龙绍海，黄晓虹，文哲思

广州市道路工程研究中心，广东 广州 510000

随着我国城市化进程的加快，城市交通的高速发展对城市桥梁的施工建设提出了新的要求。装配式桥梁凭借其工厂化制造、装配化施工效率高等优点，在城市桥梁建设中得到了越来越广泛的应用[1]。随着装配式桥梁的快速发展，传统现浇混凝土防撞护栏的许多弊端日益凸显，积极推广预制装配式防撞护栏十分必要。预制装配式防撞护栏具有装配化的优点，但结构整体性差，因此其与桥面板的连接尤为关键。目前已有不少国内学者对桥梁护栏的防撞性能进行了仿真分析，但针对预制装配式防撞护栏动力碰撞的仿真分析较少[2-4]。

针对某城市桥梁中预制防撞护栏与桥面板的预埋钢筋连接件连接方式，文章运用ANSYS建立车辆-护栏的碰撞有限元模型，并利用LS-NYNA计算求解，综合分析了该类型预制防撞护栏的防撞性能。

1 工程背景

该预制钢筋混凝土防撞护栏与桥面板的连接构造由护栏连接钢筋、角钢及桥面板内的预埋件组成。预埋件包括L形钢筋和钢板。预制防撞护栏与桥面板的连接通过焊接护栏角钢与预埋件钢板实现。

2 建立碰撞有限元模型

2.1 建模流程

采用ANSYS和Hyper Mesh完成前处理环节中有限元模型的建立，采用LS-DYNA求解器快速求解，具体流程如下：（1）运用ANSYS建立几何模型，添加材料和边界，运用HyperMesh划分网格，获得有限元模型；（2）设置模型运算控制参数，并生成相应的K文件；（3）将模型K文件导入LS-DYNA求解器进行运算及分析；（4）运用LS-PrePost查看计算结果，分析结果的可靠性。

2.2 几何模型参数

（1）预制防撞护栏几何模型。按照工程中预制防撞护栏的标准段方案尺寸建立护栏有限元模型。预制防撞护栏标准段长6m、高1.1m，护栏底部的角钢与桥面板内预埋连接件的钢板通过焊接连接。预制护栏、角钢及带钢板L形钢筋连接件的详细尺寸如图1所示。

图1 预制混凝土护栏及连接件尺寸图（单位：mm）

（2）碰撞车辆及碰撞条件。碰撞车辆的有限元模型采用美国国家碰撞分析中心官网提供的小汽车整车模型。根据《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）对防撞护栏碰撞试验条件的规定，车辆碰撞速度取100km/h，碰撞角度取20°，碰撞点在防撞护栏1/3标准段处。

2.3 材料参数及单元选取

（1）主要材料本构关系。Brittle Damage是一种将混凝土和钢筋考虑为一体的损伤本构模型，能有效模拟混凝土拉伸断裂行为，采用Brittle Damage本构作为防撞护栏钢筋混凝土材料本构，模型参数如表1所示[5]。预制防撞护栏的竖向连接件主要由L形钢筋和预埋钢板组成，连接件中钢筋和钢板的本构关系采用双折线模型，不考虑下降段，屈服应力分别取值为400MPa、345MPa，屈服应变分别为0.00167、0.00194。车辆的材料参数源于某汽车研究单位，采用LS-DYNA中的多折线塑性材料模型模拟。

表1 Brittle Damage模型材料参数表

（2）单元选取。SOLID164单元是常用的八节点六面体实体单元，SHELL163单元是一种薄壁壳单元，两者均适合显式动力问题的分析。在碰撞模型中，选取SOLID164单元模拟护栏钢筋混凝土和钢质连接件，选取SHELL163单元模拟车辆车身的金属薄壁构件。

2.4 接触及边界条件

在整个动力碰撞模型中，不仅要考虑的接触参数有摩擦系数、接触阻尼、接触刚度，还要考虑汽车与护栏、车辆与桥面之间的接触。车辆与预制防撞护栏之间的接触通过设置LS-DYNA的接触卡*CONTROL_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE定义，车辆与地面之间的接触通过关键字*CONTROL_RIGIDWALL设置刚性墙来模拟地面。

防撞护栏与桥面板端部相互嵌固，并通过角钢及预埋L形钢筋连接件与桥面板连接在一起。有限元模型过程中，选取护栏与桥面板接触的凹槽线及预埋连接件的节点，约束其全部6个自由度。

3 计算结果及分析

3.1 碰撞能量及撞击力分析

车-护栏碰撞系统的总能量由初始值578.6kJ变化至574.9kJ，沙漏能终值为11.3kJ，界面滑移能终值为37.9kJ，总能量变化小于5%，沙漏能与界面滑移能均未超过总能量的10%，系统能量变化满足能量守恒定律，模型符合可靠性要求。

护栏的撞击力时程曲线显示，在碰撞过程中出现了两个撞击力峰值，分别对应车头与护栏的初次碰撞和车体与护栏的二次碰撞，两次撞击力的峰值分别为530kN、611.1kN。

3.2 护栏连接件应力分析

竖向连接件的最大主拉应力时程曲线如图2所示。由图2可知，连接件的最大主拉应力出现了两次峰值，应力峰值的出现时刻与两次碰撞对应。HRB400预埋钢筋最大主拉应力为275.4MPa，小于其屈服强度400MPa；Q345c钢板最大主拉应力为67.5MPa，小于其屈服强度345MPa。护栏的应力响应云图如图3所示。由图3可知，车辆撞击位置正下方的连接件应力响应较大。分析结果表明给定碰撞条件下连接件未失效，护栏整体安全性能仍有保证。

图2 连接件最大主拉应力时程曲线

图3 撞击瞬间竖向连接件应力云图

3.3 预制防撞护栏应力位移分析

预制防撞护栏的最大主拉应力时程曲线如图4所示。由图4可知，碰撞过程中护栏的最大主拉应力出现了两次峰值，峰值的出现时刻与两次碰撞对应，两次应力峰值分别为27.8MPa和24.0MPa，均超过混凝土的极限抗拉强度，说明混凝土已出现开裂损伤。预制防撞护栏的最大横向位移时程曲线如图5所示。由图5可知，护栏出现的最大横向位移值为1.52mm，远小于《高速公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）规定的刚性护栏最大动态变形量10cm。

图4 护栏第一主拉应力时程曲线

图5 护栏最大位移时程曲线

3.4 护栏导向性能分析

将碰撞结束时车辆各方向的速度导出并进行矢量合成，可知车辆的驶出角为2°，驶出角小于驶入角的60%，满足规范标准。车辆与护栏碰撞后，行驶轨迹几乎与护栏平行，降低了碰撞车辆与其他车辆发生二次碰撞的可能，说明护栏具有良好的导向性能。

4 结论

针对L形钢筋连接件预制防撞护栏与桥梁的连接受力特点，利用ANSYS、LS-NYNA有限元分析软件建立车辆-护栏动力碰撞有限元模型，通过计算分析得出了以下主要结论：（1）碰撞系统的能量变化满足能量守恒定律，模型满足可靠性要求；（2）连接件的最大主拉应力小于其材料屈服强度，连接件对护栏的整体安全性能仍有强度保证；（3）护栏最大横向位移、碰撞车辆驶出角度、护栏导向性能等均满足规范要求；（4）护栏最大主拉应力大于混凝土极限抗拉强度，部分护栏混凝土出现开裂损伤，由护栏钢筋承受冲击荷载。