混凝土結構柔性防護技術與性能模擬分析

摘要：文章提出了將高性能吸能材料直接設置于混凝土結構表面，改造形成組合式的柔性防護結構，可解決現役混凝土護欄防護性能不達標、拆除重新鋪設費用較高且施工量大等問題。通過采用LS-DYNA軟件進行碰撞模擬試驗，分析了柔性防護結構的防護性能，并與現役混凝土護欄進行對比，結果表明柔性防護結構并未影響護欄的阻擋及導向功能，其變形防護、撞擊力及加速度等防護指標均優于原始混凝土護欄。同時，通過對不同厚度柔性防護結構的模擬分析，得出了高性價比的防護層厚度范圍，為我國道路混凝土護欄的升級改造提供理論參考及工程借鑒。

關鍵詞：混凝土結構；吸能材料；柔性防護；有限元分析

中圖分類號：U417.1

0 引言

隨著我國汽車保有量的持續增加，每年交通事故造成的傷亡給社會帶來嚴重影響。據統計，在交通事故中，汽車與路邊防護設施發生碰撞的比例高達30%以上［1］。防護護欄是公路建設的重要設施，在我國2017年修訂的《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81-2017）中，對交通安全設施中的護欄進行了詳細的規定［2］。目前我國公路護欄主要分為剛性護欄、半剛性護欄及柔性護欄，而采用較多的有剛性混凝土護欄及半剛性護欄中的波形護欄［3］。隨著車流量增加，道路護欄防護標準的標準要求也在逐漸增高，如果拆除原先的混凝土護欄，不僅會對原來的路基造成損壞，而且還會產生大量廢料，造成浪費，增加成本。因此，研究混凝土護欄升級改造方案對降低道路維護成本具有重要的意義。

國內對護欄的研究起步較晚［4］，再加上費用及裝備研究不足，只能通過借鑒國外成熟的技術及理念，逐步完善我國護欄的設計標準。我國于2013年修訂的《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）［5］，詳細規定了護欄的評價機制，對國內道路防護標準的實施起到促進作用。張茜［6］對高速公路舊橋防撞護欄進行改進提升，通過綜合考慮工程造價、工程施工、工期等諸多因素，提出了設計方案和計算方法供工程參考。石紅星等［7］通過計算機仿真模擬程序對車輛碰撞混凝土護欄的數值模擬與應用進行了研究及分析，通過分析影響因素提出了混凝土護欄設計的建議。蔣鍵鋯等［8］采用超高性能混凝土裝配連接新節段拼裝護欄，通過數值模擬分析受力情況，得出新型節段能夠有效起到保護作用，對混凝土護欄裝配施工具有參考意義。趙永利等［9］對剛性護欄及半剛性護欄與車輛碰撞的安全性進行了模擬分析，通過計算護欄變形、車輛質心加速度及車輛軌跡，得出剛性護欄抗沖擊力大、導向差，半剛性護欄導向性好、抗沖擊性能差，建議根據具體需求及使用工況進行選用。鄭植等［10］通過在混凝土護欄上設置復合材料防護板，對既有低等級混凝土護欄防護能力進行了提升。結果表明，組合式護欄的防側翻及防護效果均有較大提升。因混凝土造價便宜，改造升級空間大，成為部分學者的研究熱點。

目前緩沖吸能材料在道路防護領域已經得到了大量的應用，本文結合現行混凝土護欄結構，采用高性能吸能材料設計開發了一種新型柔性防護結構，旨在降低車輛碰撞對人員造成的傷害。通過有限元模擬分析碰撞過程，對新型結構安全性能進行了評估。

1 改進方案及評價標準

1.1 提升改進方案

本文擬采用高性能吸能材料，設計一種安裝在混凝土墻式防撞護欄上的新型柔性防護結構，實現對車輛及人員的高效安全防護。柔性防護結構材料主要選用聚氨酯彈性體，內部填充納米流體耗能體，采用壓板將柔性防護結構固定在混凝土護欄表面，最后貼上反光材料。緩沖耗能機理為：當車輛失速后，先與表面柔性防護結構碰撞摩擦緩沖耗能，然后再壓縮內部納米流體塊耗能，從而降低車輛碰撞動能，實現柔性防護，降低車輛及人員的傷害。該材料成本低、施工簡單，可多次重復使用。如圖1所示。

本次采用前處理軟件Hypermesh和仿真分析Ls-Dyna軟件對其車輛碰撞護欄過程進行模擬分析，分析車輛質量及能量變化，以及混凝土變形情況分析，根據車輛行駛軌跡、車輛撞擊力和加速度分析結果對其進行結構優化。

1.2 評價標準

根據《汽車側面碰撞的乘員保護》（GB20071-2006）、《公路護欄安全性能評價標準》（JTGB05-01-2013）等標準，本次對防護性能評價采用以下指標：

（1）阻擋功能：車輛與護欄發生碰撞時，禁止車輛出現穿越、騎跨、翻越、下鉆護欄等現象；混凝土護欄及其緩沖吸能材料等構件及其脫離碎片不允許侵入車輛乘員艙。

（2）導向功能：碰撞后護欄要能夠將車輛引導到車輛行駛方向，并且車輛不發生掉頭、橫轉、翻車等現象。

（3）緩沖功能：車輛重心位置和駕駛室位置的乘員碰撞橫向、縱向加速度的最大值≤20 g（即200 m/s2），碰撞速度＜12 m/s。

2 有限元分析

本節以現行混凝土護欄和安裝了納米吸能柔性防護結構的混凝土護欄為研究對象。根據小型轎車車輛實際尺寸，采用前處理軟件Hypermesh，求解器LS-DYNA分別建立小型車輛與防護欄碰撞模型。其中車輛重量為1.5 t，碰撞速度為100 km/h，碰撞角度為20°，護欄混凝土材料采用Mat159號材料模型進行模擬，材料參數采用Evaluation of LS-DYNA Concrete Material Model 159中測試報告值。小車-混凝土護欄碰撞有限元模型如圖2所示。

3 碰撞結果分析

3.1 可信度分析

模型車輛高速碰撞過程中的質量增加曲線及能量曲線如圖3、圖4所示。從圖3可以看出，經過對整車質量增加的比率進行分析，整車質量增加比率從8.234%增加到8.331%，增加比約為1.18%，＜5%，在控制范圍內。

根據能量守恒定理，碰撞過程中總能量應基本保持不變，動能減小，內能增加直至平衡不變，動能逐漸轉化為內能，但內能增加不多，能量主要由車輛自身變形耗散。為保證結果的有效性，總沙漏能＜5%，滑移界面能＜5%，可以看到，各能量變化平穩，曲線光滑過度，碰撞過程中能量守恒，結果有效可信。如圖4所示。

3.2 變形分析

3.2.1 混凝土護欄碰撞

通過對混凝土護欄和車輛在碰撞過程中的變形進行分析（見圖5），可以看到碰撞過程中，混凝土護欄無變形，但出現表面表皮掉落及車輛碰撞劃痕等，車輛沒有出現翻越和穿出護欄，也未出現掉頭、翻車等現象。車輛經過混凝土護欄導向后平穩駛出，但車輛防撞梁變形脫落，輪胎偏轉，引擎蓋及車門變形，結果如圖5（b）所示。

3.2.2 柔性防護結構護欄碰撞

通過對比分析柔性防護結構和車輛在碰撞過程中的變形情況，可以看到碰撞過程中，柔性結構表面防腐層掉皮，有車輛碰撞后的劃痕，未影響混凝土基體的導向和阻擋功能，結果如圖6（a）所示。柔性緩沖結構的阻擋功能、導向功能均滿足要求，車輛防撞梁變形脫落，輪胎偏轉相較于混凝土護欄小，引擎蓋及車門變形也較小，綜合防護效果優于混凝土護欄，結果如圖6（b）所示。

3.3 碰撞結果分析

3.3.1 撞擊力對比

采用小型客車對布置了柔性防護結構（厚度100 mm）的護欄與混凝土護欄進行碰撞對比，撞擊力如圖7所示，可以看出兩種護欄的撞擊力曲線特性基本一致，車頭和甩尾碰撞峰值均隨時間增加而逐漸降低，初始撞擊力峰值分別為283 kN和197 kN，和混凝土護欄相比，布置了柔性防護結構的護欄撞擊力峰值降低了30%以上。

3.3.2 乘員傷害對比

3.3.2.1 混凝土護欄碰撞

小客車碰撞混凝土護欄的撞擊力和加速度時程曲線如圖8所示。可以看出，小車撞到混凝土防護欄后，乘員最大反向碰撞加速度為-169 m/s2（X方向）和-185 m/s2（Y方向），負值代表加速度方向與行車方向相反。

3.3.2.2 柔性防護

小客車碰撞柔性防護結構的撞擊力和加速度時程曲線如圖9所示?？梢钥闯?，小車撞到柔性防護結構護欄后乘員最大反向碰撞加速度為-129 m/s2（X方向）和-116 m/s2（Y方向）。

通過對比可以看出，車輛撞擊加速度均滿足規范要求，安裝了柔性防護結構的護欄加速度降低明顯，X方向降幅約23.67%、Y方向降幅約37.3%。

3.3.3 車輛碰撞行駛軌跡分析

從圖10可以看出，車輛碰撞護欄后行駛軌跡未發生較大改變，未出現騎跨、翻越或翻車等現象。如圖10（b）所示，布置了柔性防護結構的護欄碰撞軌跡未影響原混凝土護欄的阻擋導向功能。

4 優化分析

針對計算結果，研究了柔性防護結構的厚度對車輛碰撞力的影響。結果如后頁表1所示：布置柔性防護結構后，有效降低了護欄撞擊力，隨著防護結構厚度的增加，撞擊力降低幅度逐漸減小，綜合成本及防護效果，建議防護結構厚度控制在100～120 mm為宜。

5 結語

（1）車輛與混凝土結構護欄和柔性防護結構護欄碰撞后，均未出現翻越、穿出、騎跨及翻車等現象，柔性防護結構未影響混凝土護欄阻擋導向性能。

（2）碰撞力和混凝土護欄對比，布置了柔性防護結構后，撞擊力峰值降低了30%以上。

（3）車輛重心加速度均滿足規范要求，安裝了柔性防護結構的護欄加速度降低效果明顯，X方向降幅約23.67%、Y方向降幅約37.3%。

（4）隨著防護結構厚度的增加，防護效果的降低幅度逐漸減小，綜合成本考慮，建議防護結構厚度控制在100～120 mm為宜。

參考文獻

［1］《中國公路學報》編輯部.中國汽車工程學術研究綜述·2017［J］.中國公路學報，2017，30（6）：1-197.

［2］JTG/T D81-2017，高速公路交通安全設施設計規范［S］.

［3］劉 瑾.高速公路事故高發段防護欄優化設計［D］.成都：西南交通大學圖書館，2012.

［4］林其方，俞仁平，馮建明，等.高速公路波形鋼護欄［J］.上海金屬，1992，14（1）：43-47.

［5］JTG B05-01-2013，公路護欄安全性能評價標準［S］.

［6］張 茜.高速公路舊橋防撞護欄提升設計方案［J］.公路交通技術，2020，36（6）：120-126.

［7］石紅星，呂偉民.車輛碰撞混凝土護欄的數值模擬與應用［J］.同濟大學學報，2002，30（9）：1 061-1 064.

［8］蔣鍵鋯，王銀輝，李志勇，等.超高性能混凝土節段拼裝混凝土護欄受力性能分析［J］.科學技術與工程，2021，21（15）：6 463-6 471.

［9］趙永利，柳天振.剛性護欄及半剛性護欄與車輛碰撞的安全性模擬分析［J］.東南大學學報（自然科學版），2012，42（2）：369-373.

［10］鄭 植，耿 波，王福敏，等.既有低等級混凝土護欄防護能力提升［J］.吉林大學學報（工學版），2022，52（6）：1-12.

收稿日期：2024-03-10

作者簡介：馮 鋒（1987—），碩士，高級工程師，研究方向：材料科學與工程專業。