謝鵬飛、崔成濤、楊威、張峻賓、劉杰、王穎

（1.中國水利水電第十四工程局有限公司，云南 昆明 650041；2.西安理工大學(xué)，陜西 西安 710000）

0 引言

防撞墻結(jié)構(gòu)是橋梁和公路設(shè)施的重要組成部分，設(shè)置該結(jié)構(gòu)的目的是防止車輛由于各種因素駛離公路，以保證車輛行駛安全，減少公路交通事故。隨著建筑行業(yè)的高速發(fā)展，裝配式防撞墻逐步成為橋梁與公路工程中的首選構(gòu)件，這類構(gòu)件具有施工便捷、工業(yè)化程度高的優(yōu)點(diǎn)。

為了直觀、清晰地掌握新型裝配式防撞墻在面對行駛車輛碰撞時(shí)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，需要開展實(shí)車碰撞試驗(yàn)，但這類試驗(yàn)的難度較大，且要求較多，操作困難，受經(jīng)濟(jì)條件、技術(shù)、場地等因素的限制，實(shí)車碰撞試驗(yàn)難以全面推廣。然而，相較于實(shí)車碰撞試驗(yàn)，數(shù)值模擬方法更加經(jīng)濟(jì)高效、便捷可靠，該方法也因此被廣泛應(yīng)用到各大工程領(lǐng)域[1]。

以某高架橋梁新型裝配式混凝土防撞墻為研究對象，分別建立該新型裝配式防撞墻整體和碰撞車輛的精細(xì)化有限元模型，進(jìn)行彈塑性動(dòng)力分析，以峰值沖擊力、最大動(dòng)態(tài)變形量為動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)，評價(jià)該新型裝配式防撞墻的抗撞擊性能是否滿足規(guī)范要求。

1 工程概況

貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)二堡路工程，設(shè)計(jì)速度為40km/h；橋梁斷面為0.5m（防撞護(hù)欄）+17.5m（車行道）+0.5m（防撞護(hù)欄）=18.5m。根據(jù)工程施工設(shè)計(jì)圖紙，單段防撞墻長度為1.99m，防撞墻高度為0.85m。試件混凝土主要采用C35 混凝土，鋼筋直徑小于12mm 時(shí)，采用熱軋光圓鋼筋HPB300；鋼筋直徑大于等于12mm 時(shí)，采用熱軋帶肋高強(qiáng)鋼筋HRB400，鋼板及其他鋼材一律采用Q235 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。

2 防撞墻數(shù)值分析模型建立

2.1 動(dòng)力學(xué)分析理論

動(dòng)態(tài)分析問題分顯式和隱式兩種，該項(xiàng)目采用顯式算法，采用中心差分法進(jìn)行顯式時(shí)間積分。中心差分法是基于用有限差分代替位移對時(shí)間的求導(dǎo)[2]。

對于多自由度體系，中心差分法逐步計(jì)算公式為：

式（1）中：[M]為體系的質(zhì)量；[C]為體系的阻尼；[K]為體系的剛度矩陣；{u}i為ti時(shí)刻體系的位移，且{u}i={u(ti)} ；{P}i為ti時(shí)刻體系的外荷載向量，且{P}i={P(ti)} 。

2.2 材料本構(gòu)模型

鋼筋和鋼板采用雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化模型，混凝土采用塑性損傷模型。在混凝土靜態(tài)本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，通過對抗壓強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等力學(xué)指標(biāo)修正的方法來考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)影響，從而實(shí)現(xiàn)對混凝土動(dòng)態(tài)行為的模擬。該項(xiàng)目中的普通混凝土的抗壓強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)擬取1.39，抗拉強(qiáng)度動(dòng)態(tài)增強(qiáng)系數(shù)擬取1.45[3]。

3 防撞墻和車輛有限元模型的建立

3.1 防撞墻有限元模型

根據(jù)施工設(shè)計(jì)圖紙，新型防撞墻沿車流方向每隔1.99m 設(shè)置一道結(jié)構(gòu)縫，因此以一段防撞墻為一個(gè)整體建立有限元模型。裝配式防撞墻的單元類型為C3D8R，防撞墻網(wǎng)格的邊長為0.5mm，鋼筋選擇的單元類型是兩節(jié)點(diǎn)T3D2，鋼筋網(wǎng)格的邊長為0.05mm。防撞墻模型見圖1。

圖1 防撞墻模型

3.2 車輛有限元模型

在數(shù)值分析過程中，為提高分析效率，減少其他因素的影響，對車輛幾何模型進(jìn)行簡化處理[4]。根據(jù)文獻(xiàn)得到，車輛模型的結(jié)構(gòu)尺寸為長3.6m、寬1.4m、高1.5m，車輛自身質(zhì)量為1.5t[5]。車輛的簡化模型見圖2。

圖2 小車模型

4 工況設(shè)計(jì)

在模擬車輛與防撞墻斜向碰撞的過程中，為研究防撞墻的抗撞擊性能，以車輛的碰撞速度、碰撞角度參數(shù)為主，研究各個(gè)影響因素對防撞墻沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量等抗撞擊性能的影響規(guī)律[6]。試件編制及工況見表1。

表1 試件編制及工況

5 結(jié)果分析

5.1 碰撞速度

在不同的碰撞速度下，新型裝配式防撞墻遭受車輛撞擊后受到的峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量值如表2所示[7]。

表2 不同碰撞速度下防撞墻的峰值沖擊力與最大變形量

根據(jù)有限元計(jì)算分別得到不同碰撞速度下新型裝配式防撞墻位移時(shí)程曲線對比圖及位移云圖（見圖3、圖4）。

圖3 位移時(shí)程曲線

圖4 位移云圖

結(jié)果分析：通過計(jì)算可以得到不同速度下的峰值沖擊力，數(shù)據(jù)表明，速度越大，峰值沖擊力就越大。由位移時(shí)程曲線對比圖和位移云圖對比可以看出，初始時(shí)態(tài)防撞墻的位移為0，當(dāng)小車撞到防撞墻時(shí)，防撞墻的位移變形瞬間達(dá)到最大，小車碰撞之后，防撞墻的位移又逐漸減小。小車的速度越大，防撞墻的變形量越大，最大動(dòng)態(tài)變形值也逐漸增大。

5.2 不同碰撞角度的影響

在其他條件不變的情況下，改變碰撞角度，新型裝配式防撞墻的峰值沖擊力和最大動(dòng)態(tài)變形量見表3。

表3 不同碰撞角度下防撞墻的峰值沖擊力與最大變形量

根據(jù)有限元計(jì)算，分別得到不同碰撞角度下新型裝配式防撞墻位移時(shí)程曲線對比圖及位移云圖（見圖5、圖6）。

圖5 位移時(shí)程曲線

圖6 位移云圖

結(jié)果分析：通過計(jì)算可以得到不同角度下的峰值沖擊力，角度越大，峰值沖擊力越大。由位移時(shí)程曲線對比圖和位移云圖對比可以看出，初始時(shí)，防撞墻的位移為0，當(dāng)小車撞到防撞墻時(shí)，防撞墻的位移變形瞬間達(dá)到最大，小車碰撞之后，防撞墻的位移又逐漸減小。碰撞角度越大，防撞墻的變形量越大，最大動(dòng)態(tài)變形值也逐漸增大。

6 結(jié)語

結(jié)合貴州雙龍航空港經(jīng)濟(jì)區(qū)二堡路工程，通過建立有限元模型及數(shù)值模擬的方式，對新型裝配防撞墻的相關(guān)性能進(jìn)行研究。在其他影響因素不變的情況下，當(dāng)車輛速度從40km/h 變到80km/h 時(shí)，峰值沖擊力從569.98kN 增加到1139.95kN，增幅為99.99%，最大位移變形量從1.58mm 增加到3.15mm，增幅為99.37%。當(dāng)車輛碰撞角度從15°變到25°時(shí)，峰值沖擊力從431.32kN 增加到704.29kN，增幅為63.29%，最大位移變形量從1.5mm 增加到2.5mm，增幅為66.67%。說明：碰撞速度越大、碰撞角度越大，防撞墻受到的沖擊力越大，位移變形越大，車輛碰撞速度對防撞墻的影響比車輛碰撞角度對防撞墻的影響更明顯。在上述試驗(yàn)中，不同工況下防撞墻的最大動(dòng)態(tài)變形量均小于等于500mm，表明該防撞墻滿足相關(guān)規(guī)范規(guī)定的限值要求，能夠起到保證車輛行駛安全的作用。