玄武巖纖維復合材料梁-柱式護欄防撞性能

孫勝江,朱長華,2,梅葵花

(1.長安大學 公路學院,西安 710064;2.山東省交通規劃設計院，濟南 250031)

目前，公路橋梁護欄主要是鋼筋混凝土護欄和鋼護欄。對于鋼筋混凝土護欄，混凝土本身的剛度特別大，在碰撞過程中對車輛以及乘客的傷害也非常大；并且，鋼筋混凝土護欄由于自重非常大，對于一些對自重要求嚴格的大跨徑橋梁和鋼橋，混凝土護欄的適用性非常小。鋼護欄主要是梁柱式護欄，這種護欄的碰撞性能相比于鋼筋混凝土護欄有所改善，但是鋼護欄的使用壽命比較短，鋼護欄在一般的天氣條件下使用壽命約為15年。近年來，由于環境惡化嚴重，特別是酸雨、鹽霧等天氣時有發生，鋼護欄的使用壽命就顯得更短了。據有關學者研究，很多鋼護欄在未達到使用期就出現嚴重銹蝕等問題，因此而帶來的維修加固費用也非常龐大。所以尋求一種新型材料護欄對于護欄革新意義重大。

近些年，纖維增強復合材料(FRP)的出現使護欄材料革新出現了新的希望。FRP是連續纖維以樹脂為基體的復合材料，按纖維種類的不同又分為碳纖維增強復合材料(CFRP)、玻璃纖維增強復合材料(GFRP)、芳綸纖維增強復合材料(AFRP)以及玄武巖纖維復合材料(BFRP)等。FRP最顯著的特性：輕質、高強；抗腐蝕能力強，即耐久性好；彈性變形能力和抗疲勞能力強。在21世紀初，美國Russell Gentry和Lawrence C Bank教授曾對熱塑性GFRP護欄進行過研究，發現該護欄在彎曲破壞過程中能量吸收方面要優于傳統的鋼護欄，Bank等[1-2]在2001年，對拉擠成型的GFRP護欄做出更進一步的研究，并提出專利申請。在2003年，Dutta[3]對GFRP護欄進行設計、生產和測試，研究了不同厚度的波形梁護欄強度、剛度和沖擊特性，研究表明，GFRP護欄的強度、剛度和沖擊特性能夠滿足要求。計國慶[4]對玻璃纖維增強的乙烯基樹脂護欄進行碰撞試驗，發現該復合材料護欄在實車試驗中沒有發生破壞。金思宇等[5]對輕型熱塑性復合材料GF/PP護欄進行足尺實車試驗和LS-DYNA有限元模擬，驗證出該復合材料護欄符合公路護欄標準對安全性能的要求。

BFRP的耐酸、堿化學穩定性能和耐水性能大大優于GFRP，在室溫水溶液中，玄武巖纖維的吸水性遠低于無堿玻璃纖維，因而具有優異的防水能力；玄武巖纖維的拉伸強度與無堿(E)玻璃纖維相當，但其彈性模量是無堿玻璃纖維的1.5倍，是高強S玻璃纖維的1.9倍[6]，為滿足變形要求，GFRP護欄將需要更大的尺寸。雖然BFRP的價格稍高于相同體積的GFRP，但BFRP是一種綠色環保材料，且耐久性更好，鑒于目前GFRP護欄已經在實際中有應用，可以預計BFRP護欄將來也能夠應用到實際工程中。

目前關于BFRP護欄的研究極少，本文將對連續玄武巖纖維材料護欄進行研究。汽車-護欄碰撞安全性能的研究主要有2種方法：實車碰撞試驗和數值模擬。由于實車足尺碰撞試驗費用很高,且碰撞過程涉及的因素(碰撞速度、碰撞角度等)較多，一般都將其作為護欄最終確定的驗證。相比之下，數值模擬在時間和經濟性方面的優勢非常明顯。之前國內外有眾多學者利用有限元軟件LS-DYNA對傳統護欄的防撞性能進行研究和優化，該項技術已經趨于成熟[7-10]。故本文采用非線性顯式動力學軟件LS-DYNA模擬連續玄武巖纖維(BFRP)護欄的碰撞過程[11-13]，分析BFRP護欄在碰撞過程中的各種碰撞指標，以最新的《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)為依據，并與傳統的梁柱式護欄作對比，分析BFRP護欄在碰撞過程中的優缺點。

1 BFRP護欄簡介

1.1 連續玄武巖纖維簡介

連續玄武巖纖維是以玄武巖礦石為原材料，經1 500 ℃的高溫熔融拉絲拉制而成的連續纖維材料，是一種重量輕、成本低的環保型材料，其生產過程中不產生任何有害的氣體。其耐酸、耐堿性能也非常優異，故其使用壽命相比于鋼材要長的多。目前，連續玄武巖纖維可以制成的產品非常多，包括纖維筋、纖維布、纖維板材等。經過幾十年的發展，如今連續玄武巖纖維廣泛應用于基礎設施建設領域[14-15]。BFRP對沖擊荷載有良好的抵抗能力[16]，并且其彈性模量相比于鋼材要小，因而用作護欄時在碰撞過程中對于碰撞能量的吸收也優于鋼材。

目前，市場上連續玄武巖纖維復合材料型材價格約是型鋼價格的5.4倍，而鋼材的密度約是BFRP密度的4.7倍，考慮到兩種護欄厚度差異，BFRP護欄每延米的價格約是鋼材護欄價格的1.4倍，但BFRP一種綠色環保材料，且BFRP護欄自重小，運輸安裝方便，尤其值得稱道的是BFRP耐腐蝕能力強，能夠適用于各種惡劣環境，可以大大減少后期的養護維修費用；并且BFRP護欄在生產工藝方面還可以一體化、模型化生產。故綜合比較而言，BFRP護欄在全壽命周期內的成本較鋼護欄更有優勢。

1.2 連續玄武巖纖維復合材料參數

本文所選取的連續玄武巖纖維復合材料為吉林通鑫玄武巖科技股份有限公司所生產。目前，連續玄武巖纖維可以布置在面內兩個方向，該類型復合材料面內兩個方向具有相同的性能參數，所用材料的參數見表1(表中Y方向為順橋方向，X方向為橫橋方向，Z方向為豎向)。

表1 BFRP參數Tab.1 Parameters of BFRP

1.3 護欄構造

根據《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2006)[17]對橋梁護欄的要求，考慮到BFRP的彈性模量相對較小，對BFRP梁柱式護欄設計如下：橫梁采用寬長為100 mm×100 mm的箱形斷面，壁厚為12 mm；立柱采用寬長為120 mm×140 mm的箱形斷面，壁厚為11 mm，立柱高為1.3 m，采用7跨立柱模型，每個立柱間距為2.5 m，具體見圖1。將傳統的鋼制梁柱式護欄作為對比組，由于鋼的彈性模量相對較大，鋼護欄如果采用與BFRP護欄相同的厚度，則其碰撞性能更差，故在滿足《公路交通安全設施設計規范》(JTG D81—2006)要求的前提下，將鋼護欄的立柱和橫梁厚度減小。鋼護欄截面尺寸與BFRP護欄尺寸相同，但立柱壁厚為5 mm，橫梁壁厚為6 mm。若立柱和橫梁厚度減小后的鋼護欄的碰撞性能比BFRP護欄差，則更能說明BFRP護欄在防撞性能方面的優越性。

圖1 梁柱式BFRP護欄Fig.1 BFRP beam-column guardrail

2 護欄碰撞仿真系統

2.1 汽車模型

為了分析不同車型與護欄碰撞過程中的力學性能，本文中分別選取了1.5 t的小汽車和10 t的大貨車，小汽車共有5 025個節點，5 337個單元：大貨車總共有38 955個節點，36 539個單元。汽車模型見圖2和圖3。

圖2 小汽車模型Fig.2 The finite element model of car

圖3 大貨車模型Fig.3 The finite element model of truck

2.2 模型單元和材料類型選擇

對于汽車模型，主要采用殼單元(SectShell)；對于發動機的構建采用實體單元(SectSolid)，材料類型采用MATL24號彈塑性材料；而對于連續玄武巖纖維復合材料，選取的也是殼單元(SectShell)，材料類型選取MATL54_55材料模型。復合材料的失效準則采用Chang-chang失效準則[18-20]，這種失效準則對于復合材料的變形過程非常適用。

2.3 模型系統控制要點

整個護欄碰撞系統是一個龐大而復雜的系統，系統有重要的控制點，例如部件之間的連接、接觸類型、接觸算法等。對于車輛之間的連接，采用焊點連接(Spotweld)，而對于護欄之間的連接，按高強螺栓(Bolts)連接進行模擬。對于接觸類型的選取，護欄之間的接觸類型采用自動點-面接觸，車輛之間的接觸類型采用自動面-面接觸，汽車與護欄之間的接觸類型采用自動面-面接觸。小汽車與護欄碰撞系統見圖4。

圖4 護欄碰撞系統Fig.4 Collision system

3 護欄碰撞仿真性能驗證

驗證護欄碰撞仿真性能的一個重要因素就是沙漏能，一般認為系統沙漏能控制在10%以下則認為碰撞過程仿真性能良好[21]。在本文的碰撞過程中，各種能量轉化關系見圖5。

圖5 碰撞能量圖Fig.5 The chart of energy conversion

由圖5可知，整個碰撞過程的沙漏能約占用能量的9%，故本文碰撞過程仿真性能良好。

4 護欄碰撞仿真結果分析

為了研究新型BFRP護欄的可行性，本文以《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)[22]為基準，探討新型護欄導向功能和防撞性能，防撞分析對比指標為碰撞后座椅位置處加速度的最大值以及碰撞過程護欄能量的吸收情況。小汽車碰撞速度為100 km/h，大貨車碰撞速度為60 km/h，碰撞角度均為20°。

4.1 護欄的導向功能

橋梁護欄在碰撞過程中需要對碰撞車輛起到有效的導向作用，不能出現翻越、騎跨及穿越護欄的現象。本文設計的護欄在分別受小汽車和大貨車碰撞過程中均沒有出現材料失效的現象，并且BFRP護欄對車輛具有良好的導向功能，沒有出現翻越、騎跨及穿越護欄的現象，其中0.05 s、0.25 s、0.5 s和1.25 s時貨車碰撞過程見圖6。

(a)0.05 s碰撞圖

(b)0.25 s碰撞圖

(c)0.5 s碰撞圖

(d)1.25 s碰撞圖圖6 貨車碰撞過程Fig.6 The collision process of truck

4.2 護欄的緩沖功能

對于護欄緩沖功能的描述，主要是分析碰撞后縱橫向最大加速度值，碰撞過程中最大加速度值越小，護欄緩沖功能越好，對于車輛和乘員的損傷也越小。《公路護欄安全性能評價標準》(JTG B05-01—2013)中4.2.2條規定，碰撞后乘員位置處加速度的橫向(X方向)與縱向(Y方向)分量均不得大于200 m/s2(約20g，g為重力加速度，取9.81 m/s2)。

4.2.1 對小汽車緩沖功能

利用后處理軟件HyperView提取小汽車碰撞過程中車輛座椅處X、Y方向加速度值，具體見圖7和圖8。BFRP護欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為16.88g，Y方向最大加速度值為11.33g，均小于規范中的20g，故滿足規范要求。鋼護欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為18.92g，Y方向最大加速度值為12.30g。可見，BFRP護欄在與小汽車碰撞過程中X、Y方向加速度值都要小于鋼護欄。

圖7 碰撞過程X方向加速度曲線Fig.7 The acceleration of X-direction

圖8 碰撞過程Y方向加速度曲線Fig.8 The acceleration of Y-direction

4.2.2 對大貨車緩沖功能

大貨車在碰撞過程中車輛座椅處X、Y方向加速度曲線見圖9和圖10。BFRP護欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為10.43g，Y方向最大加速度值為11.61g，小于規范中的20g，故滿足規范要求。鋼護欄在碰撞過程中的X方向最大加速度值為11.81g，Y方向最大加速度值為14.46g。可見，BFRP護欄在與大貨車碰撞過程中X、Y方向加速度值都要小于鋼護欄。

圖9 碰撞過程X方向加速度曲線Fig.9 The acceleration of X-direction

4.3 碰撞過程護欄能量吸收

橋梁護欄在碰撞過程中除了要具有阻擋、導向功能，還應具備良好的吸能特性，故在碰撞過程中能量的轉換也是評價護欄碰撞性能好壞的一個重要指標。在HyperMesh后處理軟件HyperView中可以對碰撞過程中每個構件的能量吸收做出統計，本次有限元模擬過程中，在小汽車碰撞過程中兩種材料的護欄能量吸收情況見圖11。

圖10 碰撞過程Y方向加速度曲線Fig.10 The acceleration of Y-direction

圖11 能量吸收對比圖Fig.11 The comparison chart of energy absorption

由圖11可見，橫梁在碰撞過程中吸收了大量能量，并且BFRP護欄立柱和橫梁在碰撞過程中的能量吸收值相比于鋼護欄都要高，BFRP護欄吸收總能量約100 kJ，鋼護欄吸收總能量約60 kJ，BFRP護欄緩沖功能要優于鋼護欄，即BFRP護欄在碰撞過程中對于車輛的損害也小。

結合4.2和4.3，可以得出，BFRP護欄相比于鋼護欄有著更好的防撞性能。

5 結 論

本文通過CAE軟件HyperMesh建立BFRP護欄碰撞系統，利用非線性顯式動力學軟件LS-DYNA模擬碰撞過程，得到以下結論：

(1)碰撞過程中系統沙漏能小于10%的總能量，說明本文有限元模擬過程具有良好的仿真性能，能夠真實的反映出碰撞過程。

(2)通過分析車輛與BFRP護欄在碰撞過程的行駛軌跡，可以看出BFRP護欄對車輛有著良好的導向功能。

(3)車輛與BFRP護欄在碰撞過程中座椅位置處的橫(X)、縱(Y)加速度值均小于規范容許值，可以看出BFRP護欄對車輛有著良好的緩沖功能。

(4)通過對比BFRP護欄與鋼護欄碰撞過程中的加速度和碰撞能量，發現BFRP護欄能夠更好地降低車輛的加速度值，也能夠更好地吸收碰撞能量，可見BFRP護欄的防撞性能優于鋼護欄。

(5)本文設計的BFRP護欄可以作為實際生產設計依據，但需要實車碰撞試驗更進一步的驗證。