超高性能混凝土節段拼裝混凝土護欄受力性能分析

蔣鍵鋯， 王銀輝,*， 李志勇， 羅 征

(1.重慶交通大學土木工程學院， 重慶 40074； 2.浙大寧波理工學院土木建筑工程學院， 寧波 315100； 3.寧波市交通規劃設計研究院有限公司， 寧波 315100)

隨著中國城市化進程快速推進，預制裝配施工技術高速發展，其具有施工快、對環境友好、對既有交通影響小等優點，逐步成為橋梁建設的主流建造形式。裝配化施工已廣泛應用于橋梁上下部結構中，但在橋梁護欄上的應用較少，護欄的裝配化施工成為制約橋梁裝配化發展的一大因素。

混凝土護欄是公路和城市橋梁防撞護欄中主要應用形式之一[1-2]，需顧及結構安全性，降低車輛乘員風險以及對碰撞車輛軌跡引導等多種功能。裝配式混凝土護欄與傳統現澆混凝土護欄相比具有制作質量高、裝配施工快、對環境友好等優點，另外，裝配式混凝土護欄也適用于舊橋改造加固，提高護欄防撞等級，在拆除原有護欄后，可以實現快速施工，減少交通封閉時間[3]。目前，已有學者提出采用高強螺栓、無黏結預應力[4]等進行混凝土護欄裝配連接，但其對施工精度要求較高，且存在連接處應力集中、連接件耐久性、構件節點和接縫處理等問題，因此有必要尋求更好的護欄裝配連接解決方案。隨著社會經濟發展，工程結構對高性能材料的需求日益加大，學者們發現纖維參合料可以顯著改善混凝土的抗拉強度和延性，即超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)，其相比于普通的混凝土材料其擁有更為優秀的耐久性和抗沖擊性能[5-8]，并且UHPC材料在橋梁上下部結構方面中已有較多的實際應用[9]，因此可以嘗試將 UHPC 材料應用于混凝土護欄的裝配連接。

現提出一種采用UHPC材料的新型混凝土護欄裝配連接方式。對混凝土護欄進行節段劃分并在工廠預制生產，通過預留錨固鋼筋、縱向連接鋼筋、橋面板植筋和UHPC進行節段拼裝，滿足護欄防撞要求的同時達到快速施工的裝配化要求。

通過對比分析新型節段拼裝混凝土護欄與同等級普通混凝土護欄在準靜態加載下的極限強度和破壞形式，以及沖擊作用加載下兩者的動力響應，評價該新型節段拼裝混凝土護欄的防撞性能，為混凝土護欄裝配化施工提供新的方案或思路。

1 新型節段拼裝混凝土護欄介紹

新型節段拼裝混凝土護欄主要由若干預制混凝土護欄節段、后澆UHPC、錨固鋼筋等構成。護欄豎向連接由節段護欄預留錨固鋼筋、錨固縱筋和后澆UHPC構成，如圖1所示。

圖1 新型混凝土護欄豎向連接構造圖Fig.1 Structural drawing of vertical connection of new concrete barrier

預制護欄節段間縱向連接由縱向連接鋼筋和后澆UHPC構成，如圖2所示。綜合考慮護欄構造連續性、建造經濟性以及吊車起吊重量等因素，混凝土護欄預制節段長度取4 m。護欄其余構造尺寸以及相關配筋形式和普通SS級防撞等級的普通整體現澆混凝土護欄相同。

圖2 新型混凝土護欄縱向連接構造圖Fig.2 Structure of longitudinal connection of new concrete barrier

2 有限元模型

2.1 UHPC材料本構模型

UHPC為文中有限元模擬中的核心連接材料，因此需保證模擬中UHPC本構模型的準確性。Guo等[10]在已有試驗數據的基礎上，基于連續面蓋帽(continuous surface cap，CSC) 模型進行擴展，以模擬UHPC材料的動力特性。該CSC擴展模型的沖擊響應與沖擊試驗數據比較吻合，符合數值模擬的需求，如圖3所示。因此研究中UHPC材料采用該由CSC擴展的本構模型進行模擬。

圖3 UHPC梁撞擊力時程曲線對比Fig.3 Comparison of impact force time history curves of UHPC beams

2.2 質量塊-護欄簡化模型介紹

采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對兩種形式的護欄進行顯式動力分析。有限元模型中普通混凝土本構模型采用廣泛使用的混凝土連續蓋帽模型，采用*MAT_CSCM_CONCRETE材料，新型節段拼裝混凝土護欄和普通混凝土護欄的護欄部分均采用C30混凝土，翼緣板部分均采用C50混凝土。兩種形式護欄各部分的構造鋼筋均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料，接觸采用*CONTACT_AUTO_SURFACE_TO_SURACE，其中為簡化計算，質量塊采用*RIGID材料模擬。主梁構造則參考普通預制混凝土小箱梁標準圖進行設計。為了使研究更具針對性，根據圣維南原理對模型進行簡化：取單個小箱梁的懸臂部分，對箱梁腹板進行固結約束，通過約束腹板部分來模擬箱梁翼緣板懸臂受力的邊界條件，模型如圖4所示。

圖4 新型節段拼裝護欄有限元模型Fig.4 Finite element model of a new segmental assembly anti-collision barrier

研究中，UHPC與混凝土之間的連接十分關鍵，王興旺[11]在推出試驗模擬中發現，靠近界面處的普通混凝土部分首先發生破壞，而此時UHPC及界面部分未達到破壞應力，試件受剪破壞位置發生在普通混凝土側。李昭等[12]采用綁定約束(Tie)模擬結合面之間的相互作用，防止接觸面之間產生相對滑移，其模擬結果與實驗吻合較好。綜合考慮，文中UHPC與混凝土間采用共節點連接。

3 有限元準靜態分析

3.1 加載方式

車輛撞擊混凝土護欄主要為具有一定作用范圍的沖擊荷載，由于實車碰撞試驗費用昂貴，因此在研究混凝土護欄的極限荷載時往往采用準靜態加載的方式，并將車輛撞擊轉換為等效線性荷載。美國國家公路與運輸協會標準AASHTO LPFD[13]中提供了車輛撞擊護欄的準靜態等效載荷的具體標準，其根據護欄的構件尺寸規格分為6個測試等級(TL-1～TL-6)，研究中護欄尺寸適合其TL-5測試等級要求(護欄的最小高度大于1 070 mm)，其對應車輛碰撞等效荷載的加載高度為1 070 mm、荷載寬度為2 440 mm。

有限元模擬中采用質量塊以剛體位移控制的形式進行準靜態加載。分別對護欄節段中心、兩護欄節段縱向接縫處以及節段偏心位置進行加載。考慮到加載時的縱向影響范圍，經過試算明確了護欄在寬度2 440 mm線性荷載下的有效長度范圍：節段中心加載時需要3片護欄節段以保證充足的縱向長度，接縫加載和節段偏載時需要4片護欄節段，具體如圖5所示，加載工況如表1所示。

圖5 護欄準靜態加載示意圖Fig.5 Schematic diagram of quasi-static loading of anti-collision barrier

表1 準靜態加載工況

以上述加載工況，采用準靜態加載方式展開對新型節段拼裝混凝土護欄和普通混凝土護欄的極限荷載和破壞形式進行對比分析研究。

3.2 損傷云圖分析

通過對幾種形式護欄在各個工況下的損傷云圖分析，研究它們受力情況和破壞形式的區別。由損傷云圖分析可知，普通混凝土護欄在變坡點A處發生破壞，以A點為水平線向上形成倒梯形的屈服線，如圖6(a)所示。新型節段拼裝混凝土護欄則在B點接縫處發生受拉破壞，呈更大范圍的倒梯形屈服線如圖6(b)所示。當后澆UHPC換成普通C50混凝土時，護欄下沿與翼緣板接縫處產生貫穿裂縫，護欄發生整體推到破壞，而不是護欄屈服破壞，連接處先于護欄發生破壞，如圖6(c)所示，說明普通C50混凝土無法滿足節段拼裝的強度需求。

圖6 3種形式護欄損傷云圖對比Fig.6 Comparison of three types of barrier damage nephogram

利用屈服線理論[14]對兩種形式混凝土護欄的極限強度進行分析，如圖7所示。

圖7 屈服線分析方法Fig.7 Yield line analysis method

護欄頂部位移值達到Δ時，護欄發生屈服破壞，此時護欄的極限強度Rw為

(1)

式(1)中:Rw為護欄極限強度，kN；Lc為屈服線臨界長度，m；Lt為碰撞荷載分布縱向長度，m；Mw為護欄豎向軸彎矩承載力，kN·m；Mb為護欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎矩承載力矩，kN·m；Mc為護欄關于橋梁縱軸的彎矩承載力矩，kNm；H為護欄的有效高度，m。

護欄的屈服線臨界長度Lc為

(2)

相同碰撞荷載分布縱向長度Lt下，新型節段拼裝混凝土護欄具有比普通混凝土護欄更長的屈服線臨界長度Lc。由于縱向節段護欄接縫間采用了節段縱向連接鋼筋，以及后澆UHPC連接，如圖2所示，其改變了混凝土護欄縱向強度的連續性，使得護欄接縫處周圍小范圍內的強度大于普通混凝土護欄，在一定程度上提高了縱向接縫處的承載力矩Mb和Mw。因此護欄發生破壞時，屈服破壞不會發生在節段間接縫處，而向接縫兩側移動，使新型節段拼裝混凝土護欄屈服線臨界長度Lc增大，發生屈服破壞所需的加載力Ft升高，其各類加載工況下的極限強度Rw較普通混凝土護欄提升了35%左右。

3.3 準靜態加載結果分析

分析兩種形式護欄各加載工況下的力位移曲線對比圖，如圖8所示，可得新型節段拼裝混凝土護欄在準靜態加載下的極限強度大于普通混凝土護欄，各加載工況下加載力峰值均值為1 896 kN。加載過程中由于豎向連接的局部開裂損傷，荷載在2.5 mm位移時發生小幅波動。普通混凝土護欄由于無豎向連接產生的豎向強度變化，其力位移曲線較為光滑，加載力峰值為1 396 kN，均小于新型節段拼裝混凝土護欄不同加載工況下的極限強度。而其中新型節段拼裝混凝土護欄接縫處加載的極限強度略大于節段中心加載和節段偏載的極限強度。

圖8 準靜態加載下力-位移曲線對比Fig.8 Comparison of force-displacement curves under quasi-static loading

另外，對比圖8中曲線CIP與PRC-C可以看出，當豎向連接由UHPC替換為C50混凝土時，其極限承載力略低于普通混凝土護欄，但是其前期位移發展明顯加快，說明其在加載初期剛度不足，意味著混凝土護欄節段的豎向連接采用C50混凝土時，其無法達到與普通混凝土護欄同等的防護能力。

提取3個模型中護欄關鍵截面變坡點A處(SectionA)的抵抗彎矩，如圖9所示。在相同的位移下，由于新型節段拼裝混凝土護欄存在UHPC縱向連接，因此該截面的承載力得到了一定程度的提高，達到普通混凝土護欄強度的同時提供了一定的安全儲備。

圖9 抵抗彎矩-位移曲線對比Fig.9 Comparison of resistance moment-displacement curves

裝配式結構中節段之間的連接尤為重要，可靠的節段間縱向連接可以避免節段拼裝護欄發生單節段受力，導致承載力大大下降。通過對比加載中各個節段的抗力值探求縱向接縫的可靠性。

節段中心加載前期，約60%的抗力由被加載護欄節段2提供，隨著位移增大約40%的抗力通過護欄節段2兩側的縱向連接由相鄰的節段1和節段3提供，如圖10所示。

圖10 節段中心加載時各節段彎矩分配時程圖(截面A)Fig.10 Time history of moment distribution for each segment during loading at the center of the segment(Section A)

當在節段2、3縱向接縫處加載時，其中約90%的抗力由接縫加載處兩側的護欄節段提供，兩片護欄節段各提供約45%的抗力，節段1和節段3通過第二道縱向接縫各傳遞5%左右的抗力，如圖11中PRC-2所示。當節段偏心加載時，被加載節段承擔約60%的力矩，偏心加載近端節段通過縱向接縫承擔約23%的力矩，偏心加載遠端節段承擔約15%的力矩，如圖11中PRC-3所示。說明縱向接縫起到了較好的縱向傳力作用，有效的分配了節段受力，使得節段間抗力組成合理，說明節段間縱向接縫在不同碰撞情況下可以提供可靠的連接作用。

圖11 各加載工況下節段抵抗力矩分配對比Fig.11 Comparison of section resistance rejection distribution under different loading conditions

4 有限元動力分析

4.1 動力加載方式

為了更好對比分析兩種形式混凝土護欄的防撞性能，故對其進行動力分析。通過質量塊-混凝土護欄模型，通過控制質量塊碰撞高度來模擬不同車輛撞擊高度。根據公路護欄安全性能評價標準(JTG B05-01—2013)[15]，SS級防護等級下的防護能量為520 kJ，因此保持總加載能量不變采用 10.40 t、10 m/s，4.62 t、15 m/s，2.60 t、20 m/s，1.66 t、25 m/s，1.16 t、30 m/s的質量與速度組合進行碰撞動力分析。碰撞高度采用常規小型汽車、客車和貨車的保險杠高度：36、42、65 cm。進行不同質量與速度組合和3種碰撞高度下新型節段拼裝混凝土護欄和普通混凝土護欄的動力響應，具體加載工況如表2所示。

表2 動力加載工況表

4.2 損傷云圖與動態位移分析

為了更加明顯地觀察破壞區別，取碰撞高度最高的對照組(碰撞速度10 m/s、碰撞高度65 cm)損傷云圖，普通混凝土護欄發生變坡點A處之上的倒梯形屈服破壞，如圖12(a)所示，新型混凝土護欄發生豎向接縫B點處之上的倒梯形屈服破壞，如圖12(b)所示，其屈服線臨界長度Lc擴大了13.8%，兩種形式護欄的開裂位置與準靜態加載結果基本一致。

圖12 兩種形式護欄損傷云圖對比Fig.12 Comparison of two types of barrier damage nephogram

對比碰撞高度為36 cm的新型混凝土護欄和普通混凝土護欄的位移時程曲線，如圖13所示。兩種形式護欄的位移時程曲線趨勢大致相同，但是新型節段拼裝混凝護欄位移上升更快，但兩者之間的位移相對差值保持相對穩定。在沖擊峰值過后，新型節段拼裝混凝土護欄的后續混凝土可恢復位移值較普通混凝土更大，殘余變形更小。

當連接采用C50混凝土時，如圖13中PRC-C所示，其最大動態位移遠遠大于普通混凝土護欄。而UHPC連接的護欄最大動態位移在節段中心加載時為223 mm，接縫處加載時為217 mm，節段偏心加載時為224 mm，其均值比普通混凝土護欄高約13 mm，其動態位移初期發展比普通混凝土護欄快。

圖13 沖擊荷載下混凝土護欄位移時程對比曲線Fig.13 Time-history comparison curve of concrete parapet displacement under impact load

究其原因，主要由于混凝土節段內側與后澆UHPC連接較弱，僅有普通混凝土和后澆UHPC界面連接，無受拉鋼筋受力，抗拉強度較低，如圖14所示。當受到沖擊荷載時，UHPC和普通混凝土界面上的普通混凝土率先發生受拉破壞，導致加載初期其位移發展較快，但由于內部UHPC和錨固鋼筋限制了裂縫的發展，使位移發展速率與普通混凝土護欄一致，因此兩者之間的位移差并沒有進一步擴大。

圖14 加載初期截面破壞示意圖Fig.14 Diagram of initial section failure during loading

當碰撞高度增大后，兩種形式的混凝土護欄動態位移均增大，通過分析不同碰撞高度下的動態位移擬合曲線，如圖15所示，可以發現普通混凝土護欄的最大位移峰值斜率更大，位移增加更快，達到了317 mm。而新型節段拼裝混凝土護欄可能由于UHPC和縱向連接鋼筋構成的縱向接縫提高了節段接縫左右1 m范圍內的整體剛度，因此其動態位移峰值增加較為平緩，在碰撞高度65 cm的3種加載情況下均保持在280 mm左右，表現出較普通混凝土護欄更好的抗沖擊能力。

4.3 能量分析

服役橋梁護欄升級改造中，由于護欄防撞等級提升，橋梁翼緣板相對于護欄會存在強度不足的問題。碰撞過程中護欄和翼緣板協同受力，翼緣板上緣混凝土會超過其抗拉強度而產生裂縫，導致后續翼緣板滲水，鋼筋發生銹蝕，翼緣板承載力下降。通過UHPC連接件幫助翼緣板分擔能量的情況，分析后澆UHPC對翼緣板的保護效果。另外，通過分析節段間能量分配，分析節段間縱向接縫的可靠性。

對比兩種形式護欄翼緣板的能量吸收情況，如圖16所示，普通混凝土護欄的翼緣板在整個碰撞過程中吸收了198 kJ的能量，而新型節段拼裝混凝土護欄的翼緣板由于后澆UHPC吸收了109 kJ的能量，使得翼緣板只承擔了69 kJ的碰撞能量，可見其受力大幅降低。

在同等能量撞擊下，隨碰撞速度增加，質量減小，兩種形式護欄吸收的能量均增大，翼緣板受力減小。翼緣板和UHPC的耗能比(翼緣板耗能/UHPC 耗能)隨碰撞速度增大而增大，在0.78(7%/9%)～1.38(18%/13%)之間，如圖17所示。據統計絕大多數車輛事故的碰撞速度在80 km/h以下，這意味著UHPC可以在絕大多情況下到達1.0以上的耗能比，承擔比翼緣板更多的碰撞能量。

圖17 不同碰撞速度下結構各部分能量分配圖Fig.17 Energy distribution diagram of each part of the structure at different collision speeds

究其能量分配變化的原因，主要由于后澆 UHPC 提升了翼緣板以及翼緣板與護欄連接處的整體剛度，而護欄的剛度未改變，使得碰撞發生后剛度相對較小的護欄多吸收了12%～14%的能量。另一方面， UHPC位于翼緣板上部連接處，為受彎剪組合作用的關鍵部位，由于UHPC優秀的力學性能，提升了連接部位的抗剪能力和翼緣板上緣的抗拉強度。在碰撞發生后，后澆UHPC和橫向鋼筋代替大部分原本受拉的翼緣板混凝土參與受拉，使得大部分翼緣板混凝土處于受壓狀態；另外后澆 UHPC 和橫向鋼筋也分擔了翼緣板的軸力，使得翼緣板在碰撞中能量吸收大幅下降，從而對橋梁翼緣板起到較好的保護作用。

通過節段間能量分配對比，檢驗沖擊作用下縱向連接的可靠性。節段中心加載下，70%～76%的能量由被碰撞的護欄節段吸收，24%～30%的能量擴散到兩側由相鄰的護欄節段吸收，如圖18(a)所示。在節段接縫處加載時，大于94%的能量由接縫兩側護欄節段吸收，少量的能量通過第二道接縫由節段1和節段4承擔，如圖18(b)所示。在節段偏心加載時，25%～31%的能量通過接縫傳遞到兩側護欄節段，如圖18(c)所示。

圖18 不同工況下新型護欄節段間能量分配圖Fig.18 Energy distribution between sections of new type barrier under different working conditions

通過不同工況下的能量分析，可以發現節段間縱向接縫能量傳遞表現良好。另外，隨著碰撞高度的提升，接縫外側的護欄節段吸收能量升高，節段間能量分配趨向均勻，說明護欄節段間縱向接縫的連接效果良好。

5 結論

通過ANSYS/LS-DYNA有限元軟件并考慮翼緣板協同受力的情況下，對比分析了新型節段拼裝混凝土護欄和普通混凝土護欄的極限強度，破壞形式和相關動力響應，具體結論如下。

(1)UHPC材料可以滿足節段拼裝混凝土護欄強度需求，在各類碰撞條件下新型節段拼裝護欄具有與普通混凝土護欄同等的防護能力，不僅克服了節段拼裝后防撞性能不足的隱患，并依靠UHPC優秀的力學性能，使其在能量吸收以及分配方面優于普通混凝土護欄，在絕大多數情況下能達到1.0以上的耗能比，對翼緣板起到了良好的保護作用。

(2)若護欄節段連接處采用普通C50混凝土，則節段拼裝混凝土護欄的極限強度低于普通混凝土護欄，難以滿足護欄的裝配連接需求。

(3)新型節段拼裝混凝土護欄屈服破壞范圍較普通混凝土護欄更大，普通混凝土護欄發生變坡點A處之上的倒梯形屈服破壞，新型混凝土護欄發生豎向接縫B點處之上更大范圍的倒梯形屈服破壞，其擁有較普通混凝土護欄更高的極限承載力。

(4)新型節段拼裝混凝土護欄在準靜態加載下，節段間抗力組成合理；在沖擊荷載下節段間能量分配合理。從準靜態分析和動力分析的角度分別驗證了節段之間UHPC縱向連接的可靠性。