装配式混凝土防撞墙防撞击性能与数值分析

王志超，张冠华，王威赫

(1.沈阳建筑大学 沈阳市 110168; 2.辽宁省交通规划设计院有限责任公司 沈阳市 110166)

1 背景介绍

防撞墙虽然是桥梁结构中附属设施，但其对保障行车安全，防止车辆驶离公路，减少道路事故的产生具有重要的作用。装配式防撞墙是一种重要的防护物，在现代技术中的防撞墙通常是采用现浇法施工，由于防撞墙通常是在施工完成后现场浇筑，需要安装内侧模板和外侧模板，并在两者之间浇注混凝土以形成防撞墙，且模板安装工艺较复杂，需要辅助安装设备，工期长、工效低，易发生跑模现象，从而导致防撞墙凹凸不平，影响桥梁外观。

结合城市建设需求，装配式防撞墙的研究和应用成为一项新的课题。目前对于防撞墙的预制结构的研究应用，很有必要也势在必行。

装配式防撞墙由工厂预制生产，施工质量可以得到有效地保证，桥梁工程中采用装配式防撞墙不仅能够缩短施工工期，还能有效地减少混凝土因收缩徐变对防撞墙性能带来的不利影响。南志等[1]将倒置预制施工方法应用于防撞墙的预制，研究结果表明，该方法可以提高防撞墙的施工质量，有效降低施工成本与后期维护成本。

项贻强等[2]将防撞墙与桥梁主梁共同预制，解决了防撞墙与桥梁主梁混凝土收缩徐变不一致的问题。通过工程实例阐述了桥梁快速施工的技术方法，体现了其施工优势，并给出相应的细部结构设计，该连接方式牢固可靠，与主梁混凝土无龄期差异，整体力学性能良好。

为了使装配式防撞墙能够安全可靠地服务于桥梁工程的发展，保障行车安全，国内知名学者采用了不同方法对装配式混凝土防撞墙的力学性能进行了研究。

一些学者对装配式防撞墙的结构进行了优化，研究了不同结构形式的装配式防撞墙的力学性能。

冯长林等[3]设计了一种预制空心混凝土防撞护栏，这种防撞墙结构构造较为简单，能节约混凝土材料，提高施工速度，具有良好的经济性和应用推广前景。

张鹏等[4]采用数值模拟方法对不同的断面形式的刚性防撞墙进行了大量的对比分析，研究了混凝土刚性防撞墙截面形式对碰撞影响的过程。研究表明，通过改变混凝土刚性防撞墙的断面形状，在合理的形状下，防撞墙的防撞性能可以提升。

连接方式对装配式防撞墙的力学性能有重要影响，一些学者对装配式防撞墙的连接方式展开了深入的研究。

廖满军等[5]提出采用了一种快速连接设计方案，主要是通过先在结构中预埋钢板和角铁焊接，形成一个整体，然后用浆锚连接技术提升施工效率。有限元分析结果表明，这种连接方式能够完全满足防撞墙力学要求。应用于工程中可降低施工成本，有效提高施工效率。

苏高裕[6]提出了装配式防撞墙纵向连接的三种形式：企口连接、背部型钢连接和传力杆连接，并通过试验和有限元模拟的方法对三种不同连接形式的装配式防撞墙的力学性能进行了研究。

装配式防撞墙的抗冲击能力是评判其力学性能的一项重要指标，因此，部分学者对此开展了相关研究。

卫军等[7]根据动力学和能量原理，采用三维有限元软件对防撞墙的力学性能进行模拟，得到了防撞墙抗冲击能力的计算方法。

谢智敏[8]通过试运行和碰撞试验，测试了预制防撞墙的承载力。结果表明，当连接满足设计规范要求时，预制防护墙的承载力满足工程力学要求。

石红星等[9]用机械振动法对混凝土防撞墙进行了碰撞安全研究，对车辆与混凝土防撞墙的碰撞过程进行了合理的简化。

运用ABAQUS建立装配式防撞墙碰撞体模型，对汽车—防撞墙碰撞的过程进行动态分析，本研究模拟了装配式混凝土防撞墙的受冲击过程，分析了不同撞击位置下装配式防撞墙的破坏过程。

2 模型建立

2.1 基本假设

把汽车等效为质量块，考虑到汽车碰撞过程中为光滑的曲面，将质量块前端设置倒角，形成光滑曲面。防撞墙—汽车碰撞计算的基本假设有以下内容：

(1)假定防撞墙墙体之间完整连续，所有的构件连接良好。

(2)假定防撞墙—汽车碰撞过程可能的接触是汽车的前端。

(3)假定汽车在碰撞过程中不受障碍物的影响，碰撞过程为平面运动，不考虑汽车的翻转和腾空，不考虑空气阻力的影响。

(4)不考虑汽车摩擦作用的影响，也不考虑汽车和路面及防撞墙的摩擦作用。

(5)不考虑汽车自身变形。

2.2 模型建立

在ABAQUS上为了节约计算的时间和增加计算时的收敛性，在一定范围内可以简化一下模型。在模型中两个接触面的interaction中设置的切向摩擦系数是0.5。混凝土和钢筋的变形系数接近，而且他们之间没有明显的滑移关系，所以没有考虑粘结滑移的影响。

(1)装配式防撞墙混凝土单元选择C3D8R，即为八结点线性六面体单元。纵筋选择两节点T3D2三维桁架单元；箍筋选择桁架单元建立T3D2单元。

(2)接触面属性：对部件进行组装时构件之间采用tie的方式进行连接，输入相应的摩擦系数为0.5。为达到与真实情况相近的模拟结果，对模型底部约束三个方向的位移和转角，采用的是全约束；钢筋笼采用embedded region内置区域约束条件与混凝土组合形成整体。模型采用的是切向行为，方向为各向同性。

(3)边界条件及荷载加载过程：因为汽车—防撞墙在碰撞过程中，主要考虑碰撞区域，其它区域在空间自由度上都被约束。建模过程中主梁底部固结，按照所要求的条件完成约束。因为防撞墙的两端对模拟的影响较小，故防撞墙的两端也设定为全部自由度被约束，

(4)网格划分和模拟的精确程度关系很大，在防撞墙和翼缘板设置合理边距网格，使计算更为准确。将汽车简化处理为质量块，表1为汽车碰撞条件。

表1 汽车碰撞条件

对于防撞墙—汽车碰撞系统中车辆的受力问题，可以作如图1所示分解。

图1 汽车碰撞受力分解图

将汽车模型定为小轿车，汽车自身质量为1.4t。为了研究装配式防撞墙的防撞击性能，把汽车模型简化成弹性体，弹性模量为2.1×1011Pa，泊松比为0.3。汽车以20°的角度撞向防撞墙时，速度可以分解为横向速度和纵向速度，为了有效分析汽车碰撞过程中的瞬时受力问题，把汽车撞向防撞墙的力也分解为横向作用力和纵向作用力。汽车—防撞墙碰撞有限元模型图如图2所示。

图2 汽车-防撞墙碰撞有限元模型图

3 不同撞击位置下防撞墙破坏过程对比分析

3.1 防撞墙连接处的撞击破坏过程分析

装配式防撞墙连接处在汽车冲击作用下，其破坏云图如图3所示。

图3 防撞墙破坏云图

根据模拟结果分析可知，防撞墙在汽车的撞击作用下，通过产生更大的位移和结构变形来减小汽车的碰撞能。一般在车辆撞向防撞墙连接处时，车辆前轮会卡死在防撞墙，此时可以通过位移变形来使车辆爬升从而回到正常行驶方向，防止汽车冲出路外。车辆碰撞时，防撞墙通过阻挡作用使汽车速度减小，使汽车的动能转化为防撞墙的内能。护栏上半部分为主要的受撞区，区域应力最大。装配式防撞墙结构的混凝土钢筋应力云图如图4所示。

图4 防撞墙混凝土钢筋应力云图

汽车碰撞防撞墙连接处时，混凝土裂缝主要沿着初始方向继续发育扩展。在撞击力的作用下，上部区域承受压力作用使变形不断增加，破坏位置沿着防撞墙截面扩展。防撞墙与翼缘板的连接处钢筋达到屈服应力345MPa，符合破坏规则，防撞墙连接处在汽车撞击作用下，混凝土的拉压应力均达到其极限应力值。竖向钢筋在装配式防撞墙装配过程中主要承受弯拉作用，竖向钢筋起到的连接作用比较明显。汽车撞向防撞墙时，保持角度不变，没有出现掉头现象。

此外汽车在碰撞防撞墙时，防撞墙通过产生更大的位移和结构变形来减小汽车的碰撞能，减小动能转化为结构变形势能的总量，最大位移量为38.6mm，满足规范《公路护栏安全性能评价标准》(JTG B05-01—2013)要求车辆碰撞防撞墙最大变形量不得超过100mm。加速度响应曲线峰值度处于可接受的范围之内，验证了模拟的防撞墙——汽车碰撞有限元模型是可靠有效的。

3.2 防撞墙一般位置处撞击破坏过程分析

装配式防撞墙一般位置处在汽车冲击作用下，其破坏云图如图5所示。

图5 防撞墙破坏云图

根据模拟结果分析可知，防撞墙的一般位置在汽车的撞击作用下，通过产生更大的位移和结构变形来减小汽车的碰撞能。护栏上半部分为主要的受撞区，区域应力最大。受压损伤主要集中在碰撞区和连接处，相邻一块的防撞墙基本没有受压损伤。在冲击过程中，主要是受拉损伤，受拉损伤主要集中在碰撞点和翼缘板上，相邻一块的防撞墙也受到受压损伤。装配式防撞墙结构的混凝土钢筋应力云图如图6所示。

图6 防撞墙混凝土钢筋应力云图

从图6可看出汽车碰撞防撞墙一般位置时，在撞击力的作用下，上部区域承受压力作用使变形不断增加，破坏位置沿着防撞墙截面扩展，与之相邻的防撞墙也会受到影响。防撞墙与翼缘板的连接处钢筋达到屈服应力345MPa，符合破坏规则。竖向钢筋在装配式防撞墙装配过程中主要承受弯拉作用，竖向钢筋起到的连接作用比较明显。

此外汽车在碰撞防撞墙时，最大位移量为34.2mm，满足规范中的不得大于100mm的要求。加速度响应曲线峰值度处于可接受的范围之内，验证了模拟的防撞墙-汽车碰撞有限元模型是可靠有效的。

4 结果与讨论

汽车碰撞的能量条件，按以下公式计算：

(1)

式中：E为汽车碰撞防撞墙的能量(kJ)；m为汽车的质量(t)；v为汽车碰撞防撞墙的速度(m/s)；θ为汽车撞向防撞墙时的角度(°)。

按照式(1)计算，结果如表2所示。

表2 汽车碰撞能量表

根据规范要求质量为1.4t的车辆在80km/h速度下碰撞能量为353kJ，满足规范中的要求，规范中要求SA等级的桥梁护栏的能量要求是400kJ，因此防撞墙满足护栏的防撞等级。汽车以80km/h的车速和以20°的角度撞击防撞墙时，车辆在碰撞前速度达到最大值，在碰撞的瞬间速度开始减小,汽车碰撞防撞墙时，汽车的速度变化很大，防撞墙有阻挡和缓冲的作用，使汽车的速度不断减小。汽车在撞向混凝土防撞墙时，防撞墙的阻挡和缓冲作用改变了汽车前进方向,这表明了结构的冲击能被消耗掉，防撞墙发生位移变化来进行耗能。表3给出车辆在不同的碰撞点下，混凝土防撞墙峰值冲击力和最大动态变形量值。

表3 车辆在不同碰撞点下混凝土防撞墙峰值冲击力与最大动态变形量

根据有限元模拟分析结果得到在不同碰撞位置混凝土防撞墙冲击力时程曲线和位移时程曲线，如图7所示。

图7 车辆-防撞墙冲击力时程曲线

根据图7所示，从车辆—防撞墙冲击力时程曲线可以看出:在车辆碰撞过程中，当车辆与防撞墙开始碰撞时，冲击力时程曲线出现了第一个峰值，在0.01～0.02之间，在连接处的冲击力大于在防撞墙一般位置处的冲击力；在防撞墙的前段发生碰撞时，由于防撞墙的导向作用，使车辆的尾部再次与防撞墙发生碰撞，这时候出现第二个峰值，大约在0.1～0.15s之间。碰撞完成后，汽车与防撞墙分离，汽车的冲击力不断减小。

如图8所示，观察轿车碰撞过程中的能量曲线，动能的减少是非线性的，随着变形的扩大，内部的能量是越来越大，动能通过能量的转换而在减少，减少的动能一部分转化为内能，内能随着动能的减少逐渐增加。防撞墙的初始动能为344kJ，碰撞后的13ms内，降到201kJ，在车辆碰撞的过程中，混凝土防撞墙受到的冲击力最大，由于防撞墙有很强的阻挡能力和缓冲能力，汽车的速度逐渐降低，从而汽车的能量逐渐降低，对护栏的冲击力也越来越小，由图中可以看出，防撞墙的内能增加了128kJ。当t=0时，即在碰撞时刻，内部的能量为0，动能是最大值，当t=0.15s时，动能和内能保持在一个固定值上，此时保持平衡且能量守恒，满足了节约能源的要求和对车辆以及防撞墙自身的保护作用。

图8 碰撞过程中的能量曲线

如图9所示，取碰撞点的位移为分析对象，汽车在碰撞过程中，由于汽车与防撞墙撞击的位置近，碰撞的时间较短，所以对二次变形的影响比较大，由于在连接处之间刚度小，所以在防撞墙连接处发生位移最大，随着汽车与防撞墙接触时位移迅速增大，位移最大达到38.6mm，而撞向防撞墙一般位置时，最大位移为34.2mm，位移变形满足规范《公路护栏安全性能评价标准》所要求的在80km/h的汽车速度下，SA等级的防撞墙最大变形量不得超过100mm。在汽车的撞击作用下，防撞墙通过产生更大的位移和结构变形来减小汽车的碰撞能，避免发生更严重的事故。

图9 汽车碰撞过程中位移时程曲线

5 结论

随着科学的进步和技术的提高，装配式技术以后也会成为工程建设的主流趋势。主要通过运用ABAQUS建立碰撞体模型，对汽车—防撞墙碰撞的过程进行动态分析，研究不同撞击位置下防撞墙的破坏过程，验证此种装配式混凝土防撞墙的可靠性，得出了以下结论：

(1)有限元模拟结果表明:在汽车速度80km/h、碰撞角度为20°的条件下，车辆碰撞防撞墙能量小于规范中要求的400kJ，而且满足车辆碰撞防撞墙最大变形量不得超过100mm的要求，新型装配式混凝土防撞墙起到了阻挡、减速、引导的作用，满足了相关规范要求。

(2)在不同的撞击点作用下，在连接处的最大位移变形量为38.6mm，在防撞墙一般位置处最大位移变形量为34.2mm，混凝土防撞墙峰值冲击力和最大动态变形量值都满足规范要求，而且防撞墙在吸收能量的方面起着重要的作用，动能和内能保持在一个固定值上，保持平衡且能量守恒，既节约能源又对车辆和防撞墙自身起到了保护作用。

(3)综合上述模拟以及数值分析，汽车在与防撞墙发生碰撞时符合基本规则，建立的碰撞模型是可靠的，故而此装配式混凝土防撞墙在受到汽车撞击时所展现出来的性能是良好的。