裝配式混凝土防撞墻防撞擊性能與數值分析

王志超，張冠華，王威赫

(1.沈陽建筑大學 沈陽市 110168; 2.遼寧省交通規劃設計院有限責任公司 沈陽市 110166)

1 背景介紹

防撞墻雖然是橋梁結構中附屬設施，但其對保障行車安全，防止車輛駛離公路，減少道路事故的產生具有重要的作用。裝配式防撞墻是一種重要的防護物，在現代技術中的防撞墻通常是采用現澆法施工，由于防撞墻通常是在施工完成后現場澆筑，需要安裝內側模板和外側模板，并在兩者之間澆注混凝土以形成防撞墻，且模板安裝工藝較復雜，需要輔助安裝設備，工期長、工效低，易發生跑模現象，從而導致防撞墻凹凸不平，影響橋梁外觀。

結合城市建設需求，裝配式防撞墻的研究和應用成為一項新的課題。目前對于防撞墻的預制結構的研究應用，很有必要也勢在必行。

裝配式防撞墻由工廠預制生產，施工質量可以得到有效地保證，橋梁工程中采用裝配式防撞墻不僅能夠縮短施工工期，還能有效地減少混凝土因收縮徐變對防撞墻性能帶來的不利影響。南志等[1]將倒置預制施工方法應用于防撞墻的預制，研究結果表明，該方法可以提高防撞墻的施工質量，有效降低施工成本與后期維護成本。

項貽強等[2]將防撞墻與橋梁主梁共同預制，解決了防撞墻與橋梁主梁混凝土收縮徐變不一致的問題。通過工程實例闡述了橋梁快速施工的技術方法，體現了其施工優勢，并給出相應的細部結構設計，該連接方式牢固可靠，與主梁混凝土無齡期差異，整體力學性能良好。

為了使裝配式防撞墻能夠安全可靠地服務于橋梁工程的發展，保障行車安全，國內知名學者采用了不同方法對裝配式混凝土防撞墻的力學性能進行了研究。

一些學者對裝配式防撞墻的結構進行了優化，研究了不同結構形式的裝配式防撞墻的力學性能。

馮長林等[3]設計了一種預制空心混凝土防撞護欄，這種防撞墻結構構造較為簡單，能節約混凝土材料，提高施工速度，具有良好的經濟性和應用推廣前景。

張鵬等[4]采用數值模擬方法對不同的斷面形式的剛性防撞墻進行了大量的對比分析，研究了混凝土剛性防撞墻截面形式對碰撞影響的過程。研究表明，通過改變混凝土剛性防撞墻的斷面形狀，在合理的形狀下，防撞墻的防撞性能可以提升。

連接方式對裝配式防撞墻的力學性能有重要影響，一些學者對裝配式防撞墻的連接方式展開了深入的研究。

廖滿軍等[5]提出采用了一種快速連接設計方案，主要是通過先在結構中預埋鋼板和角鐵焊接，形成一個整體，然后用漿錨連接技術提升施工效率。有限元分析結果表明，這種連接方式能夠完全滿足防撞墻力學要求。應用于工程中可降低施工成本，有效提高施工效率。

蘇高裕[6]提出了裝配式防撞墻縱向連接的三種形式：企口連接、背部型鋼連接和傳力桿連接，并通過試驗和有限元模擬的方法對三種不同連接形式的裝配式防撞墻的力學性能進行了研究。

裝配式防撞墻的抗沖擊能力是評判其力學性能的一項重要指標，因此，部分學者對此開展了相關研究。

衛軍等[7]根據動力學和能量原理，采用三維有限元軟件對防撞墻的力學性能進行模擬，得到了防撞墻抗沖擊能力的計算方法。

謝智敏[8]通過試運行和碰撞試驗，測試了預制防撞墻的承載力。結果表明，當連接滿足設計規范要求時，預制防護墻的承載力滿足工程力學要求。

石紅星等[9]用機械振動法對混凝土防撞墻進行了碰撞安全研究，對車輛與混凝土防撞墻的碰撞過程進行了合理的簡化。

運用ABAQUS建立裝配式防撞墻碰撞體模型，對汽車—防撞墻碰撞的過程進行動態分析，本研究模擬了裝配式混凝土防撞墻的受沖擊過程，分析了不同撞擊位置下裝配式防撞墻的破壞過程。

2 模型建立

2.1 基本假設

把汽車等效為質量塊，考慮到汽車碰撞過程中為光滑的曲面，將質量塊前端設置倒角，形成光滑曲面。防撞墻—汽車碰撞計算的基本假設有以下內容：

(1)假定防撞墻墻體之間完整連續，所有的構件連接良好。

(2)假定防撞墻—汽車碰撞過程可能的接觸是汽車的前端。

(3)假定汽車在碰撞過程中不受障礙物的影響，碰撞過程為平面運動，不考慮汽車的翻轉和騰空，不考慮空氣阻力的影響。

(4)不考慮汽車摩擦作用的影響，也不考慮汽車和路面及防撞墻的摩擦作用。

(5)不考慮汽車自身變形。

2.2 模型建立

在ABAQUS上為了節約計算的時間和增加計算時的收斂性，在一定范圍內可以簡化一下模型。在模型中兩個接觸面的interaction中設置的切向摩擦系數是0.5。混凝土和鋼筋的變形系數接近，而且他們之間沒有明顯的滑移關系，所以沒有考慮粘結滑移的影響。

(1)裝配式防撞墻混凝土單元選擇C3D8R，即為八結點線性六面體單元。縱筋選擇兩節點T3D2三維桁架單元；箍筋選擇桁架單元建立T3D2單元。

(2)接觸面屬性：對部件進行組裝時構件之間采用tie的方式進行連接，輸入相應的摩擦系數為0.5。為達到與真實情況相近的模擬結果，對模型底部約束三個方向的位移和轉角，采用的是全約束；鋼筋籠采用embedded region內置區域約束條件與混凝土組合形成整體。模型采用的是切向行為，方向為各向同性。

(3)邊界條件及荷載加載過程：因為汽車—防撞墻在碰撞過程中，主要考慮碰撞區域，其它區域在空間自由度上都被約束。建模過程中主梁底部固結，按照所要求的條件完成約束。因為防撞墻的兩端對模擬的影響較小，故防撞墻的兩端也設定為全部自由度被約束，

(4)網格劃分和模擬的精確程度關系很大，在防撞墻和翼緣板設置合理邊距網格，使計算更為準確。將汽車簡化處理為質量塊，表1為汽車碰撞條件。

表1 汽車碰撞條件

對于防撞墻—汽車碰撞系統中車輛的受力問題，可以作如圖1所示分解。

圖1 汽車碰撞受力分解圖

將汽車模型定為小轎車，汽車自身質量為1.4t。為了研究裝配式防撞墻的防撞擊性能，把汽車模型簡化成彈性體，彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比為0.3。汽車以20°的角度撞向防撞墻時，速度可以分解為橫向速度和縱向速度，為了有效分析汽車碰撞過程中的瞬時受力問題，把汽車撞向防撞墻的力也分解為橫向作用力和縱向作用力。汽車—防撞墻碰撞有限元模型圖如圖2所示。

圖2 汽車-防撞墻碰撞有限元模型圖

3 不同撞擊位置下防撞墻破壞過程對比分析

3.1 防撞墻連接處的撞擊破壞過程分析

裝配式防撞墻連接處在汽車沖擊作用下，其破壞云圖如圖3所示。

圖3 防撞墻破壞云圖

根據模擬結果分析可知，防撞墻在汽車的撞擊作用下，通過產生更大的位移和結構變形來減小汽車的碰撞能。一般在車輛撞向防撞墻連接處時，車輛前輪會卡死在防撞墻，此時可以通過位移變形來使車輛爬升從而回到正常行駛方向，防止汽車沖出路外。車輛碰撞時，防撞墻通過阻擋作用使汽車速度減小，使汽車的動能轉化為防撞墻的內能。護欄上半部分為主要的受撞區，區域應力最大。裝配式防撞墻結構的混凝土鋼筋應力云圖如圖4所示。

圖4 防撞墻混凝土鋼筋應力云圖

汽車碰撞防撞墻連接處時，混凝土裂縫主要沿著初始方向繼續發育擴展。在撞擊力的作用下，上部區域承受壓力作用使變形不斷增加，破壞位置沿著防撞墻截面擴展。防撞墻與翼緣板的連接處鋼筋達到屈服應力345MPa，符合破壞規則，防撞墻連接處在汽車撞擊作用下，混凝土的拉壓應力均達到其極限應力值。豎向鋼筋在裝配式防撞墻裝配過程中主要承受彎拉作用，豎向鋼筋起到的連接作用比較明顯。汽車撞向防撞墻時，保持角度不變，沒有出現掉頭現象。

此外汽車在碰撞防撞墻時，防撞墻通過產生更大的位移和結構變形來減小汽車的碰撞能，減小動能轉化為結構變形勢能的總量，最大位移量為38.6mm，滿足規范《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)要求車輛碰撞防撞墻最大變形量不得超過100mm。加速度響應曲線峰值度處于可接受的范圍之內，驗證了模擬的防撞墻——汽車碰撞有限元模型是可靠有效的。

3.2 防撞墻一般位置處撞擊破壞過程分析

裝配式防撞墻一般位置處在汽車沖擊作用下，其破壞云圖如圖5所示。

圖5 防撞墻破壞云圖

根據模擬結果分析可知，防撞墻的一般位置在汽車的撞擊作用下，通過產生更大的位移和結構變形來減小汽車的碰撞能。護欄上半部分為主要的受撞區，區域應力最大。受壓損傷主要集中在碰撞區和連接處，相鄰一塊的防撞墻基本沒有受壓損傷。在沖擊過程中，主要是受拉損傷，受拉損傷主要集中在碰撞點和翼緣板上，相鄰一塊的防撞墻也受到受壓損傷。裝配式防撞墻結構的混凝土鋼筋應力云圖如圖6所示。

圖6 防撞墻混凝土鋼筋應力云圖

從圖6可看出汽車碰撞防撞墻一般位置時，在撞擊力的作用下，上部區域承受壓力作用使變形不斷增加，破壞位置沿著防撞墻截面擴展，與之相鄰的防撞墻也會受到影響。防撞墻與翼緣板的連接處鋼筋達到屈服應力345MPa，符合破壞規則。豎向鋼筋在裝配式防撞墻裝配過程中主要承受彎拉作用，豎向鋼筋起到的連接作用比較明顯。

此外汽車在碰撞防撞墻時，最大位移量為34.2mm，滿足規范中的不得大于100mm的要求。加速度響應曲線峰值度處于可接受的范圍之內，驗證了模擬的防撞墻-汽車碰撞有限元模型是可靠有效的。

4 結果與討論

汽車碰撞的能量條件，按以下公式計算：

(1)

式中：E為汽車碰撞防撞墻的能量(kJ)；m為汽車的質量(t)；v為汽車碰撞防撞墻的速度(m/s)；θ為汽車撞向防撞墻時的角度(°)。

按照式(1)計算，結果如表2所示。

表2 汽車碰撞能量表

根據規范要求質量為1.4t的車輛在80km/h速度下碰撞能量為353kJ，滿足規范中的要求，規范中要求SA等級的橋梁護欄的能量要求是400kJ，因此防撞墻滿足護欄的防撞等級。汽車以80km/h的車速和以20°的角度撞擊防撞墻時，車輛在碰撞前速度達到最大值，在碰撞的瞬間速度開始減小,汽車碰撞防撞墻時，汽車的速度變化很大，防撞墻有阻擋和緩沖的作用，使汽車的速度不斷減小。汽車在撞向混凝土防撞墻時，防撞墻的阻擋和緩沖作用改變了汽車前進方向,這表明了結構的沖擊能被消耗掉，防撞墻發生位移變化來進行耗能。表3給出車輛在不同的碰撞點下，混凝土防撞墻峰值沖擊力和最大動態變形量值。

表3 車輛在不同碰撞點下混凝土防撞墻峰值沖擊力與最大動態變形量

根據有限元模擬分析結果得到在不同碰撞位置混凝土防撞墻沖擊力時程曲線和位移時程曲線，如圖7所示。

圖7 車輛-防撞墻沖擊力時程曲線

根據圖7所示，從車輛—防撞墻沖擊力時程曲線可以看出:在車輛碰撞過程中，當車輛與防撞墻開始碰撞時，沖擊力時程曲線出現了第一個峰值，在0.01～0.02之間，在連接處的沖擊力大于在防撞墻一般位置處的沖擊力；在防撞墻的前段發生碰撞時，由于防撞墻的導向作用，使車輛的尾部再次與防撞墻發生碰撞，這時候出現第二個峰值，大約在0.1～0.15s之間。碰撞完成后，汽車與防撞墻分離，汽車的沖擊力不斷減小。

如圖8所示，觀察轎車碰撞過程中的能量曲線，動能的減少是非線性的，隨著變形的擴大，內部的能量是越來越大，動能通過能量的轉換而在減少，減少的動能一部分轉化為內能，內能隨著動能的減少逐漸增加。防撞墻的初始動能為344kJ，碰撞后的13ms內，降到201kJ，在車輛碰撞的過程中，混凝土防撞墻受到的沖擊力最大，由于防撞墻有很強的阻擋能力和緩沖能力，汽車的速度逐漸降低，從而汽車的能量逐漸降低，對護欄的沖擊力也越來越小，由圖中可以看出，防撞墻的內能增加了128kJ。當t=0時，即在碰撞時刻，內部的能量為0，動能是最大值，當t=0.15s時，動能和內能保持在一個固定值上，此時保持平衡且能量守恒，滿足了節約能源的要求和對車輛以及防撞墻自身的保護作用。

圖8 碰撞過程中的能量曲線

如圖9所示，取碰撞點的位移為分析對象，汽車在碰撞過程中，由于汽車與防撞墻撞擊的位置近，碰撞的時間較短，所以對二次變形的影響比較大，由于在連接處之間剛度小，所以在防撞墻連接處發生位移最大，隨著汽車與防撞墻接觸時位移迅速增大，位移最大達到38.6mm，而撞向防撞墻一般位置時，最大位移為34.2mm，位移變形滿足規范《公路護欄安全性能評價標準》所要求的在80km/h的汽車速度下，SA等級的防撞墻最大變形量不得超過100mm。在汽車的撞擊作用下，防撞墻通過產生更大的位移和結構變形來減小汽車的碰撞能，避免發生更嚴重的事故。

圖9 汽車碰撞過程中位移時程曲線

5 結論

隨著科學的進步和技術的提高，裝配式技術以后也會成為工程建設的主流趨勢。主要通過運用ABAQUS建立碰撞體模型，對汽車—防撞墻碰撞的過程進行動態分析，研究不同撞擊位置下防撞墻的破壞過程，驗證此種裝配式混凝土防撞墻的可靠性，得出了以下結論：

(1)有限元模擬結果表明:在汽車速度80km/h、碰撞角度為20°的條件下，車輛碰撞防撞墻能量小于規范中要求的400kJ，而且滿足車輛碰撞防撞墻最大變形量不得超過100mm的要求，新型裝配式混凝土防撞墻起到了阻擋、減速、引導的作用，滿足了相關規范要求。

(2)在不同的撞擊點作用下，在連接處的最大位移變形量為38.6mm，在防撞墻一般位置處最大位移變形量為34.2mm，混凝土防撞墻峰值沖擊力和最大動態變形量值都滿足規范要求，而且防撞墻在吸收能量的方面起著重要的作用，動能和內能保持在一個固定值上，保持平衡且能量守恒，既節約能源又對車輛和防撞墻自身起到了保護作用。

(3)綜合上述模擬以及數值分析，汽車在與防撞墻發生碰撞時符合基本規則，建立的碰撞模型是可靠的，故而此裝配式混凝土防撞墻在受到汽車撞擊時所展現出來的性能是良好的。