超高性能混凝土节段拼装混凝土护栏受力性能分析

蒋键锆， 王银辉,*， 李志勇， 罗 征

(1.重庆交通大学土木工程学院， 重庆 40074； 2.浙大宁波理工学院土木建筑工程学院， 宁波 315100； 3.宁波市交通规划设计研究院有限公司， 宁波 315100)

随着中国城市化进程快速推进，预制装配施工技术高速发展，其具有施工快、对环境友好、对既有交通影响小等优点，逐步成为桥梁建设的主流建造形式。装配化施工已广泛应用于桥梁上下部结构中，但在桥梁护栏上的应用较少，护栏的装配化施工成为制约桥梁装配化发展的一大因素。

混凝土护栏是公路和城市桥梁防撞护栏中主要应用形式之一[1-2]，需顾及结构安全性，降低车辆乘员风险以及对碰撞车辆轨迹引导等多种功能。装配式混凝土护栏与传统现浇混凝土护栏相比具有制作质量高、装配施工快、对环境友好等优点，另外，装配式混凝土护栏也适用于旧桥改造加固，提高护栏防撞等级，在拆除原有护栏后，可以实现快速施工，减少交通封闭时间[3]。目前，已有学者提出采用高强螺栓、无黏结预应力[4]等进行混凝土护栏装配连接，但其对施工精度要求较高，且存在连接处应力集中、连接件耐久性、构件节点和接缝处理等问题，因此有必要寻求更好的护栏装配连接解决方案。随着社会经济发展，工程结构对高性能材料的需求日益加大，学者们发现纤维参合料可以显著改善混凝土的抗拉强度和延性，即超高性能混凝土(ultra-high performance concrete, UHPC)，其相比于普通的混凝土材料其拥有更为优秀的耐久性和抗冲击性能[5-8]，并且UHPC材料在桥梁上下部结构方面中已有较多的实际应用[9]，因此可以尝试将 UHPC 材料应用于混凝土护栏的装配连接。

现提出一种采用UHPC材料的新型混凝土护栏装配连接方式。对混凝土护栏进行节段划分并在工厂预制生产，通过预留锚固钢筋、纵向连接钢筋、桥面板植筋和UHPC进行节段拼装，满足护栏防撞要求的同时达到快速施工的装配化要求。

通过对比分析新型节段拼装混凝土护栏与同等级普通混凝土护栏在准静态加载下的极限强度和破坏形式，以及冲击作用加载下两者的动力响应，评价该新型节段拼装混凝土护栏的防撞性能，为混凝土护栏装配化施工提供新的方案或思路。

1 新型节段拼装混凝土护栏介绍

新型节段拼装混凝土护栏主要由若干预制混凝土护栏节段、后浇UHPC、锚固钢筋等构成。护栏竖向连接由节段护栏预留锚固钢筋、锚固纵筋和后浇UHPC构成，如图1所示。

图1 新型混凝土护栏竖向连接构造图Fig.1 Structural drawing of vertical connection of new concrete barrier

预制护栏节段间纵向连接由纵向连接钢筋和后浇UHPC构成，如图2所示。综合考虑护栏构造连续性、建造经济性以及吊车起吊重量等因素，混凝土护栏预制节段长度取4 m。护栏其余构造尺寸以及相关配筋形式和普通SS级防撞等级的普通整体现浇混凝土护栏相同。

图2 新型混凝土护栏纵向连接构造图Fig.2 Structure of longitudinal connection of new concrete barrier

2 有限元模型

2.1 UHPC材料本构模型

UHPC为文中有限元模拟中的核心连接材料，因此需保证模拟中UHPC本构模型的准确性。Guo等[10]在已有试验数据的基础上，基于连续面盖帽(continuous surface cap，CSC) 模型进行扩展，以模拟UHPC材料的动力特性。该CSC扩展模型的冲击响应与冲击试验数据比较吻合，符合数值模拟的需求，如图3所示。因此研究中UHPC材料采用该由CSC扩展的本构模型进行模拟。

图3 UHPC梁撞击力时程曲线对比Fig.3 Comparison of impact force time history curves of UHPC beams

2.2 质量块-护栏简化模型介绍

采用有限元分析软件ANSYS/LS-DYNA对两种形式的护栏进行显式动力分析。有限元模型中普通混凝土本构模型采用广泛使用的混凝土连续盖帽模型，采用*MAT_CSCM_CONCRETE材料，新型节段拼装混凝土护栏和普通混凝土护栏的护栏部分均采用C30混凝土，翼缘板部分均采用C50混凝土。两种形式护栏各部分的构造钢筋均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料，接触采用*CONTACT_AUTO_SURFACE_TO_SURACE，其中为简化计算，质量块采用*RIGID材料模拟。主梁构造则参考普通预制混凝土小箱梁标准图进行设计。为了使研究更具针对性，根据圣维南原理对模型进行简化：取单个小箱梁的悬臂部分，对箱梁腹板进行固结约束，通过约束腹板部分来模拟箱梁翼缘板悬臂受力的边界条件，模型如图4所示。

图4 新型节段拼装护栏有限元模型Fig.4 Finite element model of a new segmental assembly anti-collision barrier

研究中，UHPC与混凝土之间的连接十分关键，王兴旺[11]在推出试验模拟中发现，靠近界面处的普通混凝土部分首先发生破坏，而此时UHPC及界面部分未达到破坏应力，试件受剪破坏位置发生在普通混凝土侧。李昭等[12]采用绑定约束(Tie)模拟结合面之间的相互作用，防止接触面之间产生相对滑移，其模拟结果与实验吻合较好。综合考虑，文中UHPC与混凝土间采用共节点连接。

3 有限元准静态分析

3.1 加载方式

车辆撞击混凝土护栏主要为具有一定作用范围的冲击荷载，由于实车碰撞试验费用昂贵，因此在研究混凝土护栏的极限荷载时往往采用准静态加载的方式，并将车辆撞击转换为等效线性荷载。美国国家公路与运输协会标准AASHTO LPFD[13]中提供了车辆撞击护栏的准静态等效载荷的具体标准，其根据护栏的构件尺寸规格分为6个测试等级(TL-1～TL-6)，研究中护栏尺寸适合其TL-5测试等级要求(护栏的最小高度大于1 070 mm)，其对应车辆碰撞等效荷载的加载高度为1 070 mm、荷载宽度为2 440 mm。

有限元模拟中采用质量块以刚体位移控制的形式进行准静态加载。分别对护栏节段中心、两护栏节段纵向接缝处以及节段偏心位置进行加载。考虑到加载时的纵向影响范围，经过试算明确了护栏在宽度2 440 mm线性荷载下的有效长度范围：节段中心加载时需要3片护栏节段以保证充足的纵向长度，接缝加载和节段偏载时需要4片护栏节段，具体如图5所示，加载工况如表1所示。

图5 护栏准静态加载示意图Fig.5 Schematic diagram of quasi-static loading of anti-collision barrier

表1 准静态加载工况

以上述加载工况，采用准静态加载方式展开对新型节段拼装混凝土护栏和普通混凝土护栏的极限荷载和破坏形式进行对比分析研究。

3.2 损伤云图分析

通过对几种形式护栏在各个工况下的损伤云图分析，研究它们受力情况和破坏形式的区别。由损伤云图分析可知，普通混凝土护栏在变坡点A处发生破坏，以A点为水平线向上形成倒梯形的屈服线，如图6(a)所示。新型节段拼装混凝土护栏则在B点接缝处发生受拉破坏，呈更大范围的倒梯形屈服线如图6(b)所示。当后浇UHPC换成普通C50混凝土时，护栏下沿与翼缘板接缝处产生贯穿裂缝，护栏发生整体推到破坏，而不是护栏屈服破坏，连接处先于护栏发生破坏，如图6(c)所示，说明普通C50混凝土无法满足节段拼装的强度需求。

图6 3种形式护栏损伤云图对比Fig.6 Comparison of three types of barrier damage nephogram

利用屈服线理论[14]对两种形式混凝土护栏的极限强度进行分析，如图7所示。

图7 屈服线分析方法Fig.7 Yield line analysis method

护栏顶部位移值达到Δ时，护栏发生屈服破坏，此时护栏的极限强度Rw为

(1)

式(1)中:Rw为护栏极限强度，kN；Lc为屈服线临界长度，m；Lt为碰撞荷载分布纵向长度，m；Mw为护栏竖向轴弯矩承载力，kN·m；Mb为护栏顶部除Mw之外的横梁附加弯矩承载力矩，kN·m；Mc为护栏关于桥梁纵轴的弯矩承载力矩，kNm；H为护栏的有效高度，m。

护栏的屈服线临界长度Lc为

(2)

相同碰撞荷载分布纵向长度Lt下，新型节段拼装混凝土护栏具有比普通混凝土护栏更长的屈服线临界长度Lc。由于纵向节段护栏接缝间采用了节段纵向连接钢筋，以及后浇UHPC连接，如图2所示，其改变了混凝土护栏纵向强度的连续性，使得护栏接缝处周围小范围内的强度大于普通混凝土护栏，在一定程度上提高了纵向接缝处的承载力矩Mb和Mw。因此护栏发生破坏时，屈服破坏不会发生在节段间接缝处，而向接缝两侧移动，使新型节段拼装混凝土护栏屈服线临界长度Lc增大，发生屈服破坏所需的加载力Ft升高，其各类加载工况下的极限强度Rw较普通混凝土护栏提升了35%左右。

3.3 准静态加载结果分析

分析两种形式护栏各加载工况下的力位移曲线对比图，如图8所示，可得新型节段拼装混凝土护栏在准静态加载下的极限强度大于普通混凝土护栏，各加载工况下加载力峰值均值为1 896 kN。加载过程中由于竖向连接的局部开裂损伤，荷载在2.5 mm位移时发生小幅波动。普通混凝土护栏由于无竖向连接产生的竖向强度变化，其力位移曲线较为光滑，加载力峰值为1 396 kN，均小于新型节段拼装混凝土护栏不同加载工况下的极限强度。而其中新型节段拼装混凝土护栏接缝处加载的极限强度略大于节段中心加载和节段偏载的极限强度。

图8 准静态加载下力-位移曲线对比Fig.8 Comparison of force-displacement curves under quasi-static loading

另外，对比图8中曲线CIP与PRC-C可以看出，当竖向连接由UHPC替换为C50混凝土时，其极限承载力略低于普通混凝土护栏，但是其前期位移发展明显加快，说明其在加载初期刚度不足，意味着混凝土护栏节段的竖向连接采用C50混凝土时，其无法达到与普通混凝土护栏同等的防护能力。

提取3个模型中护栏关键截面变坡点A处(SectionA)的抵抗弯矩，如图9所示。在相同的位移下，由于新型节段拼装混凝土护栏存在UHPC纵向连接，因此该截面的承载力得到了一定程度的提高，达到普通混凝土护栏强度的同时提供了一定的安全储备。

图9 抵抗弯矩-位移曲线对比Fig.9 Comparison of resistance moment-displacement curves

装配式结构中节段之间的连接尤为重要，可靠的节段间纵向连接可以避免节段拼装护栏发生单节段受力，导致承载力大大下降。通过对比加载中各个节段的抗力值探求纵向接缝的可靠性。

节段中心加载前期，约60%的抗力由被加载护栏节段2提供，随着位移增大约40%的抗力通过护栏节段2两侧的纵向连接由相邻的节段1和节段3提供，如图10所示。

图10 节段中心加载时各节段弯矩分配时程图(截面A)Fig.10 Time history of moment distribution for each segment during loading at the center of the segment(Section A)

当在节段2、3纵向接缝处加载时，其中约90%的抗力由接缝加载处两侧的护栏节段提供，两片护栏节段各提供约45%的抗力，节段1和节段3通过第二道纵向接缝各传递5%左右的抗力，如图11中PRC-2所示。当节段偏心加载时，被加载节段承担约60%的力矩，偏心加载近端节段通过纵向接缝承担约23%的力矩，偏心加载远端节段承担约15%的力矩，如图11中PRC-3所示。说明纵向接缝起到了较好的纵向传力作用，有效的分配了节段受力，使得节段间抗力组成合理，说明节段间纵向接缝在不同碰撞情况下可以提供可靠的连接作用。

图11 各加载工况下节段抵抗力矩分配对比Fig.11 Comparison of section resistance rejection distribution under different loading conditions

4 有限元动力分析

4.1 动力加载方式

为了更好对比分析两种形式混凝土护栏的防撞性能，故对其进行动力分析。通过质量块-混凝土护栏模型，通过控制质量块碰撞高度来模拟不同车辆撞击高度。根据公路护栏安全性能评价标准(JTG B05-01—2013)[15]，SS级防护等级下的防护能量为520 kJ，因此保持总加载能量不变采用 10.40 t、10 m/s，4.62 t、15 m/s，2.60 t、20 m/s，1.66 t、25 m/s，1.16 t、30 m/s的质量与速度组合进行碰撞动力分析。碰撞高度采用常规小型汽车、客车和货车的保险杠高度：36、42、65 cm。进行不同质量与速度组合和3种碰撞高度下新型节段拼装混凝土护栏和普通混凝土护栏的动力响应，具体加载工况如表2所示。

表2 动力加载工况表

4.2 损伤云图与动态位移分析

为了更加明显地观察破坏区别，取碰撞高度最高的对照组(碰撞速度10 m/s、碰撞高度65 cm)损伤云图，普通混凝土护栏发生变坡点A处之上的倒梯形屈服破坏，如图12(a)所示，新型混凝土护栏发生竖向接缝B点处之上的倒梯形屈服破坏，如图12(b)所示，其屈服线临界长度Lc扩大了13.8%，两种形式护栏的开裂位置与准静态加载结果基本一致。

图12 两种形式护栏损伤云图对比Fig.12 Comparison of two types of barrier damage nephogram

对比碰撞高度为36 cm的新型混凝土护栏和普通混凝土护栏的位移时程曲线，如图13所示。两种形式护栏的位移时程曲线趋势大致相同，但是新型节段拼装混凝护栏位移上升更快，但两者之间的位移相对差值保持相对稳定。在冲击峰值过后，新型节段拼装混凝土护栏的后续混凝土可恢复位移值较普通混凝土更大，残余变形更小。

当连接采用C50混凝土时，如图13中PRC-C所示，其最大动态位移远远大于普通混凝土护栏。而UHPC连接的护栏最大动态位移在节段中心加载时为223 mm，接缝处加载时为217 mm，节段偏心加载时为224 mm，其均值比普通混凝土护栏高约13 mm，其动态位移初期发展比普通混凝土护栏快。

图13 冲击荷载下混凝土护栏位移时程对比曲线Fig.13 Time-history comparison curve of concrete parapet displacement under impact load

究其原因，主要由于混凝土节段内侧与后浇UHPC连接较弱，仅有普通混凝土和后浇UHPC界面连接，无受拉钢筋受力，抗拉强度较低，如图14所示。当受到冲击荷载时，UHPC和普通混凝土界面上的普通混凝土率先发生受拉破坏，导致加载初期其位移发展较快，但由于内部UHPC和锚固钢筋限制了裂缝的发展，使位移发展速率与普通混凝土护栏一致，因此两者之间的位移差并没有进一步扩大。

图14 加载初期截面破坏示意图Fig.14 Diagram of initial section failure during loading

当碰撞高度增大后，两种形式的混凝土护栏动态位移均增大，通过分析不同碰撞高度下的动态位移拟合曲线，如图15所示，可以发现普通混凝土护栏的最大位移峰值斜率更大，位移增加更快，达到了317 mm。而新型节段拼装混凝土护栏可能由于UHPC和纵向连接钢筋构成的纵向接缝提高了节段接缝左右1 m范围内的整体刚度，因此其动态位移峰值增加较为平缓，在碰撞高度65 cm的3种加载情况下均保持在280 mm左右，表现出较普通混凝土护栏更好的抗冲击能力。

4.3 能量分析

服役桥梁护栏升级改造中，由于护栏防撞等级提升，桥梁翼缘板相对于护栏会存在强度不足的问题。碰撞过程中护栏和翼缘板协同受力，翼缘板上缘混凝土会超过其抗拉强度而产生裂缝，导致后续翼缘板渗水，钢筋发生锈蚀，翼缘板承载力下降。通过UHPC连接件帮助翼缘板分担能量的情况，分析后浇UHPC对翼缘板的保护效果。另外，通过分析节段间能量分配，分析节段间纵向接缝的可靠性。

对比两种形式护栏翼缘板的能量吸收情况，如图16所示，普通混凝土护栏的翼缘板在整个碰撞过程中吸收了198 kJ的能量，而新型节段拼装混凝土护栏的翼缘板由于后浇UHPC吸收了109 kJ的能量，使得翼缘板只承担了69 kJ的碰撞能量，可见其受力大幅降低。

在同等能量撞击下，随碰撞速度增加，质量减小，两种形式护栏吸收的能量均增大，翼缘板受力减小。翼缘板和UHPC的耗能比(翼缘板耗能/UHPC 耗能)随碰撞速度增大而增大，在0.78(7%/9%)～1.38(18%/13%)之间，如图17所示。据统计绝大多数车辆事故的碰撞速度在80 km/h以下，这意味着UHPC可以在绝大多情况下到达1.0以上的耗能比，承担比翼缘板更多的碰撞能量。

图17 不同碰撞速度下结构各部分能量分配图Fig.17 Energy distribution diagram of each part of the structure at different collision speeds

究其能量分配变化的原因，主要由于后浇 UHPC 提升了翼缘板以及翼缘板与护栏连接处的整体刚度，而护栏的刚度未改变，使得碰撞发生后刚度相对较小的护栏多吸收了12%～14%的能量。另一方面， UHPC位于翼缘板上部连接处，为受弯剪组合作用的关键部位，由于UHPC优秀的力学性能，提升了连接部位的抗剪能力和翼缘板上缘的抗拉强度。在碰撞发生后，后浇UHPC和横向钢筋代替大部分原本受拉的翼缘板混凝土参与受拉，使得大部分翼缘板混凝土处于受压状态；另外后浇 UHPC 和横向钢筋也分担了翼缘板的轴力，使得翼缘板在碰撞中能量吸收大幅下降，从而对桥梁翼缘板起到较好的保护作用。

通过节段间能量分配对比，检验冲击作用下纵向连接的可靠性。节段中心加载下，70%～76%的能量由被碰撞的护栏节段吸收，24%～30%的能量扩散到两侧由相邻的护栏节段吸收，如图18(a)所示。在节段接缝处加载时，大于94%的能量由接缝两侧护栏节段吸收，少量的能量通过第二道接缝由节段1和节段4承担，如图18(b)所示。在节段偏心加载时，25%～31%的能量通过接缝传递到两侧护栏节段，如图18(c)所示。

图18 不同工况下新型护栏节段间能量分配图Fig.18 Energy distribution between sections of new type barrier under different working conditions

通过不同工况下的能量分析，可以发现节段间纵向接缝能量传递表现良好。另外，随着碰撞高度的提升，接缝外侧的护栏节段吸收能量升高，节段间能量分配趋向均匀，说明护栏节段间纵向接缝的连接效果良好。

5 结论

通过ANSYS/LS-DYNA有限元软件并考虑翼缘板协同受力的情况下，对比分析了新型节段拼装混凝土护栏和普通混凝土护栏的极限强度，破坏形式和相关动力响应，具体结论如下。

(1)UHPC材料可以满足节段拼装混凝土护栏强度需求，在各类碰撞条件下新型节段拼装护栏具有与普通混凝土护栏同等的防护能力，不仅克服了节段拼装后防撞性能不足的隐患，并依靠UHPC优秀的力学性能，使其在能量吸收以及分配方面优于普通混凝土护栏，在绝大多数情况下能达到1.0以上的耗能比，对翼缘板起到了良好的保护作用。

(2)若护栏节段连接处采用普通C50混凝土，则节段拼装混凝土护栏的极限强度低于普通混凝土护栏，难以满足护栏的装配连接需求。

(3)新型节段拼装混凝土护栏屈服破坏范围较普通混凝土护栏更大，普通混凝土护栏发生变坡点A处之上的倒梯形屈服破坏，新型混凝土护栏发生竖向接缝B点处之上更大范围的倒梯形屈服破坏，其拥有较普通混凝土护栏更高的极限承载力。

(4)新型节段拼装混凝土护栏在准静态加载下，节段间抗力组成合理；在冲击荷载下节段间能量分配合理。从准静态分析和动力分析的角度分别验证了节段之间UHPC纵向连接的可靠性。