新型装配式混凝土防撞墙动力有限元分析

张 海，孙 潭，张敬轩

(沈阳建筑大学 交通工程学院 沈阳市 110168)

在防撞墙的抗撞击性能研究采用实车碰撞试验是最直观可靠的研究方法，但是因为实车碰撞需要的条件较多往往受经济条件、场地等的限制。相比之下，在研究分析过程中，数值模拟相比于真实车辆碰撞试验要经济可靠[1]。一般来说，先对防撞墙整体构件建模进行有限元分析，通过模拟分析的结果，对构件进行不断地深入优化，最后采取足尺实车进行碰撞试验，对比和验证防撞墙的抗冲击性能。在同一碰撞系统中，在外部因素变化下可能会引起防撞性能的差异，比如初始条件变化时就会引起差异，这里的初始条件包括碰撞车的质量、碰撞速度和碰撞角度。研究防撞墙的抗冲击性能，对动态数值模拟的准确性要求非常高。基于ABAQUS平台模拟了装配式混凝土防撞墙的受冲击过程。保证其他条件不变，通过改变速度和角度的外部因素下，研究在冲击作用下装配式防撞墙的峰值冲击力和最大动态变形的影响规律[2]。

1 工程概况

本项目以某市环城公路为例，防撞墙按最不利事故严重程度考虑SA、SAm级；加载位置距离护栏顶面5cm[3]。分段原则：采用4m一段的预制墙体，根据设计图纸直线段桥梁伸缩缝的位置断开防撞墙，根据吊装能力每节预制防撞墙的重量控制在3.5t左右，具体根据断面设计形式确定；曲线段上的防撞墙长度控制在2m左右，具体根据桥梁弯曲半径大小设置接缝之间的角度大小，使之既能便于生产施工，又能保证连接平缓过渡，视觉美观[4]。

2 模型建立

在防撞墙与汽车之间的碰撞过程中，汽车碰撞的时间很短，其特点是瞬时性。碰撞过程存在动态荷载、大变形和大位移，还可能发生二次碰撞。在材料非线性下，研究应该建立在瞬态和非线性条件下进行。标准模型试件混凝土采用C30，灌浆料采用C80混凝土，钢筋采用HRB400，预应力钢筋采用PSB830精轧螺纹钢筋，连接方式如图1所示。

图1 装配式防撞墙连接形式

2.1 混凝土动态力学性能的应变率效应

在受到冲击和爆炸等瞬时荷载下的混凝土强度(动强度)一般要高于静态载荷下的强度。因此，混凝土的动态力学行为在分析问题时需要考虑进去。当加载速率不同时，应变速率与混凝土的抗压强度和抗拉强度有一定关系，这些指标随着应变速率(加载速率)的增加而增加，即混凝土的动态性能具有明显的应变速率增强效应，即应变速率效应[5]。

在静态本构模型的基础上，通过改变力学指标来考虑应变率强化的影响包括抗压强度和抗拉强度等，对混凝土的动态行为进行模拟。由于绝大多数冲击问题在实际工程中都在中等应变率范围，对普通混凝土的抗压强度和抗拉强度的动态增强系数分别为1.39和1.45[6]。

2.2 基本假定

为研究冲击力和变形量在装配式防撞墙的碰撞过程中的抗撞击性能参数，做了如下假定：

(1)忽略接触面之间的摩擦作用；

(2)忽略车体变形，将车体假设为刚体；

(3)车辆在碰撞过程中是二维平面运动，忽略车体的骑乘和穿越；

(4)假设在整个碰撞过程中只有车头和车位可能与防撞墙发生碰撞。

2.3 防撞墙和汽车碰撞系统有限元模型

为了使运算效率得到提高，计算结果满足准确性要求，在有限元分析过程中相邻两段防撞墙的连接采用绑定的方式连接。因为汽车不是研究的重点故把汽车简化考虑，采用文献[7]提供的碰撞车模型，采用小轿车作为碰撞车模型。模型如图2、图3所示。

图2 小汽车模型

图3 碰撞系统的有限元模型

汽车的碰撞速度在我国一般认为是汽车的平均速度。数据统计表明角度小于15°的碰撞事故占80%，90%的事故中碰撞角度小于20°。碰撞角度集中在15°～30°。模拟中分别采用25°、20°、15°初始碰撞角度。试件编号及工况设计如表1所示。

表1 试件编号及工况

注：“SW”代表装配结构试件，“XJ”代表现浇结构试件

3 评定防撞墙抗撞击性能的方法

根据JTGB05-01-2004《公路护栏安全性能评价标准》，汽车—防撞墙碰撞模型中防撞墙的动态变形量及导向功能的评价标准如下：

(1)防撞墙具有足够的抗撞击性能，在碰撞过程中能够很好地阻止车辆越过、骑乘防撞墙；

(2)在碰撞过程中驾驶员的视线不能被碰撞物遮挡影响驾驶员驾驶；

(3)汽车碰撞防撞墙后应沿车辆行驶方向继续行驶，不得出现腾空翻转、掉头等现象；

(4)碰撞过程中墙体的最大动态变形量应小于100mm。

4 分析结果

4.1 碰撞速度的影响

ABAQUS中采用伪应变能或“沙漏刚度”来控制沙漏变形能，以提高数值分析结果的可靠性。通常认定，当ALLAE(即沙漏能)在内能ALLIE的5%以内时，可认为沙漏现象的影响很小，结果的准确性能够得到保证[8]。通过提取到的系统内能数据和沙漏能数据，能够得出沙漏能小于内能值的5%，能够满足各工况下模型的动态仿真结果的准确性要求。

保持汽车质量、碰撞角度不变只改变碰撞速度，通过有限元分析结果得到两种不同连接方式的防撞墙冲击力时程曲线和位移时程曲线如图4、图5所示。

图4 冲击力时程曲线对比

图5 位移时程曲线对比

表2列出在不同碰撞速度下，装配式混凝土防撞墙的峰值冲击力和最大动态变形量值。

表2 不同碰撞速度防撞墙的数值统计结果

分析结果：由图4、图5碰撞模型得出的冲击力时程曲线能够发现，在汽车发生碰撞过程中，冲击力存在有两个峰值，第一个峰值点是车辆与墙体的首次碰撞，此时车速较快，冲击力较大；第二个峰值出现在0.ls左右，此时车头已经改变方向，碰撞发生在车尾与墙体的碰撞，由于防撞墙的阻挡作用速度减小二次冲击力峰值较小。

位移时程曲线对比可以看出，由于车辆速度的增加，两种连接方式的墙体由于速度的原因最大动态变形值逐渐增大。与现浇防撞墙对比可以看出，采用60km/h、80km/h、100km/h的初始碰撞速度时，预应力钢筋连接的防撞墙最大动态变形量较现浇防撞墙分别降低了34.9%、22.1%、21.9%，从中可得冲击作用下新型连接方式防撞墙满足变形要求，有效增强了抗撞击性能。

4.2 碰撞角度的影响

仍然采用沙漏控制的能量方法实现，从提取的结果得到各模型的沙漏能量ALLAE小于内能ALLIE的5%，可以判断模型的计算结果是准确的。

保持汽车质量、碰撞速度不变只改变碰撞角度，通过有限元分析结果得到两种不同连接方式的防撞墙冲击力时程曲线和位移时程曲线如图6、图7所示。

表3给出在不同角度下，装配式混凝土防撞墙峰值冲击力和最大动态变形量值。

结果分析：从图6、图7可得出，车辆以80km/h的碰撞速度撞击防撞墙的情况下，装配式防撞墙峰值冲击力随着碰撞角度的增大逐渐增大，相比现浇防撞墙峰值冲击力分别提高了23.4%、17.0%、10.9%。此外，通过装配式防撞墙与现浇防撞墙的对比得出，随着碰撞角度的增加，发生二次碰撞的时间也逐渐增长，这也说明在能量吸收方面装配式防撞墙优于现浇，在对碰撞车辆的动能吸收和缓冲车辆碰撞方面性能较好，在相关研究中发现：即使在发生碰撞后车辆回到正常行驶状态，成员仍可能在稍后的二次碰撞中受到较大伤害，而因为二次碰撞受到严重伤害的事故也不在少数。装配式防撞墙在能量吸收上优于现浇，使汽车的动能大大降低，能够减轻成员在二次碰撞中受到的伤害，更进一步说明装配式防撞墙的优势。

图6 冲击力时程曲线对比

图7 位移时程曲线对比

试件编号碰撞角度(°)峰值冲击力(kN)最大动态变形量(mm)V2θ1154595.3V2θ22064811.3V2θ32581037.8XJ-V2θ1153727.1XJ-V2θ22055414.5XJ-V2θ32573142.1

装配式防撞墙最大动态变形量随着碰撞角度的减小逐渐减小，经不同角度碰撞后最大动态变形量的变化规律与现浇防撞墙基本相同。碰撞角度为15°、20°、25°时，装配式防撞墙最大动态变形量相比现浇防撞墙分别降低了35%、24.3%、10.2%，对防撞墙的变形有一定的改善效果，对防撞墙的抗撞击性能有一定增强效果。

5 结论

(1)根据碰撞速度、碰撞角度的变化，装配式防撞墙和现浇防撞墙峰值冲击力和最大动态变形量有着基本相同变化规律。

(2)碰撞速度和碰撞角度越大，防撞墙所受应力和变形越大，防撞墙吸收的能量也越多。与现浇混凝土防撞墙相比，装配式防撞墙的最大动态变形量有所减小而峰值冲击力有一定提高，对其抗撞击性能有较大的增强作用。

(3)碰撞过程中装配式防撞墙最大变形量小于《公路护栏安全性能评价标准》规定的100mm以内，这也能够说明所采用新型连接方式的装配式防撞墙刚度能够满足要求，能够起到对车辆的阻挡作用。