高速公路突起路標抗壓及抗沖擊性能研究

和麗梅

福建省交通建設工程試驗檢測有限公司（350008）

高速公路突起路標抗壓及抗沖擊性能研究

和麗梅

福建省交通建設工程試驗檢測有限公司（350008）

根據高速公路上安裝的突起路標存在破壞率高、反光功能失效快等問題，分析突起路標的破壞及失效原因分析，突起路標在實際使用過程當中，會受到靜壓載荷和沖擊載荷。運用ANSYS有限元仿真軟件從力學角度研究車輛碾壓突起路標引起的破壞狀況，分析得出應力集中區域及位移變形區域。

交通工程；交通安全設施；突起路標；ANSYS；有限元分析

高速公路具有行車速度高、車流量大的特點，相對于其他道路，一旦發生交通事故，將造成嚴重的生命、財產損失，因此，必須保證交通安全設施的有效性。突起路標是交通工程中一種常用的交通安全設施，人們也稱其為貓眼、道釘。突起路標在高速公路中也得到了廣泛應用，如圖1所示，用來標記中心線、車道分界線、邊緣線，也可以用來標記彎道、進出口匝道、導流標線、道路變窄、路面障礙物等危險路段，并可與涂料標線配合使用。尤其在夜間光線不佳的路段處，給駕駛員提供視線誘導，保證車輛安全、通暢、舒適地運行。

圖1 突起路標的應用

目前高速公路上安裝的突起路標存在破壞率高、反光功能失效快等問題，使得突起路標的壽命縮短，不能很好地提供視線誘導作用，為了有利于夜間行車安全，提高突起路標可視性，引導駕駛人員正確安全行駛，減小交通事故的發生，文章從影響突起路標的抗壓及抗沖擊性能角度出發，分析引起上述問題的影響因素，為進一步改善和提高突起路標的性能提供參考。

1 突起路標的分類

突起路標按逆反射性能分為逆反射型（簡稱A類）和非逆反射型（簡稱B類）兩種。A類突起路標分為A1類、A2類、A3類等，A1類突起路標由工程塑料或金屬等材料基體和微棱鏡逆反射器組成的逆反射突起路標，A2類突起路標由工程塑料或金屬等材料基體和定向透鏡逆反射器組成的逆反射突起路標，A3類突起路標由鋼化玻璃基體和金屬反射膜組成的一體化全向透鏡逆反射突起路標。

鋁合金突起路標基體框架材料為鋁合金，通常鑲嵌有塑料件，塑料件的作用主要用于遮擋光逆反射器等光效應部件。塑料突起路標由ABS等耐磨材料注塑而成，質量輕，膠水黏結效果好。玻璃突起路標結構簡單，耐油、耐候性及耐磨性好，破損成粉末狀，不損傷輪胎。如圖2所示。

圖2 鋁合金、塑料、鋼化玻璃突起路標

2 突起路標的破壞及失效原因分析

2.1 突起路標的破壞分析

1）設置在車道分界線上的突起路邊基體結構受破壞程度比較大，設置在道路中心線和車道邊緣線上的突起路標受破壞程度比較小。受破壞的部位主要在左面、右面和正面，頂面和背面受破壞程度較小。

2）突起路標受碾壓主要是由小型客車、中型客車、大型客車、貨車等車輛引起，突起路標的破壞形式主要有脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等。

2.2 突起路標失效的原因分析

1）基體材料抗壓強度不夠，造成突起路標破損失效。突起路標在實際使用過程當中，會受到靜壓載荷和沖擊載荷。靜壓載荷主要是由車輛靜止時輪胎壓在突起路標上形成的；沖擊載荷主要是車輛在行駛過程中輪胎碾過道釘時產生的。

2）基體與路面黏結不牢固，基體與底膠脫離失效。原因是車輪碾過突起路標時產生的平行于路面的橫向剪切力大于道釘與路面的結合力。

3 突起路標的抗壓荷載試驗和整體抗沖擊性能試驗

3.1 抗壓荷載試驗

1）在試驗機下壓平臺中心上放置一個厚度為13 mm、比被測突起路標基底大的鋼板，將突起路標基底放置在鋼板中心上。

2）在被測突起路標頂部放置一塊厚度為9.5 mm、邵氏硬度為60 A、尺寸大于被測突起路標受壓面積的彈性橡膠墊。

3）另一塊厚度為13 mm、比被測突起路標大的鋼板放置在彈性橡膠墊上。

4）調整鋼板、被測樣品、彈性墊，使被測突起路標置于試驗機上下壓頭的軸線上，開啟試驗機，以2.5 mm/min的速率對突起路標進行加載，直到破壞或產生明顯變形（大于3.3 mm）為止，記錄此時的最大力值。

5）A1、A2類突起路標應不小于16 kN，A3類突起路標應不小于245 kN。

3.2 整體抗沖擊性能試驗

1）在堅固、平整的水平面上放置一厚度不小于13 mm、面積大于突起路標下表面的鋼板，將突起路標置于鋼板上，用質量為1 040 g±10 g的實心鋼球，在突起路標正上方1 m的高度自由落下，沖擊點為突起路標上表面的中心。

2）試驗后以沖擊點為圓心，直徑12 mm的區域外不應有任何形式的破損。

4 力學分析

突起路標功能失效的外界因素具有復雜性和偶然性，研究主要依據抗壓荷載及整體抗沖擊性能試驗，針對車輛碾壓因素及機械破壞，利用ANSYS有限元仿真軟件從力學角度研究車輛碾壓突起路標引起的破壞狀況，分析步驟如圖3所示。

圖3 力學分析步驟

4.1 建立有限元模型

首先對突起路標進行建模，分別建立塑料突起路標和鋼化玻璃突起路標兩種模型，并進行有限元分析，主要步驟是:定義材料屬性（Define property），輸入材料的彈性模量和泊松比，定義材料單元（Define elements），進行單元體的網格劃分（Meshing），網格可分為自由網格和映射網格，突起路標的模型相對簡單，采用自由劃分網格的方式。

4.2 模型分析計算

取突起路標在最不利情況下的荷載，塑料突起路標在各個表面承受160 kN的壓力，玻璃突起路標在各個表面承受245 kN的壓力，加載后通過有限元方程的求解，得出結果（Plot results），生成應力圖和位移圖。

通過ANSYS對突起路標有限元模型加載靜載荷,經過分析計算后獲得突起路標應力和位移結果。圖4所示，從應力云圖可以得出，塑料突起路標四周邊緣靠近底面應力值過大，邊緣區域的應力值形成帶狀，容易產生破壞。從位移云圖可以得出，四周邊緣靠近底面位移較大，向四周漸變，底部邊緣在車輪碾壓下容易發生破壞。圖5所示，鋼化玻璃突起路標在應力云圖中紅色帶狀區域應力值、位移值都偏大，底部邊緣位移值也較大，都屬于易發生破壞部位。

1）靜力荷載分析

2）動力學分析

通過瞬態動力分析，模擬車輪沖擊載荷對突起路標結構產生的影響，且較大應力值的區域均比靜力荷載偏大許多，但易破壞位置基本一致，如圖6所示。

圖5 鋼化玻璃突起路標靜力學分析

圖6 突起路標動力學分析

5 結語

突起路標受碾壓引起脫落、壓碎、凹陷、反光衰減等功能失效，在實際使用過程當中，主要會受到靜壓載荷和沖擊載荷，基體材料抗壓強度不夠，造成突起路標破損失效。從力學分析角度運用ANSYS有限元分析軟件模擬車輛碾壓突起路標引起的破壞過程，分別在靜載荷、動載荷作用下的應力和位移變化情況，得出突起路標基體最易破壞位置，從而得出突起路標在使用過程中受到碾壓破壞的主要成因。研究結論可以為突起路標性能的改善和提高提供重要參考。

[1]中華人民共和國國家標準.GB/T 24725-2009,突起路標[S].北京:中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局, 2010.

[2]中華人民共和國交通部.JGJD81-2006,公路交通安全設施設計規范[S].北京:人民交通出版社,2006.

[3]中華人民共和國行業標準.JTJF71-2006,公路交通安全設施施工技術規范[S].北京:中華人民共和國交通部,2006.

[4]中華人民共和國交通運輸行業標準.JT/T 968-2015,突起路標膠粘劑膠接性能指標及試驗方法[S].中華人民共和國交通運輸部,2015.

[5]ANSYS結構分析單元與應用[M].北京:人民交通出版社, 2011.