高速公路突起路標(biāo)抗壓及抗沖擊性能研究

和麗梅

福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司（350008）

高速公路突起路標(biāo)抗壓及抗沖擊性能研究

和麗梅

福建省交通建設(shè)工程試驗(yàn)檢測有限公司（350008）

根據(jù)高速公路上安裝的突起路標(biāo)存在破壞率高、反光功能失效快等問題，分析突起路標(biāo)的破壞及失效原因分析，突起路標(biāo)在實(shí)際使用過程當(dāng)中，會(huì)受到靜壓載荷和沖擊載荷。運(yùn)用ANSYS有限元仿真軟件從力學(xué)角度研究車輛碾壓突起路標(biāo)引起的破壞狀況，分析得出應(yīng)力集中區(qū)域及位移變形區(qū)域。

交通工程；交通安全設(shè)施；突起路標(biāo)；ANSYS；有限元分析

高速公路具有行車速度高、車流量大的特點(diǎn)，相對于其他道路，一旦發(fā)生交通事故，將造成嚴(yán)重的生命、財(cái)產(chǎn)損失，因此，必須保證交通安全設(shè)施的有效性。突起路標(biāo)是交通工程中一種常用的交通安全設(shè)施，人們也稱其為貓眼、道釘。突起路標(biāo)在高速公路中也得到了廣泛應(yīng)用，如圖1所示，用來標(biāo)記中心線、車道分界線、邊緣線，也可以用來標(biāo)記彎道、進(jìn)出口匝道、導(dǎo)流標(biāo)線、道路變窄、路面障礙物等危險(xiǎn)路段，并可與涂料標(biāo)線配合使用。尤其在夜間光線不佳的路段處，給駕駛員提供視線誘導(dǎo)，保證車輛安全、通暢、舒適地運(yùn)行。

圖1 突起路標(biāo)的應(yīng)用

目前高速公路上安裝的突起路標(biāo)存在破壞率高、反光功能失效快等問題，使得突起路標(biāo)的壽命縮短，不能很好地提供視線誘導(dǎo)作用，為了有利于夜間行車安全，提高突起路標(biāo)可視性，引導(dǎo)駕駛?cè)藛T正確安全行駛，減小交通事故的發(fā)生，文章從影響突起路標(biāo)的抗壓及抗沖擊性能角度出發(fā)，分析引起上述問題的影響因素，為進(jìn)一步改善和提高突起路標(biāo)的性能提供參考。

1 突起路標(biāo)的分類

突起路標(biāo)按逆反射性能分為逆反射型（簡稱A類）和非逆反射型（簡稱B類）兩種。A類突起路標(biāo)分為A1類、A2類、A3類等，A1類突起路標(biāo)由工程塑料或金屬等材料基體和微棱鏡逆反射器組成的逆反射突起路標(biāo)，A2類突起路標(biāo)由工程塑料或金屬等材料基體和定向透鏡逆反射器組成的逆反射突起路標(biāo)，A3類突起路標(biāo)由鋼化玻璃基體和金屬反射膜組成的一體化全向透鏡逆反射突起路標(biāo)。

鋁合金突起路標(biāo)基體框架材料為鋁合金，通常鑲嵌有塑料件，塑料件的作用主要用于遮擋光逆反射器等光效應(yīng)部件。塑料突起路標(biāo)由ABS等耐磨材料注塑而成，質(zhì)量輕，膠水黏結(jié)效果好。玻璃突起路標(biāo)結(jié)構(gòu)簡單，耐油、耐候性及耐磨性好，破損成粉末狀，不損傷輪胎。如圖2所示。

圖2 鋁合金、塑料、鋼化玻璃突起路標(biāo)

2 突起路標(biāo)的破壞及失效原因分析

2.1 突起路標(biāo)的破壞分析

1）設(shè)置在車道分界線上的突起路邊基體結(jié)構(gòu)受破壞程度比較大，設(shè)置在道路中心線和車道邊緣線上的突起路標(biāo)受破壞程度比較小。受破壞的部位主要在左面、右面和正面，頂面和背面受破壞程度較小。

2）突起路標(biāo)受碾壓主要是由小型客車、中型客車、大型客車、貨車等車輛引起，突起路標(biāo)的破壞形式主要有脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等。

2.2 突起路標(biāo)失效的原因分析

1）基體材料抗壓強(qiáng)度不夠，造成突起路標(biāo)破損失效。突起路標(biāo)在實(shí)際使用過程當(dāng)中，會(huì)受到靜壓載荷和沖擊載荷。靜壓載荷主要是由車輛靜止時(shí)輪胎壓在突起路標(biāo)上形成的；沖擊載荷主要是車輛在行駛過程中輪胎碾過道釘時(shí)產(chǎn)生的。

2）基體與路面黏結(jié)不牢固，基體與底膠脫離失效。原因是車輪碾過突起路標(biāo)時(shí)產(chǎn)生的平行于路面的橫向剪切力大于道釘與路面的結(jié)合力。

3 突起路標(biāo)的抗壓荷載試驗(yàn)和整體抗沖擊性能試驗(yàn)

3.1 抗壓荷載試驗(yàn)

1）在試驗(yàn)機(jī)下壓平臺(tái)中心上放置一個(gè)厚度為13 mm、比被測突起路標(biāo)基底大的鋼板，將突起路標(biāo)基底放置在鋼板中心上。

2）在被測突起路標(biāo)頂部放置一塊厚度為9.5 mm、邵氏硬度為60 A、尺寸大于被測突起路標(biāo)受壓面積的彈性橡膠墊。

3）另一塊厚度為13 mm、比被測突起路標(biāo)大的鋼板放置在彈性橡膠墊上。

4）調(diào)整鋼板、被測樣品、彈性墊，使被測突起路標(biāo)置于試驗(yàn)機(jī)上下壓頭的軸線上，開啟試驗(yàn)機(jī)，以2.5 mm/min的速率對突起路標(biāo)進(jìn)行加載，直到破壞或產(chǎn)生明顯變形（大于3.3 mm）為止，記錄此時(shí)的最大力值。

5）A1、A2類突起路標(biāo)應(yīng)不小于16 kN，A3類突起路標(biāo)應(yīng)不小于245 kN。

3.2 整體抗沖擊性能試驗(yàn)

1）在堅(jiān)固、平整的水平面上放置一厚度不小于13 mm、面積大于突起路標(biāo)下表面的鋼板，將突起路標(biāo)置于鋼板上，用質(zhì)量為1 040 g±10 g的實(shí)心鋼球，在突起路標(biāo)正上方1 m的高度自由落下，沖擊點(diǎn)為突起路標(biāo)上表面的中心。

2）試驗(yàn)后以沖擊點(diǎn)為圓心，直徑12 mm的區(qū)域外不應(yīng)有任何形式的破損。

4 力學(xué)分析

突起路標(biāo)功能失效的外界因素具有復(fù)雜性和偶然性，研究主要依據(jù)抗壓荷載及整體抗沖擊性能試驗(yàn)，針對車輛碾壓因素及機(jī)械破壞，利用ANSYS有限元仿真軟件從力學(xué)角度研究車輛碾壓突起路標(biāo)引起的破壞狀況，分析步驟如圖3所示。

圖3 力學(xué)分析步驟

4.1 建立有限元模型

首先對突起路標(biāo)進(jìn)行建模，分別建立塑料突起路標(biāo)和鋼化玻璃突起路標(biāo)兩種模型，并進(jìn)行有限元分析，主要步驟是:定義材料屬性（Define property），輸入材料的彈性模量和泊松比，定義材料單元（Define elements），進(jìn)行單元體的網(wǎng)格劃分（Meshing），網(wǎng)格可分為自由網(wǎng)格和映射網(wǎng)格，突起路標(biāo)的模型相對簡單，采用自由劃分網(wǎng)格的方式。

4.2 模型分析計(jì)算

取突起路標(biāo)在最不利情況下的荷載，塑料突起路標(biāo)在各個(gè)表面承受160 kN的壓力，玻璃突起路標(biāo)在各個(gè)表面承受245 kN的壓力，加載后通過有限元方程的求解，得出結(jié)果（Plot results），生成應(yīng)力圖和位移圖。

通過ANSYS對突起路標(biāo)有限元模型加載靜載荷,經(jīng)過分析計(jì)算后獲得突起路標(biāo)應(yīng)力和位移結(jié)果。圖4所示，從應(yīng)力云圖可以得出，塑料突起路標(biāo)四周邊緣靠近底面應(yīng)力值過大，邊緣區(qū)域的應(yīng)力值形成帶狀，容易產(chǎn)生破壞。從位移云圖可以得出，四周邊緣靠近底面位移較大，向四周漸變，底部邊緣在車輪碾壓下容易發(fā)生破壞。圖5所示，鋼化玻璃突起路標(biāo)在應(yīng)力云圖中紅色帶狀區(qū)域應(yīng)力值、位移值都偏大，底部邊緣位移值也較大，都屬于易發(fā)生破壞部位。

1）靜力荷載分析

2）動(dòng)力學(xué)分析

通過瞬態(tài)動(dòng)力分析，模擬車輪沖擊載荷對突起路標(biāo)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，且較大應(yīng)力值的區(qū)域均比靜力荷載偏大許多，但易破壞位置基本一致，如圖6所示。

圖5 鋼化玻璃突起路標(biāo)靜力學(xué)分析

圖6 突起路標(biāo)動(dòng)力學(xué)分析

5 結(jié)語

突起路標(biāo)受碾壓引起脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等功能失效，在實(shí)際使用過程當(dāng)中，主要會(huì)受到靜壓載荷和沖擊載荷，基體材料抗壓強(qiáng)度不夠，造成突起路標(biāo)破損失效。從力學(xué)分析角度運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件模擬車輛碾壓突起路標(biāo)引起的破壞過程，分別在靜載荷、動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力和位移變化情況，得出突起路標(biāo)基體最易破壞位置，從而得出突起路標(biāo)在使用過程中受到碾壓破壞的主要成因。研究結(jié)論可以為突起路標(biāo)性能的改善和提高提供重要參考。

[1]中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).GB/T 24725-2009,突起路標(biāo)[S].北京:中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局, 2010.

[2]中華人民共和國交通部.JGJD81-2006,公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JTJF71-2006,公路交通安全設(shè)施施工技術(shù)規(guī)范[S].北京:中華人民共和國交通部,2006.

[4]中華人民共和國交通運(yùn)輸行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).JT/T 968-2015,突起路標(biāo)膠粘劑膠接性能指標(biāo)及試驗(yàn)方法[S].中華人民共和國交通運(yùn)輸部,2015.

[5]ANSYS結(jié)構(gòu)分析單元與應(yīng)用[M].北京:人民交通出版社, 2011.