蔣鍵鋯， 王銀輝,*， 李志勇， 羅 征

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 40074； 2.浙大寧波理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院， 寧波 315100； 3.寧波市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司， 寧波 315100)

隨著中國(guó)城市化進(jìn)程快速推進(jìn)，預(yù)制裝配施工技術(shù)高速發(fā)展，其具有施工快、對(duì)環(huán)境友好、對(duì)既有交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，逐步成為橋梁建設(shè)的主流建造形式。裝配化施工已廣泛應(yīng)用于橋梁上下部結(jié)構(gòu)中，但在橋梁護(hù)欄上的應(yīng)用較少，護(hù)欄的裝配化施工成為制約橋梁裝配化發(fā)展的一大因素。

混凝土護(hù)欄是公路和城市橋梁防撞護(hù)欄中主要應(yīng)用形式之一[1-2]，需顧及結(jié)構(gòu)安全性，降低車輛乘員風(fēng)險(xiǎn)以及對(duì)碰撞車輛軌跡引導(dǎo)等多種功能。裝配式混凝土護(hù)欄與傳統(tǒng)現(xiàn)澆混凝土護(hù)欄相比具有制作質(zhì)量高、裝配施工快、對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，另外，裝配式混凝土護(hù)欄也適用于舊橋改造加固，提高護(hù)欄防撞等級(jí)，在拆除原有護(hù)欄后，可以實(shí)現(xiàn)快速施工，減少交通封閉時(shí)間[3]。目前，已有學(xué)者提出采用高強(qiáng)螺栓、無(wú)黏結(jié)預(yù)應(yīng)力[4]等進(jìn)行混凝土護(hù)欄裝配連接，但其對(duì)施工精度要求較高，且存在連接處應(yīng)力集中、連接件耐久性、構(gòu)件節(jié)點(diǎn)和接縫處理等問(wèn)題，因此有必要尋求更好的護(hù)欄裝配連接解決方案。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，工程結(jié)構(gòu)對(duì)高性能材料的需求日益加大，學(xué)者們發(fā)現(xiàn)纖維參合料可以顯著改善混凝土的抗拉強(qiáng)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擁有更為優(yōu)秀的耐久性和抗沖擊性能[5-8]，并且UHPC材料在橋梁上下部結(jié)構(gòu)方面中已有較多的實(shí)際應(yīng)用[9]，因此可以嘗試將 UHPC 材料應(yīng)用于混凝土護(hù)欄的裝配連接。

現(xiàn)提出一種采用UHPC材料的新型混凝土護(hù)欄裝配連接方式。對(duì)混凝土護(hù)欄進(jìn)行節(jié)段劃分并在工廠預(yù)制生產(chǎn)，通過(guò)預(yù)留錨固鋼筋、縱向連接鋼筋、橋面板植筋和UHPC進(jìn)行節(jié)段拼裝，滿足護(hù)欄防撞要求的同時(shí)達(dá)到快速施工的裝配化要求。

通過(guò)對(duì)比分析新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄與同等級(jí)普通混凝土護(hù)欄在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的極限強(qiáng)度和破壞形式，以及沖擊作用加載下兩者的動(dòng)力響應(yīng)，評(píng)價(jià)該新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄的防撞性能，為混凝土護(hù)欄裝配化施工提供新的方案或思路。

1 新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄介紹

新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄主要由若干預(yù)制混凝土護(hù)欄節(jié)段、后澆UHPC、錨固鋼筋等構(gòu)成。護(hù)欄豎向連接由節(jié)段護(hù)欄預(yù)留錨固鋼筋、錨固縱筋和后澆UHPC構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 新型混凝土護(hù)欄豎向連接構(gòu)造圖Fig.1 Structural drawing of vertical connection of new concrete barrier

預(yù)制護(hù)欄節(jié)段間縱向連接由縱向連接鋼筋和后澆UHPC構(gòu)成，如圖2所示。綜合考慮護(hù)欄構(gòu)造連續(xù)性、建造經(jīng)濟(jì)性以及吊車起吊重量等因素，混凝土護(hù)欄預(yù)制節(jié)段長(zhǎng)度取4 m。護(hù)欄其余構(gòu)造尺寸以及相關(guān)配筋形式和普通SS級(jí)防撞等級(jí)的普通整體現(xiàn)澆混凝土護(hù)欄相同。

圖2 新型混凝土護(hù)欄縱向連接構(gòu)造圖Fig.2 Structure of longitudinal connection of new concrete barrier

2 有限元模型

2.1 UHPC材料本構(gòu)模型

UHPC為文中有限元模擬中的核心連接材料，因此需保證模擬中UHPC本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性。Guo等[10]在已有試驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，基于連續(xù)面蓋帽(continuous surface cap，CSC) 模型進(jìn)行擴(kuò)展，以模擬UHPC材料的動(dòng)力特性。該CSC擴(kuò)展模型的沖擊響應(yīng)與沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)比較吻合，符合數(shù)值模擬的需求，如圖3所示。因此研究中UHPC材料采用該由CSC擴(kuò)展的本構(gòu)模型進(jìn)行模擬。

圖3 UHPC梁撞擊力時(shí)程曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of impact force time history curves of UHPC beams

2.2 質(zhì)量塊-護(hù)欄簡(jiǎn)化模型介紹

采用有限元分析軟件ANSYS/LS-DYNA對(duì)兩種形式的護(hù)欄進(jìn)行顯式動(dòng)力分析。有限元模型中普通混凝土本構(gòu)模型采用廣泛使用的混凝土連續(xù)蓋帽模型，采用*MAT_CSCM_CONCRETE材料，新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄和普通混凝土護(hù)欄的護(hù)欄部分均采用C30混凝土，翼緣板部分均采用C50混凝土。兩種形式護(hù)欄各部分的構(gòu)造鋼筋均采用*MAT_PLASTIC_KINEMATIC材料，接觸采用*CONTACT_AUTO_SURFACE_TO_SURACE，其中為簡(jiǎn)化計(jì)算，質(zhì)量塊采用*RIGID材料模擬。主梁構(gòu)造則參考普通預(yù)制混凝土小箱梁標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了使研究更具針對(duì)性，根據(jù)圣維南原理對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化：取單個(gè)小箱梁的懸臂部分，對(duì)箱梁腹板進(jìn)行固結(jié)約束，通過(guò)約束腹板部分來(lái)模擬箱梁翼緣板懸臂受力的邊界條件，模型如圖4所示。

圖4 新型節(jié)段拼裝護(hù)欄有限元模型Fig.4 Finite element model of a new segmental assembly anti-collision barrier

研究中，UHPC與混凝土之間的連接十分關(guān)鍵，王興旺[11]在推出試驗(yàn)?zāi)M中發(fā)現(xiàn)，靠近界面處的普通混凝土部分首先發(fā)生破壞，而此時(shí)UHPC及界面部分未達(dá)到破壞應(yīng)力，試件受剪破壞位置發(fā)生在普通混凝土側(cè)。李昭等[12]采用綁定約束(Tie)模擬結(jié)合面之間的相互作用，防止接觸面之間產(chǎn)生相對(duì)滑移，其模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)吻合較好。綜合考慮，文中UHPC與混凝土間采用共節(jié)點(diǎn)連接。

3 有限元準(zhǔn)靜態(tài)分析

3.1 加載方式

車輛撞擊混凝土護(hù)欄主要為具有一定作用范圍的沖擊荷載，由于實(shí)車碰撞試驗(yàn)費(fèi)用昂貴，因此在研究混凝土護(hù)欄的極限荷載時(shí)往往采用準(zhǔn)靜態(tài)加載的方式，并將車輛撞擊轉(zhuǎn)換為等效線性荷載。美國(guó)國(guó)家公路與運(yùn)輸協(xié)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)AASHTO LPFD[13]中提供了車輛撞擊護(hù)欄的準(zhǔn)靜態(tài)等效載荷的具體標(biāo)準(zhǔn)，其根據(jù)護(hù)欄的構(gòu)件尺寸規(guī)格分為6個(gè)測(cè)試等級(jí)(TL-1～TL-6)，研究中護(hù)欄尺寸適合其TL-5測(cè)試等級(jí)要求(護(hù)欄的最小高度大于1 070 mm)，其對(duì)應(yīng)車輛碰撞等效荷載的加載高度為1 070 mm、荷載寬度為2 440 mm。

有限元模擬中采用質(zhì)量塊以剛體位移控制的形式進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)加載。分別對(duì)護(hù)欄節(jié)段中心、兩護(hù)欄節(jié)段縱向接縫處以及節(jié)段偏心位置進(jìn)行加載?？紤]到加載時(shí)的縱向影響范圍，經(jīng)過(guò)試算明確了護(hù)欄在寬度2 440 mm線性荷載下的有效長(zhǎng)度范圍：節(jié)段中心加載時(shí)需要3片護(hù)欄節(jié)段以保證充足的縱向長(zhǎng)度，接縫加載和節(jié)段偏載時(shí)需要4片護(hù)欄節(jié)段，具體如圖5所示，加載工況如表1所示。

圖5 護(hù)欄準(zhǔn)靜態(tài)加載示意圖Fig.5 Schematic diagram of quasi-static loading of anti-collision barrier

表1 準(zhǔn)靜態(tài)加載工況

以上述加載工況，采用準(zhǔn)靜態(tài)加載方式展開(kāi)對(duì)新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄和普通混凝土護(hù)欄的極限荷載和破壞形式進(jìn)行對(duì)比分析研究。

3.2 損傷云圖分析

通過(guò)對(duì)幾種形式護(hù)欄在各個(gè)工況下的損傷云圖分析，研究它們受力情況和破壞形式的區(qū)別。由損傷云圖分析可知，普通混凝土護(hù)欄在變坡點(diǎn)A處發(fā)生破壞，以A點(diǎn)為水平線向上形成倒梯形的屈服線，如圖6(a)所示。新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄則在B點(diǎn)接縫處發(fā)生受拉破壞，呈更大范圍的倒梯形屈服線如圖6(b)所示。當(dāng)后澆UHPC換成普通C50混凝土?xí)r，護(hù)欄下沿與翼緣板接縫處產(chǎn)生貫穿裂縫，護(hù)欄發(fā)生整體推到破壞，而不是護(hù)欄屈服破壞，連接處先于護(hù)欄發(fā)生破壞，如圖6(c)所示，說(shuō)明普通C50混凝土無(wú)法滿足節(jié)段拼裝的強(qiáng)度需求。

圖6 3種形式護(hù)欄損傷云圖對(duì)比Fig.6 Comparison of three types of barrier damage nephogram

利用屈服線理論[14]對(duì)兩種形式混凝土護(hù)欄的極限強(qiáng)度進(jìn)行分析，如圖7所示。

圖7 屈服線分析方法Fig.7 Yield line analysis method

護(hù)欄頂部位移值達(dá)到Δ時(shí)，護(hù)欄發(fā)生屈服破壞，此時(shí)護(hù)欄的極限強(qiáng)度Rw為

(1)

式(1)中:Rw為護(hù)欄極限強(qiáng)度，kN；Lc為屈服線臨界長(zhǎng)度，m；Lt為碰撞荷載分布縱向長(zhǎng)度，m；Mw為護(hù)欄豎向軸彎矩承載力，kN·m；Mb為護(hù)欄頂部除Mw之外的橫梁附加彎矩承載力矩，kN·m；Mc為護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的彎矩承載力矩，kNm；H為護(hù)欄的有效高度，m。

護(hù)欄的屈服線臨界長(zhǎng)度Lc為

(2)

相同碰撞荷載分布縱向長(zhǎng)度Lt下，新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄具有比普通混凝土護(hù)欄更長(zhǎng)的屈服線臨界長(zhǎng)度Lc。由于縱向節(jié)段護(hù)欄接縫間采用了節(jié)段縱向連接鋼筋，以及后澆UHPC連接，如圖2所示，其改變了混凝土護(hù)欄縱向強(qiáng)度的連續(xù)性，使得護(hù)欄接縫處周圍小范圍內(nèi)的強(qiáng)度大于普通混凝土護(hù)欄，在一定程度上提高了縱向接縫處的承載力矩Mb和Mw。因此護(hù)欄發(fā)生破壞時(shí)，屈服破壞不會(huì)發(fā)生在節(jié)段間接縫處，而向接縫兩側(cè)移動(dòng)，使新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄屈服線臨界長(zhǎng)度Lc增大，發(fā)生屈服破壞所需的加載力Ft升高，其各類加載工況下的極限強(qiáng)度Rw較普通混凝土護(hù)欄提升了35%左右。

3.3 準(zhǔn)靜態(tài)加載結(jié)果分析

分析兩種形式護(hù)欄各加載工況下的力位移曲線對(duì)比圖，如圖8所示，可得新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄在準(zhǔn)靜態(tài)加載下的極限強(qiáng)度大于普通混凝土護(hù)欄，各加載工況下加載力峰值均值為1 896 kN。加載過(guò)程中由于豎向連接的局部開(kāi)裂損傷，荷載在2.5 mm位移時(shí)發(fā)生小幅波動(dòng)。普通混凝土護(hù)欄由于無(wú)豎向連接產(chǎn)生的豎向強(qiáng)度變化，其力位移曲線較為光滑，加載力峰值為1 396 kN，均小于新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄不同加載工況下的極限強(qiáng)度。而其中新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄接縫處加載的極限強(qiáng)度略大于節(jié)段中心加載和節(jié)段偏載的極限強(qiáng)度。

圖8 準(zhǔn)靜態(tài)加載下力-位移曲線對(duì)比Fig.8 Comparison of force-displacement curves under quasi-static loading

另外，對(duì)比圖8中曲線CIP與PRC-C可以看出，當(dāng)豎向連接由UHPC替換為C50混凝土?xí)r，其極限承載力略低于普通混凝土護(hù)欄，但是其前期位移發(fā)展明顯加快，說(shuō)明其在加載初期剛度不足，意味著混凝土護(hù)欄節(jié)段的豎向連接采用C50混凝土?xí)r，其無(wú)法達(dá)到與普通混凝土護(hù)欄同等的防護(hù)能力。

提取3個(gè)模型中護(hù)欄關(guān)鍵截面變坡點(diǎn)A處(SectionA)的抵抗彎矩，如圖9所示。在相同的位移下，由于新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄存在UHPC縱向連接，因此該截面的承載力得到了一定程度的提高，達(dá)到普通混凝土護(hù)欄強(qiáng)度的同時(shí)提供了一定的安全儲(chǔ)備。

圖9 抵抗彎矩-位移曲線對(duì)比Fig.9 Comparison of resistance moment-displacement curves

裝配式結(jié)構(gòu)中節(jié)段之間的連接尤為重要，可靠的節(jié)段間縱向連接可以避免節(jié)段拼裝護(hù)欄發(fā)生單節(jié)段受力，導(dǎo)致承載力大大下降。通過(guò)對(duì)比加載中各個(gè)節(jié)段的抗力值探求縱向接縫的可靠性。

節(jié)段中心加載前期，約60%的抗力由被加載護(hù)欄節(jié)段2提供，隨著位移增大約40%的抗力通過(guò)護(hù)欄節(jié)段2兩側(cè)的縱向連接由相鄰的節(jié)段1和節(jié)段3提供，如圖10所示。

圖10 節(jié)段中心加載時(shí)各節(jié)段彎矩分配時(shí)程圖(截面A)Fig.10 Time history of moment distribution for each segment during loading at the center of the segment(Section A)

當(dāng)在節(jié)段2、3縱向接縫處加載時(shí)，其中約90%的抗力由接縫加載處兩側(cè)的護(hù)欄節(jié)段提供，兩片護(hù)欄節(jié)段各提供約45%的抗力，節(jié)段1和節(jié)段3通過(guò)第二道縱向接縫各傳遞5%左右的抗力，如圖11中PRC-2所示。當(dāng)節(jié)段偏心加載時(shí)，被加載節(jié)段承擔(dān)約60%的力矩，偏心加載近端節(jié)段通過(guò)縱向接縫承擔(dān)約23%的力矩，偏心加載遠(yuǎn)端節(jié)段承擔(dān)約15%的力矩，如圖11中PRC-3所示。說(shuō)明縱向接縫起到了較好的縱向傳力作用，有效的分配了節(jié)段受力，使得節(jié)段間抗力組成合理，說(shuō)明節(jié)段間縱向接縫在不同碰撞情況下可以提供可靠的連接作用。

圖11 各加載工況下節(jié)段抵抗力矩分配對(duì)比Fig.11 Comparison of section resistance rejection distribution under different loading conditions

4 有限元?jiǎng)恿Ψ治?/h2>

4.1 動(dòng)力加載方式

為了更好對(duì)比分析兩種形式混凝土護(hù)欄的防撞性能，故對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力分析。通過(guò)質(zhì)量塊-混凝土護(hù)欄模型，通過(guò)控制質(zhì)量塊碰撞高度來(lái)模擬不同車輛撞擊高度。根據(jù)公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(JTG B05-01—2013)[15]，SS級(jí)防護(hù)等級(jí)下的防護(hù)能量為520 kJ，因此保持總加載能量不變采用 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的質(zhì)量與速度組合進(jìn)行碰撞動(dòng)力分析。碰撞高度采用常規(guī)小型汽車、客車和貨車的保險(xiǎn)杠高度：36、42、65 cm。進(jìn)行不同質(zhì)量與速度組合和3種碰撞高度下新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄和普通混凝土護(hù)欄的動(dòng)力響應(yīng)，具體加載工況如表2所示。

表2 動(dòng)力加載工況表

4.2 損傷云圖與動(dòng)態(tài)位移分析

為了更加明顯地觀察破壞區(qū)別，取碰撞高度最高的對(duì)照組(碰撞速度10 m/s、碰撞高度65 cm)損傷云圖，普通混凝土護(hù)欄發(fā)生變坡點(diǎn)A處之上的倒梯形屈服破壞，如圖12(a)所示，新型混凝土護(hù)欄發(fā)生豎向接縫B點(diǎn)處之上的倒梯形屈服破壞，如圖12(b)所示，其屈服線臨界長(zhǎng)度Lc擴(kuò)大了13.8%，兩種形式護(hù)欄的開(kāi)裂位置與準(zhǔn)靜態(tài)加載結(jié)果基本一致。

圖12 兩種形式護(hù)欄損傷云圖對(duì)比Fig.12 Comparison of two types of barrier damage nephogram

對(duì)比碰撞高度為36 cm的新型混凝土護(hù)欄和普通混凝土護(hù)欄的位移時(shí)程曲線，如圖13所示。兩種形式護(hù)欄的位移時(shí)程曲線趨勢(shì)大致相同，但是新型節(jié)段拼裝混凝護(hù)欄位移上升更快，但兩者之間的位移相對(duì)差值保持相對(duì)穩(wěn)定。在沖擊峰值過(guò)后，新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄的后續(xù)混凝土可恢復(fù)位移值較普通混凝土更大，殘余變形更小。

當(dāng)連接采用C50混凝土?xí)r，如圖13中PRC-C所示，其最大動(dòng)態(tài)位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通混凝土護(hù)欄。而UHPC連接的護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)位移在節(jié)段中心加載時(shí)為223 mm，接縫處加載時(shí)為217 mm，節(jié)段偏心加載時(shí)為224 mm，其均值比普通混凝土護(hù)欄高約13 mm，其動(dòng)態(tài)位移初期發(fā)展比普通混凝土護(hù)欄快。

圖13 沖擊荷載下混凝土護(hù)欄位移時(shí)程對(duì)比曲線Fig.13 Time-history comparison curve of concrete parapet displacement under impact load

究其原因，主要由于混凝土節(jié)段內(nèi)側(cè)與后澆UHPC連接較弱，僅有普通混凝土和后澆UHPC界面連接，無(wú)受拉鋼筋受力，抗拉強(qiáng)度較低，如圖14所示。當(dāng)受到?jīng)_擊荷載時(shí)，UHPC和普通混凝土界面上的普通混凝土率先發(fā)生受拉破壞，導(dǎo)致加載初期其位移發(fā)展較快，但由于內(nèi)部UHPC和錨固鋼筋限制了裂縫的發(fā)展，使位移發(fā)展速率與普通混凝土護(hù)欄一致，因此兩者之間的位移差并沒(méi)有進(jìn)一步擴(kuò)大。

圖14 加載初期截面破壞示意圖Fig.14 Diagram of initial section failure during loading

當(dāng)碰撞高度增大后，兩種形式的混凝土護(hù)欄動(dòng)態(tài)位移均增大，通過(guò)分析不同碰撞高度下的動(dòng)態(tài)位移擬合曲線，如圖15所示，可以發(fā)現(xiàn)普通混凝土護(hù)欄的最大位移峰值斜率更大，位移增加更快，達(dá)到了317 mm。而新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄可能由于UHPC和縱向連接鋼筋構(gòu)成的縱向接縫提高了節(jié)段接縫左右1 m范圍內(nèi)的整體剛度，因此其動(dòng)態(tài)位移峰值增加較為平緩，在碰撞高度65 cm的3種加載情況下均保持在280 mm左右，表現(xiàn)出較普通混凝土護(hù)欄更好的抗沖擊能力。

4.3 能量分析

服役橋梁護(hù)欄升級(jí)改造中，由于護(hù)欄防撞等級(jí)提升，橋梁翼緣板相對(duì)于護(hù)欄會(huì)存在強(qiáng)度不足的問(wèn)題。碰撞過(guò)程中護(hù)欄和翼緣板協(xié)同受力，翼緣板上緣混凝土?xí)^(guò)其抗拉強(qiáng)度而產(chǎn)生裂縫，導(dǎo)致后續(xù)翼緣板滲水，鋼筋發(fā)生銹蝕，翼緣板承載力下降。通過(guò)UHPC連接件幫助翼緣板分擔(dān)能量的情況，分析后澆UHPC對(duì)翼緣板的保護(hù)效果。另外，通過(guò)分析節(jié)段間能量分配，分析節(jié)段間縱向接縫的可靠性。

對(duì)比兩種形式護(hù)欄翼緣板的能量吸收情況，如圖16所示，普通混凝土護(hù)欄的翼緣板在整個(gè)碰撞過(guò)程中吸收了198 kJ的能量，而新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄的翼緣板由于后澆UHPC吸收了109 kJ的能量，使得翼緣板只承擔(dān)了69 kJ的碰撞能量，可見(jiàn)其受力大幅降低。

在同等能量撞擊下，隨碰撞速度增加，質(zhì)量減小，兩種形式護(hù)欄吸收的能量均增大，翼緣板受力減小。翼緣板和UHPC的耗能比(翼緣板耗能/UHPC 耗能)隨碰撞速度增大而增大，在0.78(7%/9%)～1.38(18%/13%)之間，如圖17所示。據(jù)統(tǒng)計(jì)絕大多數(shù)車輛事故的碰撞速度在80 km/h以下，這意味著UHPC可以在絕大多情況下到達(dá)1.0以上的耗能比，承擔(dān)比翼緣板更多的碰撞能量。

圖17 不同碰撞速度下結(jié)構(gòu)各部分能量分配圖Fig.17 Energy distribution diagram of each part of the structure at different collision speeds

究其能量分配變化的原因，主要由于后澆 UHPC 提升了翼緣板以及翼緣板與護(hù)欄連接處的整體剛度，而護(hù)欄的剛度未改變，使得碰撞發(fā)生后剛度相對(duì)較小的護(hù)欄多吸收了12%～14%的能量。另一方面， UHPC位于翼緣板上部連接處，為受彎剪組合作用的關(guān)鍵部位，由于UHPC優(yōu)秀的力學(xué)性能，提升了連接部位的抗剪能力和翼緣板上緣的抗拉強(qiáng)度。在碰撞發(fā)生后，后澆UHPC和橫向鋼筋代替大部分原本受拉的翼緣板混凝土參與受拉，使得大部分翼緣板混凝土處于受壓狀態(tài)；另外后澆 UHPC 和橫向鋼筋也分擔(dān)了翼緣板的軸力，使得翼緣板在碰撞中能量吸收大幅下降，從而對(duì)橋梁翼緣板起到較好的保護(hù)作用。

通過(guò)節(jié)段間能量分配對(duì)比，檢驗(yàn)沖擊作用下縱向連接的可靠性。節(jié)段中心加載下，70%～76%的能量由被碰撞的護(hù)欄節(jié)段吸收，24%～30%的能量擴(kuò)散到兩側(cè)由相鄰的護(hù)欄節(jié)段吸收，如圖18(a)所示。在節(jié)段接縫處加載時(shí)，大于94%的能量由接縫兩側(cè)護(hù)欄節(jié)段吸收，少量的能量通過(guò)第二道接縫由節(jié)段1和節(jié)段4承擔(dān)，如圖18(b)所示。在節(jié)段偏心加載時(shí)，25%～31%的能量通過(guò)接縫傳遞到兩側(cè)護(hù)欄節(jié)段，如圖18(c)所示。

圖18 不同工況下新型護(hù)欄節(jié)段間能量分配圖Fig.18 Energy distribution between sections of new type barrier under different working conditions

通過(guò)不同工況下的能量分析，可以發(fā)現(xiàn)節(jié)段間縱向接縫能量傳遞表現(xiàn)良好。另外，隨著碰撞高度的提升，接縫外側(cè)的護(hù)欄節(jié)段吸收能量升高，節(jié)段間能量分配趨向均勻，說(shuō)明護(hù)欄節(jié)段間縱向接縫的連接效果良好。

5 結(jié)論

通過(guò)ANSYS/LS-DYNA有限元軟件并考慮翼緣板協(xié)同受力的情況下，對(duì)比分析了新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄和普通混凝土護(hù)欄的極限強(qiáng)度，破壞形式和相關(guān)動(dòng)力響應(yīng)，具體結(jié)論如下。

(1)UHPC材料可以滿足節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄強(qiáng)度需求，在各類碰撞條件下新型節(jié)段拼裝護(hù)欄具有與普通混凝土護(hù)欄同等的防護(hù)能力，不僅克服了節(jié)段拼裝后防撞性能不足的隱患，并依靠UHPC優(yōu)秀的力學(xué)性能，使其在能量吸收以及分配方面優(yōu)于普通混凝土護(hù)欄，在絕大多數(shù)情況下能達(dá)到1.0以上的耗能比，對(duì)翼緣板起到了良好的保護(hù)作用。

(2)若護(hù)欄節(jié)段連接處采用普通C50混凝土，則節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄的極限強(qiáng)度低于普通混凝土護(hù)欄，難以滿足護(hù)欄的裝配連接需求。

(3)新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄屈服破壞范圍較普通混凝土護(hù)欄更大，普通混凝土護(hù)欄發(fā)生變坡點(diǎn)A處之上的倒梯形屈服破壞，新型混凝土護(hù)欄發(fā)生豎向接縫B點(diǎn)處之上更大范圍的倒梯形屈服破壞，其擁有較普通混凝土護(hù)欄更高的極限承載力。

(4)新型節(jié)段拼裝混凝土護(hù)欄在準(zhǔn)靜態(tài)加載下，節(jié)段間抗力組成合理；在沖擊荷載下節(jié)段間能量分配合理。從準(zhǔn)靜態(tài)分析和動(dòng)力分析的角度分別驗(yàn)證了節(jié)段之間UHPC縱向連接的可靠性。