和丽梅

福建省交通建设工程试验检测有限公司（350008）

高速公路突起路标抗压及抗冲击性能研究

和丽梅

福建省交通建设工程试验检测有限公司（350008）

根据高速公路上安装的突起路标存在破坏率高、反光功能失效快等问题，分析突起路标的破坏及失效原因分析，突起路标在实际使用过程当中，会受到静压载荷和冲击载荷。运用ANSYS有限元仿真软件从力学角度研究车辆碾压突起路标引起的破坏状况，分析得出应力集中区域及位移变形区域。

交通工程；交通安全设施；突起路标；ANSYS；有限元分析

高速公路具有行车速度高、车流量大的特点，相对于其他道路，一旦发生交通事故，将造成严重的生命、财产损失，因此，必须保证交通安全设施的有效性。突起路标是交通工程中一种常用的交通安全设施，人们也称其为猫眼、道钉。突起路标在高速公路中也得到了广泛应用，如图1所示，用来标记中心线、车道分界线、边缘线，也可以用来标记弯道、进出口匝道、导流标线、道路变窄、路面障碍物等危险路段，并可与涂料标线配合使用。尤其在夜间光线不佳的路段处，给驾驶员提供视线诱导，保证车辆安全、通畅、舒适地运行。

图1 突起路标的应用

目前高速公路上安装的突起路标存在破坏率高、反光功能失效快等问题，使得突起路标的寿命缩短，不能很好地提供视线诱导作用，为了有利于夜间行车安全，提高突起路标可视性，引导驾驶人员正确安全行驶，减小交通事故的发生，文章从影响突起路标的抗压及抗冲击性能角度出发，分析引起上述问题的影响因素，为进一步改善和提高突起路标的性能提供参考。

1 突起路标的分类

突起路标按逆反射性能分为逆反射型（简称A类）和非逆反射型（简称B类）两种。A类突起路标分为A1类、A2类、A3类等，A1类突起路标由工程塑料或金属等材料基体和微棱镜逆反射器组成的逆反射突起路标，A2类突起路标由工程塑料或金属等材料基体和定向透镜逆反射器组成的逆反射突起路标，A3类突起路标由钢化玻璃基体和金属反射膜组成的一体化全向透镜逆反射突起路标。

铝合金突起路标基体框架材料为铝合金，通常镶嵌有塑料件，塑料件的作用主要用于遮挡光逆反射器等光效应部件。塑料突起路标由ABS等耐磨材料注塑而成，质量轻，胶水黏结效果好。玻璃突起路标结构简单，耐油、耐候性及耐磨性好，破损成粉末状，不损伤轮胎。如图2所示。

图2 铝合金、塑料、钢化玻璃突起路标

2 突起路标的破坏及失效原因分析

2.1 突起路标的破坏分析

1）设置在车道分界线上的突起路边基体结构受破坏程度比较大，设置在道路中心线和车道边缘线上的突起路标受破坏程度比较小。受破坏的部位主要在左面、右面和正面，顶面和背面受破坏程度较小。

2）突起路标受碾压主要是由小型客车、中型客车、大型客车、货车等车辆引起，突起路标的破坏形式主要有脱落、压碎、凹陷、反光衰减等。

2.2 突起路标失效的原因分析

1）基体材料抗压强度不够，造成突起路标破损失效。突起路标在实际使用过程当中，会受到静压载荷和冲击载荷。静压载荷主要是由车辆静止时轮胎压在突起路标上形成的；冲击载荷主要是车辆在行驶过程中轮胎碾过道钉时产生的。

2）基体与路面黏结不牢固，基体与底胶脱离失效。原因是车轮碾过突起路标时产生的平行于路面的横向剪切力大于道钉与路面的结合力。

3 突起路标的抗压荷载试验和整体抗冲击性能试验

3.1 抗压荷载试验

1）在试验机下压平台中心上放置一个厚度为13 mm、比被测突起路标基底大的钢板，将突起路标基底放置在钢板中心上。

2）在被测突起路标顶部放置一块厚度为9.5 mm、邵氏硬度为60 A、尺寸大于被测突起路标受压面积的弹性橡胶垫。

3）另一块厚度为13 mm、比被测突起路标大的钢板放置在弹性橡胶垫上。

4）调整钢板、被测样品、弹性垫，使被测突起路标置于试验机上下压头的轴线上，开启试验机，以2.5 mm/min的速率对突起路标进行加载，直到破坏或产生明显变形（大于3.3 mm）为止，记录此时的最大力值。

5）A1、A2类突起路标应不小于16 kN，A3类突起路标应不小于245 kN。

3.2 整体抗冲击性能试验

1）在坚固、平整的水平面上放置一厚度不小于13 mm、面积大于突起路标下表面的钢板，将突起路标置于钢板上，用质量为1 040 g±10 g的实心钢球，在突起路标正上方1 m的高度自由落下，冲击点为突起路标上表面的中心。

2）试验后以冲击点为圆心，直径12 mm的区域外不应有任何形式的破损。

4 力学分析

突起路标功能失效的外界因素具有复杂性和偶然性，研究主要依据抗压荷载及整体抗冲击性能试验，针对车辆碾压因素及机械破坏，利用ANSYS有限元仿真软件从力学角度研究车辆碾压突起路标引起的破坏状况，分析步骤如图3所示。

图3 力学分析步骤

4.1 建立有限元模型

首先对突起路标进行建模，分别建立塑料突起路标和钢化玻璃突起路标两种模型，并进行有限元分析，主要步骤是:定义材料属性（Define property），输入材料的弹性模量和泊松比，定义材料单元（Define elements），进行单元体的网格划分（Meshing），网格可分为自由网格和映射网格，突起路标的模型相对简单，采用自由划分网格的方式。

4.2 模型分析计算

取突起路标在最不利情况下的荷载，塑料突起路标在各个表面承受160 kN的压力，玻璃突起路标在各个表面承受245 kN的压力，加载后通过有限元方程的求解，得出结果（Plot results），生成应力图和位移图。

通过ANSYS对突起路标有限元模型加载静载荷,经过分析计算后获得突起路标应力和位移结果。图4所示，从应力云图可以得出，塑料突起路标四周边缘靠近底面应力值过大，边缘区域的应力值形成带状，容易产生破坏。从位移云图可以得出，四周边缘靠近底面位移较大，向四周渐变，底部边缘在车轮碾压下容易发生破坏。图5所示，钢化玻璃突起路标在应力云图中红色带状区域应力值、位移值都偏大，底部边缘位移值也较大，都属于易发生破坏部位。

1）静力荷载分析

2）动力学分析

通过瞬态动力分析，模拟车轮冲击载荷对突起路标结构产生的影响，且较大应力值的区域均比静力荷载偏大许多，但易破坏位置基本一致，如图6所示。

图5 钢化玻璃突起路标静力学分析

图6 突起路标动力学分析

5 结语

突起路标受碾压引起脱落、压碎、凹陷、反光衰减等功能失效，在实际使用过程当中，主要会受到静压载荷和冲击载荷，基体材料抗压强度不够，造成突起路标破损失效。从力学分析角度运用ANSYS有限元分析软件模拟车辆碾压突起路标引起的破坏过程，分别在静载荷、动载荷作用下的应力和位移变化情况，得出突起路标基体最易破坏位置，从而得出突起路标在使用过程中受到碾压破坏的主要成因。研究结论可以为突起路标性能的改善和提高提供重要参考。

[1]中华人民共和国国家标准.GB/T 24725-2009,突起路标[S].北京:中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局, 2010.

[2]中华人民共和国交通部.JGJD81-2006,公路交通安全设施设计规范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]中华人民共和国行业标准.JTJF71-2006,公路交通安全设施施工技术规范[S].北京:中华人民共和国交通部,2006.

[4]中华人民共和国交通运输行业标准.JT/T 968-2015,突起路标胶粘剂胶接性能指标及试验方法[S].中华人民共和国交通运输部,2015.

[5]ANSYS结构分析单元与应用[M].北京:人民交通出版社, 2011.