某新型装配式防撞墙在不同工况下的动力分析

谢鹏飞、崔成涛、杨威、张峻宾、刘杰、王颖

（1.中国水利水电第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.西安理工大学，陕西 西安 710000）

0 引言

防撞墙结构是桥梁和公路设施的重要组成部分，设置该结构的目的是防止车辆由于各种因素驶离公路，以保证车辆行驶安全，减少公路交通事故。随着建筑行业的高速发展，装配式防撞墙逐步成为桥梁与公路工程中的首选构件，这类构件具有施工便捷、工业化程度高的优点。

为了直观、清晰地掌握新型装配式防撞墙在面对行驶车辆碰撞时的各项技术指标，需要开展实车碰撞试验，但这类试验的难度较大，且要求较多，操作困难，受经济条件、技术、场地等因素的限制，实车碰撞试验难以全面推广。然而，相较于实车碰撞试验，数值模拟方法更加经济高效、便捷可靠，该方法也因此被广泛应用到各大工程领域[1]。

以某高架桥梁新型装配式混凝土防撞墙为研究对象，分别建立该新型装配式防撞墙整体和碰撞车辆的精细化有限元模型，进行弹塑性动力分析，以峰值冲击力、最大动态变形量为动态响应指标，评价该新型装配式防撞墙的抗撞击性能是否满足规范要求。

1 工程概况

贵州双龙航空港经济区二堡路工程，设计速度为40km/h；桥梁断面为0.5m（防撞护栏）+17.5m（车行道）+0.5m（防撞护栏）=18.5m。根据工程施工设计图纸，单段防撞墙长度为1.99m，防撞墙高度为0.85m。试件混凝土主要采用C35 混凝土，钢筋直径小于12mm 时，采用热轧光圆钢筋HPB300；钢筋直径大于等于12mm 时，采用热轧带肋高强钢筋HRB400，钢板及其他钢材一律采用Q235 普通碳素结构钢。

2 防撞墙数值分析模型建立

2.1 动力学分析理论

动态分析问题分显式和隐式两种，该项目采用显式算法，采用中心差分法进行显式时间积分。中心差分法是基于用有限差分代替位移对时间的求导[2]。

对于多自由度体系，中心差分法逐步计算公式为：

式（1）中：[M]为体系的质量；[C]为体系的阻尼；[K]为体系的刚度矩阵；{u}i为ti时刻体系的位移，且{u}i={u(ti)} ；{P}i为ti时刻体系的外荷载向量，且{P}i={P(ti)} 。

2.2 材料本构模型

钢筋和钢板采用双线性随动强化模型，混凝土采用塑性损伤模型。在混凝土静态本构模型的基础上，通过对抗压强度、抗拉强度等力学指标修正的方法来考虑应变率强化效应影响，从而实现对混凝土动态行为的模拟。该项目中的普通混凝土的抗压强度动态增强系数拟取1.39，抗拉强度动态增强系数拟取1.45[3]。

3 防撞墙和车辆有限元模型的建立

3.1 防撞墙有限元模型

根据施工设计图纸，新型防撞墙沿车流方向每隔1.99m 设置一道结构缝，因此以一段防撞墙为一个整体建立有限元模型。装配式防撞墙的单元类型为C3D8R，防撞墙网格的边长为0.5mm，钢筋选择的单元类型是两节点T3D2，钢筋网格的边长为0.05mm。防撞墙模型见图1。

图1 防撞墙模型

3.2 车辆有限元模型

在数值分析过程中，为提高分析效率，减少其他因素的影响，对车辆几何模型进行简化处理[4]。根据文献得到，车辆模型的结构尺寸为长3.6m、宽1.4m、高1.5m，车辆自身质量为1.5t[5]。车辆的简化模型见图2。

图2 小车模型

4 工况设计

在模拟车辆与防撞墙斜向碰撞的过程中，为研究防撞墙的抗撞击性能，以车辆的碰撞速度、碰撞角度参数为主，研究各个影响因素对防撞墙冲击力和最大动态变形量等抗撞击性能的影响规律[6]。试件编制及工况见表1。

表1 试件编制及工况

5 结果分析

5.1 碰撞速度

在不同的碰撞速度下，新型装配式防撞墙遭受车辆撞击后受到的峰值冲击力和最大动态变形量值如表2所示[7]。

表2 不同碰撞速度下防撞墙的峰值冲击力与最大变形量

根据有限元计算分别得到不同碰撞速度下新型装配式防撞墙位移时程曲线对比图及位移云图（见图3、图4）。

图3 位移时程曲线

图4 位移云图

结果分析：通过计算可以得到不同速度下的峰值冲击力，数据表明，速度越大，峰值冲击力就越大。由位移时程曲线对比图和位移云图对比可以看出，初始时态防撞墙的位移为0，当小车撞到防撞墙时，防撞墙的位移变形瞬间达到最大，小车碰撞之后，防撞墙的位移又逐渐减小。小车的速度越大，防撞墙的变形量越大，最大动态变形值也逐渐增大。

5.2 不同碰撞角度的影响

在其他条件不变的情况下，改变碰撞角度，新型装配式防撞墙的峰值冲击力和最大动态变形量见表3。

表3 不同碰撞角度下防撞墙的峰值冲击力与最大变形量

根据有限元计算，分别得到不同碰撞角度下新型装配式防撞墙位移时程曲线对比图及位移云图（见图5、图6）。

图5 位移时程曲线

图6 位移云图

结果分析：通过计算可以得到不同角度下的峰值冲击力，角度越大，峰值冲击力越大。由位移时程曲线对比图和位移云图对比可以看出，初始时，防撞墙的位移为0，当小车撞到防撞墙时，防撞墙的位移变形瞬间达到最大，小车碰撞之后，防撞墙的位移又逐渐减小。碰撞角度越大，防撞墙的变形量越大，最大动态变形值也逐渐增大。

6 结语

结合贵州双龙航空港经济区二堡路工程，通过建立有限元模型及数值模拟的方式，对新型装配防撞墙的相关性能进行研究。在其他影响因素不变的情况下，当车辆速度从40km/h 变到80km/h 时，峰值冲击力从569.98kN 增加到1139.95kN，增幅为99.99%，最大位移变形量从1.58mm 增加到3.15mm，增幅为99.37%。当车辆碰撞角度从15°变到25°时，峰值冲击力从431.32kN 增加到704.29kN，增幅为63.29%，最大位移变形量从1.5mm 增加到2.5mm，增幅为66.67%。说明：碰撞速度越大、碰撞角度越大，防撞墙受到的冲击力越大，位移变形越大，车辆碰撞速度对防撞墙的影响比车辆碰撞角度对防撞墙的影响更明显。在上述试验中，不同工况下防撞墙的最大动态变形量均小于等于500mm，表明该防撞墙满足相关规范规定的限值要求，能够起到保证车辆行驶安全的作用。