FRP-混凝土組合式護欄防護重型車輛撞擊的能力

鄭植 楊波 袁佩 耿波

doi：10.11835/j.issn.1000.582X.2024.04.005

收稿日期：2023-06-15

基金項目：重慶市自然科學基金資助項目（CSTB2022NSCQ-MSX1658）；貴州省科技計劃資助項目（黔科合支撐（2022）026）。

Foundation：Supported by Natural Science Foundation of Chongqing（CSTB2022NSCQ-MSX1658）， and the Science and Technology plan project of Guizhou Province （Qiankehe Support （2022）026）.

作者簡介：鄭植（1992—），男，博士研究生，主要從事工程結構抗沖擊與防護研究，（E-mail）zhengzhi@cqu.edu.cn。

通信作者：楊波，男，教授，（E-mail）yang0206@cqu.edu.cn。

摘要：為提高低等級混凝土護欄防護重型車輛的能力，設計了3種不同構造形式的復合材料護板，分別設置在混凝土護欄表面形成組合式護欄。建立車-護欄精細化有限元模型，通過與實車碰撞試驗結果對比，驗證了有限元模型的可靠性。考慮撞擊力、碰撞角度、車輛軌跡、貨廂尾部抬高、車輛動態外傾值、車輛外傾角6個評價指標，對比分析了3種方案護欄的防車撞性能。結果表明，在整體式貨車撞擊下，3種方案護欄均能順利引導車輛轉向，不帶阻坎的方案一的各主要指標均優于其他方案，防護能力最優；在拖掛式貨車撞擊下，方案一的護欄導向與阻擋性能依然良好，駛出角僅為0.75°；改造后的組合式護欄防護能量達到650 kJ，防護能力是改造前的4倍。

關鍵詞：組合式護欄；碰撞仿真；防車撞能力；復合材料

中圖分類號：U417.1+2????????? 文獻標志碼：A????? ???? 文章編號：1000-582X（2024）04-051-13

Anti-collision performance of FRP-concrete combined guardrail under heavy vehicle impact

ZHENG Zhi1，2， YANG Bo1， YUAN Pei2， GENG Bo2

（1. School of Civil Engineering， Chongqing University， Chongqing 400045， P. R. China; 2. National Key Laboratory of Structural Dynamics of Bridge Engineering， China Merchants Chongqing Communications Technology Research and Design Institute Co.， Ltd.， Chongqing 400067， P. R. China）

Abstract： To improve the protective capabilities of existing low-grade concrete guardrails against heavy vehicles，three types of composite protective plates designed for direct installation on the surface of concrete guardrails were developed. Refined finite element （FE） models of truck-guardrails were established， and the reliability of these models was verified by comparison with crash test results. Six evaluation indexes， including impact force，collision angle variations，vehicle trajectory， height variations of the carriage box tail，vehicle dynamic extroversion value and camber angle， were considered. The anti-collision performance of the three schemes was compared and analyzed. The results indicate that all three kinds of guardrails effectively guide vehicles to turn smoothly during the integral truck impacts. Scheme 1， without hindrance， demonstrates superior performance in key indices compared to the others. Under towed truck impacts， scheme 1 exhibits excellent guiding and blocking capabilities， with an exit angle of only 0.75°.The protection energy of the combined guardrail reaches 650 kJ，providing a protection capacity 4 times greater than the existing low-grade guardrail.

Keywords： combined guardrail; crash simulation; anti-collision ability; composite material

護欄作為公路的重要交通安全屏障，既要充分吸收沖擊能量，有效降低碰撞時的峰值加速度；又要對偏離車輛進行導向，以避免車輛越出道路。隨著我國低等級道路改擴建及重車比例、貨運流量增加，早期修建的低等級護欄已不能匹配現階段交通流，會帶來嚴峻的安全隱患。若將現有低等級護欄全部更換，既不經濟也會長時間影響交通。因此，研究既有護欄的能力提升具有重要意義。

混凝土護欄由于抗撞能力強，得到了廣泛應用。國內外學者[1?7] 針對混凝土護欄開展了相關研究，并提出了優化建議。Yin等[8]采用基于仿真的優化方法，將非線性有限元模擬、徑向基函數元建模和遺傳算法相結合，對混凝土護欄進行了優化設計，優化后的護欄在導向性能與防傾覆性能方面更具優勢。Yang等[7]提出一種模塊化的移動式混凝土護欄，各護欄節段通過鋼插銷鉸接，在碰撞中能夠橫向移動，以延長碰撞時間，與既有整體式護欄相比能更有效引導碰撞車輛，部分碰撞能量可通過護欄的橫向位移以及與粗糙地面的摩擦耗散。趙建等[9]為防止重型車輛穿越護欄，對既有護欄截面的底寬、下斜坡角度、上斜坡角度、阻爬坎寬度、下斜坡高度、護欄高度6個設計參數進行了正交優化分析，提出了最優參數。閆書明[10]設計了一種城市橋梁新型橋側混凝土護欄，采用有限元仿真與實車碰撞試驗相結合的方法進行安全防護性能分析，證明能有效防護行駛車輛，防撞等級達到SS級。雷正保等[11?12]對4種典型混凝土護欄進行了碰撞仿真分析，針對間斷式與連續式混凝土護欄的問題提出了建議。上述研究成果可用于指導新建護欄設計，但在面對數量巨大的既有護欄改造方面顯得實用性不強。不同于波形護欄具有模塊化、質量輕、易于拆除更換的優點，混凝土護欄只能采用切割機拆除更換，施工時間長且占用交通，同時會產生大量垃圾，代價較高。因此，如何利用既有結構進行防護能力提升就成為一種經濟有效的思路，而這方面研究目前還鮮有文獻報道。纖維增強復合材料具有輕質、高強、耐久性好的優點，在交通安全設施開發中得到了較多關注。Bank等[13?15]針對復合材料護欄的抗撞性能設計了8種斷面，不同斷面均由矩形FRP管連接形成整體，通過靜力彎曲試驗分析了各斷面護欄的吸能曲線，以波形鋼護欄吸能性能為參照，確定了最優斷面，通過最優構造的擺錘沖擊試驗發現該護欄能夠承受顯著的非彈性變形和嚴重的局部彎曲，完整性較好。Dutta[16]采用真空輔助樹脂傳遞成型工藝設計了W形復合材料護欄，通過三點彎曲試驗分析了不同厚度下護欄的荷載-位移曲線。試驗發現在彎曲作用下即使護欄斷裂，在卸載后也會反彈回線性形狀，在實際工程中能夠多次使用，不需更換。金思宇等[17]設計了一種拉擠成型的連續纖維增強熱塑性復合材料護欄，通過實車碰撞試驗證明該護欄滿足A級防護要求。Sun等[18]提出一種BFRP圓管替代傳統梁柱護欄的方形鋼管，形成新型BFRP護欄，對碰撞過程中的緩沖功能、引導功能和能量吸收等各項指標進行了分析，并與傳統鋼護欄進行比較，指出BFRP護欄的抗撞性能優于鋼護欄。

鑒于纖維增強復合材料防護結構的優異性能，文中提出一種可以直接安裝在混凝土護欄表面的復合材料柔性護板，與原有結構共同作用形成組合式護欄，以提升防護重型車輛的能力；建立了重型貨車-護欄精細化有限元模型，對3種不同構造的護板進行了碰撞數值模擬，對比了多個評價指標，確定了最優方案，為既有低等級混凝土提升護欄能力提供了參考。

1 GFRP-混凝土組合式護欄

為兼顧護欄改造的經濟性及施工便捷性，需盡可能利用原結構，GFRP-混凝土組合式護欄是在現有低等級混凝土護欄上增設玻璃纖維復合材料柔性護板，護板內部緊密填充緩沖耗能芯材。在汽車碰撞交通安全領域，接觸部位的截面形狀與尺寸會極大影響碰撞結果。因此，護板斷面設計需要滿足《公路交通安全設施設計細則》[19]的相關規定，以三級F形護欄為例，護板斷面與既有護欄背面傾斜度相似，護板厚度的設置不可超過路緣線，防止造成行車阻礙。3種方案下的組合式護欄構造如圖1所示。其中，方案一不設置阻坎，方案二、三分別設置不同寬度阻坎，降低車輛側翻的減輕程度。單個護板整體長度為120 cm，厚度為10 cm，壁厚為1 cm，在每塊護板四個角點的坡頂與坡底處分別預留螺栓孔，安裝時僅需提前在原有護欄上鉆孔，通過膨脹螺栓連接固定即可形成整體。護板在坡頂處的厚度根據防護需要適當增加，可以更有效防止重型車輛側翻到對向車道造成二次傷害。在發生撞擊時，由于護板的柔性緩沖與吸能，與原有混凝土護欄相比，能額外吸收一部分撞擊能量，減輕乘員傷害。同時，復合材料具有較好的撞后回彈性能，圖2給出了3 mm厚GFRP板與50 mm厚混凝土板在連續敲擊20次后的對比，可以發現，GFRP面板僅有局部纖維斷裂，整體無破壞，混凝土面板已出現露筋，保護層大面積剝落，組合式護欄的重復使用次數能大幅提高。

2 碰撞系統有限元模型

2.1 汽車有限元模型

有限元模擬中的碰撞車輛以NCAC（National Crash Analysis Center）發布的HGV16、HGV38重型貨車為原型，在此基礎上針對后部車廂分別進行修改，形成我國道路交通運輸常見的兩軸整體式與五軸拖掛式廂形貨車。集裝箱采用梁單元和殼單元模擬，貨物采用彈性實體單元模擬。在與混凝土護欄碰撞中，貨廂通常不會與護欄發生直接撞擊，而是以擦掛為主，貨物剛度對撞擊過程的影響并沒有撞擊橋墩顯著。參考趙武超等[20]的取值建議，貨物彈性模量為1 000 MPa。由于整車結構，如保險杠、引擎蓋、門框等部件均為薄壁結構，因此，主要以殼單元為主進行建模，單元尺寸控制在10～50 mm范圍，單元算法采用缺省的Belytschko-Tsay單點積分，在碰撞大變形計算中，保證良好精度的同時還可以兼顧求解效率。模型中薄壁金屬結構的塑性變形均采用*MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY描述，該材料模型可以直接輸入應力-應變關系曲線。發動機、變速器采用基于連續應力積分的實體單元建立，由于在碰撞中該部分幾乎不發生變形，采用剛體材料模擬，傳動軸與后橋則采用梁單元建立。碰撞車輛精細化有限元模型如圖3所示，鄭植等[21]已通過對混凝土護欄實車撞擊試驗進行模擬驗證了該車輛模型可靠性，整體式貨車單元數量為45 180，拖掛式貨車單元數量為67 765。

2.2 組合式護欄有限元模型

分別建立不同方案下組合式護欄有限元模型，原有混凝土結構采用8節點的Solid164實體單元建立。既有F型護欄長度設置為60 m，單元尺寸控制在20～40 mm，單元長寬比保持在1.5以內。復合材料柔性護板則采用4節點四邊形SHELL163殼單元建立，單元數量25 323。護板內部緊密填充的輕質緩沖泡沫材料采用5節點四面體單元建立以防止出現負體積造成計算終止，單元數量為77 411。組合式護欄中的螺栓連接采用點焊單元進行簡化，參考文獻[22]的取值，其法向失效拉力fsn=70 kN，剪切失效力fss＝45 kN。為減小碰撞系統單元規模，僅將護欄縱向接觸碰撞區域單元長度劃分為30 mm，遠離碰撞區域單元長度劃分為300 mm，護欄有限元模型如圖4所示。

2.3 材料模型參數驗證

由于混凝土護欄的剛度遠大于碰撞車輛，在接觸碰撞中動能主要都由車輛變形吸收，護欄本身無明顯變形。根據Yin等[7]、Marzougui D等[23]、Polivka等[24]的研究發現，采用20號*MAT_RIGID剛體材料對混凝土進行簡化，其數值模擬結果與實車撞擊試驗結果一致，文中對混凝土材料的參數取值與文獻一致。GFRP柔性護板采用增強型復合材料損傷模型模擬，通過關鍵字*MAT_ENHANCED_COMPOSITE_DAMAGE進行定義。該模型可同時考慮纖維和基體損傷，分為纖維拉伸和壓縮失效、基體拉伸和壓縮失效，需要定義4個損傷變量，破壞方式為逐層失效后單元完全刪除。該模型在復合材料領域中應用較為廣泛，其精度已得到大量驗證[25?27]。

由于復合材料采用分層損傷失效準則，需要將原本的單層殼分成多層，即采用分層殼單元來考慮面內與面外的彎剪耦合。通過關鍵字*PART_COMPOSITE替換原有的*SECTION_SHELL，每層殼單元厚度則根據纖維布層數進行分配，為0.5 mm，共鋪設20層，每層材料鋪設順序為0/90°，材料參數如表1所示。為驗證護板有限元模型中復合材料取值合理性，對復合材料拉伸與彎曲性能試驗開展了數值模擬，試件厚度均為3 mm，拉伸試件一端固定，一端施加恒定位移，彎曲試件則采用三點彎曲。模擬結果與試驗對比如圖5所示，可以發現吻合程度較好，參數取值能準確描述FRP破壞形態。

護板內部緩沖耗能芯材采用63號*MAT_CRUSHABLE_FOAM可破碎泡沫模型，直接輸入材料壓縮試驗得到的應力-應變曲線定義泡沫特性。緩沖材料彈性模量為2.48 MPa，拉伸截止應力為0.05 MPa。對耗能芯材的壓縮性能試驗同樣進行了取值驗證，如圖6所示，該材料模型在大變形壓縮時依然能保持穩定，單元未發生畸變。在碰撞模擬中為防止出現負體積與過大的沙漏能導致失真，設定當有效應變達到0.7時，將該單元刪除，同時采用黏性沙漏進行控制，沙漏系數取0.01。

在有限元模擬中，不同單元間的接觸和滑動處理尤為重要，特別是對于發生大變形的問題。為模擬撞擊過程中碰撞系統各部分受力行為，在車身、護板各節段、護欄之間分別定義接觸算法*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE。同理，碰撞系統內部也會發生變形并相互接觸。在車輛內部、護板內部定義接觸算法*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE來處理該區域的接觸，該算法能夠檢測在指定單元組中發生的所有接觸。為避免在碰撞模擬中產生數值噪聲，將動態系數設置為與靜態值相等（即0.2）[28]。碰撞工況以《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01-2013）[29]為依據，采用18 t兩軸整體廂形貨車、40 t五軸拖掛式廂形貨車分別撞擊各護欄，如表2所示。

3 整體式貨車碰撞分析

車輛與護欄接觸碰撞過程中，汽車的初始動能逐漸轉化為內能、界面接觸能、沙漏能，總能量始終保持守恒，沙漏能占系統能量的比例未超過5%，如圖7所示。可以發現，僅有17%的能量與內能發生了交換，大部分動能仍保留在車輛上，說明護欄具有較好的導向功能。

3種方案碰撞下的撞擊力時程如圖8所示，車頭與車尾碰撞階段撞擊力曲線特性基本一致。在第一階段車頭碰撞時，各方案碰撞力峰值分別為923、871、1 130 kN，其中，方案一、二峰值力區別不大，與方案三相比降低了23%；第二階段甩尾碰撞時，碰撞力峰值分別為444、627、545 kN，方案一峰值力最小，與方案二相比降低了29%。在0.9 s時刻，由于車輛前輪發生沿護欄方向的轉向，再次撞擊方案二護欄，碰撞力峰值達到400 kN。

碰撞車輛撞擊過程中的角度變化時程如圖9所示，3種方案均能順利導向，方案一駛出角最小，僅為0.32°，方案二次之為1.24°，方案三為4°，各護欄在車頭碰撞段導向能力基本一致，但在甩尾碰撞段既有低等級混凝土護欄無法順利導向，在1.5 s時刻車身縱向軸線與護欄夾角達到了20°。文獻[4?5]給出了混凝土護欄、鋼-混凝土組合式護欄在重型貨車以20°撞擊下實車碰撞試驗的實測駛出角分別為10°、4.6°、0°。說明采用復合材料柔性護板進行能力提升改造的思路可行，對護欄導向性能沒有不利影響。在合適的構造下，導向能力進一步提高。碰撞過程中車輛行駛軌跡如圖10所示，輪跡均未越出導向駛出框，方案一碰撞下車輛輪跡狹窄、轉向明確，碰撞點與駛離點間隔最短，僅為9.6 m。方案三在1.5 s時刻仍未完全駛離護欄，且輪跡最為雜亂。

重型貨車不但車身高，裝載之后重心提高且質量增大，在發生碰撞時極易翻車造成更嚴重損害。因此，需要討論護欄是否能最大程度地抑制翻車。評價碰撞車輛的傾覆指標主要為貨廂尾部抬高值H、車輛外傾值VI、車輛外傾角θ，如圖11所示。可以看到，在后輪甩尾碰撞時，車身側翻程度最為劇烈且變化幅度最大。各方案碰撞過程中貨廂尾部抬高變化如圖12所示，方案一貨廂尾部最大僅上升了40 cm，在0.95 s時刻即回到地面，與方案三相比降低了50%，落地時間則縮短了24%，這對乘員保護是較為有利的。既有混凝土護欄無法有效防御側翻，最大抬高值達到了2.18 m，方案一護欄可使貨廂最大抬高值降低420%。

車輛外傾角變化如圖13所示，在既有混凝土護欄碰撞下，車輛最大外傾角達到80°，方案一護欄碰撞下僅為15°，外傾程度降低了433%。車輛動態外傾值時程曲線如圖14所示，可以發現方案三貨廂越出護欄最為劇烈，最大水平距離達到1.6 m，方案一僅為1 m。與既有混凝土護欄相比，方案一護欄撞擊下車輛動態外傾值降低了166%。通過各指標對比可知，阻坎的存在并不能減輕側翻程度，相反會削弱防護效果，阻坎越凸出防護效果越差。

整體式貨車撞擊各方案護欄全過程動態響應如圖15所示，0.3 s時刻車頭碰撞階段，3種方案響應基本一致，右前輪被護板撥正方向，左前輪、左后輪逐漸抬高，車頭被引導回行駛方向，如圖15（b）所示。0.6 s時刻，由于甩尾產生的巨大慣性，右后輪碰撞護板，車輛以右后輪頂部為支點外翻，左側輪胎連同貨廂進一步發生側傾，如圖15（c）所示；0.9 s時刻，方案一與方案二的車輛已克服側翻，同時導向并駛離護欄，方案三車輛右前輪出現反向轉向，輪軸有被扭斷的風險，且車身仍未回到地面，車輛形態較差，如圖15（d）所示；1.2 s時刻，方案三車輛前輪駛向護欄，隨后被撥正并與護板表面發生刮擦，如圖15（e）所示。碰撞結束以后發現，貨車僅保險杠發生輕微損壞，駕駛室完好，油箱均未脫落，護板整體性完好，僅局部發生損壞，如圖15（f）所示。既有護欄在重型車輛撞擊時容易翻車，這是因為護欄坡頂與底部凸緣之間存在10 cm間隙，使得后輪剛碰撞護欄時就發生較大傾斜，如圖15（c）所示。此時，混凝土護欄僅通過坡頂與底部凸緣兩點支撐后輪，隨著側傾角度增加，車輪逐漸偏離護欄底部，僅靠坡頂進行支撐，最終導致翻車。而組合式護欄通過整個護板對后輪提供強有力的面支撐，可有效抑制甩尾碰撞時車輛側傾。同理，阻坎也等同于一個單點支撐，車輛后輪有繞阻坎外翻的趨勢，阻坎越凸出，護板抑制側傾作用反而會被削弱，如圖15（d）所示。因此，方案一綜合性能最優，能更加有效防止車輛傾覆，保障安全。

4 最優構造下拖掛式貨車碰撞分析

為進一步了解組合式護欄面對極端重型貨車撞擊時的抗傾覆能力，采用拖掛式廂形貨車以60 km/h行駛速度20°撞擊方案一護欄。撞擊過程中車輛抬高變化如圖16所示，左后輪最大抬高值為72 cm，在1.6 s時刻回到地面；貨廂尾部在0.9 s時刻達到86 cm，隨后迅速下降。車輛傾覆變化如圖17所示，車身最大外傾角在0.65 s時刻達到峰值24.5°，2 s時刻降低至14°；在0.8 s時刻貨廂越出護欄最大水平距離達到1.54 m，2 s時刻縮短到0.33 m。

拖掛式貨車克服側翻過程如圖18所示，在0.14 s時刻，右前輪撞擊護板被撥正方向，車頭逐漸駛回道路，車身開始沿護欄橫向移動；0.47 s時刻，中輪撞擊護板，貨廂出現側傾并開始越出護欄；在0.82 s時刻，發生甩尾碰撞，貨廂以右后輪為支點外翻出現嚴重側傾，并帶動左后輪抬高，隨后在2 s時刻，回到地面并駛離護欄。車輛碰撞角度變化及運行軌跡如圖19所示，由圖可知，在0.74 s時刻，車頭已被順利導向并與護欄縱向平行；而在甩尾碰撞過程中，碰撞角度僅增加至4°，最終的駛出角度僅為0.75°，且輪跡線十分清晰、筆直，表明最優構造下組合式護欄的導向與阻擋性能良好。

5 結? 論

文中建立了重型貨車-護欄精細化有限元模型，通過實車碰撞試驗驗證了模型可靠性，對GFRP-混凝土組合式新型護欄的防護性能進行研究，得出如下結論。

1）整體式箱型貨車碰撞下，3種方案護欄導向功能良好，能有效防止翻車；方案一各項主要指標均優于其他方案，防護性能最優；拖掛式貨車撞擊下，方案一導向與阻擋性能良好，駛出角僅為0.75°。在護板上設置阻坎并不能減輕貨車側翻程度，相反還會削弱防護效果，阻坎越凸出，防護效果越差。

2）在車-護欄撞擊過程中，甩尾碰撞時車身側翻程度最為劇烈且變化幅度最大。在車頭碰撞的第一階段各護欄導向能力基本相當，而在第二階段甩尾碰撞時混凝土護欄會導致翻車，貨廂尾部最大抬高值達到2.18 m，車輛動態外傾值達到2.66 m，外傾角達到80°；撞擊組合式護欄工況下僅為0.42 m、1 m、15°，分別降低了420%、166%、433%，并能克服側翻順利導向，駛出角僅為0.32°。

3）在混凝土護欄改造提升中，通過在既有護欄表面設置復合材料柔性護板形成組合式護欄，能以較小的空間和經濟代價換取更高的防護能力。

4）進一步開展實車碰撞試驗，并標準化護板尺寸，以便與混凝土護欄搭配。

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（編輯? 陳移峰）