料屬性、網格劃分、荷載和約束情況進行有限元方程的求解;生成結果 (Plot results)，將計算的結果繪制成應力圖和位移圖［8］。

圖1 力學分析思路Fig.1 Steps of mechanical analysis

3.1 靜力學分析

通過ANSYS對傳統突起路標有限元模型加載靜荷載，一段時間分析過后獲得突起路標應力和位移結果。從應力云圖 (如圖2所示)可以發現:傳統突起路標四周表面應力值過大，特別是四個邊緣區域的應力值形成一個帶狀形式，容易產生破壞，釘腳與基座銜接段出現應力集中現象，極易產生側向剪切破壞，引發脫落。從位移分析結果云圖 (如圖3所示)可見:頂面位移較大，由頂面向四周漸變，頂面部位在車輪碾壓下容易產生發生剪切破壞，傳力桿位移分布不均勻，兩端位移比較小，中間的位移出現過大的變化，影響釘腳結構的穩定性。

圖2 傳統突起路標應力分析圖Fig.2 Stress distribution nephogram of traditional protuberant marker

圖3 傳統突起路標位移分析圖Fig.3 Displacement distribution of traditional protuberant marker

3.2 動力學分析

通過瞬態動力分析，以確定隨時間變化車輪沖擊載荷對突起路標結構產生的影響。因為突起路標是相對靜態結構，因此選用位移場表現突起路標對車輪沖擊的響應，分析步驟包括:建模;選擇分析類型和選項;規定邊界條件和初始條件;施加時間歷程載荷并求解;評價分析結果［8］。如圖4所示為突起路標在車輪沖擊作用下的位移場分布曲線，其中左側在上面的線形表示Y方向 (行車軌跡方向)位移場分布，另一條線形表示Z方向 (與行車軌跡垂直方向)位移場分布。

可以看出:突起路標在Y方向上的位移場變化幅度較大，在Z方向方向上的位移場變化幅度比Y軸方向大，不利于突起路標結構的穩定性，因此突起路標在動荷載作用下易產生破壞。

圖4 突起路標位移場分布Fig.4 Displacement field distribution of protuberant marker

3.3 疲勞荷載破壞分析

突起路標受車輛碾壓的過程是一個動態載荷加載過程，也是一個局部載荷不斷變化的過程。其過程是復雜的、多變的。本次研究采用Fe－Safe模塊對突起路標的結構進行疲勞分析，使用應力－壽命曲線進行單軸分析，在軸向交變荷載的作用下分析模型結構的疲勞壽命。分析步驟如下:

定制用戶界面;載入有限元分析模型 (有限元模型是通過ANSYS力學分析軟件建立傳統式突起路標模型并轉成rst文件格式導入Fe－Safe軟件中);定義載荷歷程;定義材料各項參數;組合載荷歷程與序列載荷;疲勞分析;分析結果輸出［8］。

在定義載荷歷程時，采用了單軸交變載荷的方法對構件作用。根據《JT/T390－1999突起路標》中對突起路標結構的機械性能測試要求在160KN的作用下不發生任何裂紋、損壞現象。

定義材料屬性的過程中，需根據現有使用的突起路標的材料特質設定相應的參數［9－11］:S－N曲線、屈服極限、泊松比等等。屈服極限取值為603MPa，抗拉強度取值為647MPa，泊松比為0.31。

本次疲勞試驗以經受107次疲勞試驗為目標對構件進行交變荷載作用，觀察傳統突起路標經過疲勞加載過后的效果云圖 (如圖5所示)發現，頂面的節點應力值在疲勞荷載作用下均發生了變化，應力值和靜荷載作用下相比較均增加;釘腳在荷載作用下，與基座銜接處同樣出現了應力過于集中的現象，與靜荷載作用下相比較應力值也同樣在增加;試件在經受150 482次在節點19 398.1處發生破壞。試件的疲勞壽命系數為0.613，介于0.5～0.8;試件發生疲勞破壞時，節點的最大應力值為－309.251MPa?；牧系那O限為603MPa。試件在遠低于屈服極限的條件下發生了破壞。

圖5 突起路標受疲勞載荷后的應力圖Fig.5 Stress distribution of protuberant marker under fatigue load

4 結束語

外界因素對突起路標的破壞具有復雜性和偶然性，研究以交通流作用為出發點，分析突起路標破壞特性，重點考慮機械因素破壞，從力學角度運用ANSYS模擬車輛碾壓突起路標引起的破壞過程，擬合突起路標在靜力、動載和疲勞荷載作用下的應力變化和位移變化情況，得出突起路標機體結構最易破壞處，從而得到當前突起路標在使用過程中受破壞的主要成因［12］。研究結論可為突起路標性能改良方案提供重要參考。

［1］European Committee for Standardization.Road marking materials－Road marking performance for road users，includes［S］.European:Amendment AI，2003:56 －77.

［2］鄔洪波，唐琤琤，張鐵軍，等.公路交通安全性改進技術研究［J］.公路交通科技，2009，26(3):148 －153.

［3］高建剛，陳宏云，許 諾，等.國外鄉村公路交通安全保障措施介紹［J］.公路交通科技，2010，27(8):120 －126.

［4］Swedish Road Administration.Swedish road signs signals road markings and signals by policemen［R］.Swedish:Swedish Road Administration，2006，133 －158.

［5］中華人民共和國交通部.JT/T390－1999突起路標［S］.北京:人民交通出版社，1999.

［6］中華人民共和國交通部.GB/T18833－2002公路交通標志反光膜［S］.北京:人民交通出版社，2002.

［7］鄭家軍，杜玲玲.突起路標粘結劑在安裝過程中的應用［J］.公路交通科技，2003，20(S1):149 －152.

［8］易 日.使用ANSYS6.1進行結構力學分析［M］.北京:北京大學出版社，2002:89 －95.

［9］中華人民共和國交通部.JTJ 074－2003公路交通安全設施設計技術規范［S］.北京:人民交通出版社，2003.

［10］中華人民共和國交通部.JTG D81－2006公路交通安全設施設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2006.

［11］Stefan Vacek，Constantin Schimmel.Road － marking analysis for autonomous vehicle guidance［A］.Proceedings of 3rd European Conference on Mobile Robots［C］.Freiburg，Germany，2007.

［12］盛玉剛，呂婷婷，夏紅亮，等.復合式反光突起路標［P］.中國專利，ZL 2010 2 0214543.0.2011－6－1.