高玉恒，陳 慧，李志強(qiáng)，劉孔杰

(1.河北省高速公路石安管理處，河北石家莊050031;2.北京深華達(dá)交通工程檢測有限公司，北京102208)

我國高速公路上使用的護(hù)欄按里程來計算，波形梁護(hù)欄占絕對優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，京珠高速公路河北段除橋梁上采用混凝土護(hù)欄以外，其它路段路側(cè)和中分帶全部采用波形梁鋼護(hù)欄，波形梁鋼護(hù)欄的里程占公路全長90%以上。筆者以石安高速為依托來開展波形梁護(hù)欄維修技術(shù)研究。通過對石安高速調(diào)查得出，波形梁護(hù)欄的損壞相當(dāng)頻繁。然而，目前國內(nèi)的波形梁護(hù)欄維修技術(shù)正處于起步階段，護(hù)欄的損壞等級確定及護(hù)欄維修方案的選擇還沒有確切的參考規(guī)范，使得護(hù)欄維修過程操作混亂，護(hù)欄經(jīng)維修后難以達(dá)到原有的防護(hù)等級［1］。

以波形梁護(hù)欄的損壞情況為基礎(chǔ)，分析研究波形梁護(hù)欄損壞指標(biāo)模型，損壞指標(biāo)值經(jīng)驗(yàn)證后，結(jié)合護(hù)欄的實(shí)際損壞情況，從而得出波形梁護(hù)欄的損壞等級劃分方法。

1 波形梁護(hù)欄損壞機(jī)理及形態(tài)

1.1 損壞機(jī)理

當(dāng)波形梁護(hù)欄在事故中遭受到車輛的碰撞時，護(hù)欄部件的受力損壞機(jī)理如下［2］:

1)當(dāng)車輛與護(hù)欄板發(fā)生碰撞時，護(hù)欄通過護(hù)欄板變形的吸能效用、護(hù)欄板自身材料力學(xué)性能、立柱對其產(chǎn)生的拉力來承受車輛撞擊。在撞擊力的作用下，護(hù)欄板會發(fā)生曲面延展、橫向(垂直于道路的延伸方向)彎曲變形甚至發(fā)生斷裂;立柱會橫向傾斜、折斷，并且其基礎(chǔ)也會產(chǎn)生剪切破壞;防阻塊也會產(chǎn)生受拉變形;螺栓會產(chǎn)生剪切破壞。

2)當(dāng)車輛與護(hù)欄立柱發(fā)生碰撞時，護(hù)欄通過立柱自身材料的力學(xué)性能、護(hù)欄板對其產(chǎn)生的拉力、立柱基礎(chǔ)土體的錨固力及防阻塊的緩沖作用來承受車輛的撞擊。此時，在車輛撞擊力的作用下:護(hù)欄立柱本身會發(fā)生傾斜甚至是橫向傾斜、折斷，并且其基礎(chǔ)也會產(chǎn)生剪切破壞;護(hù)欄板會橫向彎曲變形甚至崩斷;防阻塊也會產(chǎn)生擠壓變形。

1.2 損壞形態(tài)

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，護(hù)欄各主要部件的損壞形態(tài)如下:

1)護(hù)欄板損壞以曲面延展和橫向彎曲為主，受力過大會發(fā)生崩斷;在與車輛的刮擦過程中也會發(fā)生不同程度的刮蹭損壞。

2)隨著破壞程度的不同，護(hù)欄立柱損壞有傾斜、傾倒和折斷3種。

3)立柱基礎(chǔ)不是護(hù)欄的直接組成部分，但其對護(hù)欄的防撞性能影響很大，并且基礎(chǔ)損壞最直接影響到立柱的傾斜程度;基礎(chǔ)表面可以看到的破壞主要有土體松散和開裂兩種。

2 波形梁護(hù)欄損壞指標(biāo)

美國NCHRP Report 656縱向護(hù)欄維修標(biāo)準(zhǔn)中，維修指標(biāo)是有關(guān)于護(hù)欄整體和各部件的損壞指標(biāo)［3］?；趯ψo(hù)欄的受力損壞機(jī)理和國內(nèi)護(hù)欄實(shí)際損壞狀態(tài)的定性了解，護(hù)欄各部件的損壞形態(tài)各異，假如損壞指標(biāo)從護(hù)欄整體損壞狀態(tài)來考慮，不能很好體現(xiàn)出護(hù)欄的具體損壞情況以及各部件的損壞嚴(yán)重程度。并且，從對護(hù)欄維修現(xiàn)狀的調(diào)研得出，國內(nèi)護(hù)欄維修根據(jù)損壞部件及損壞程度的不同，其維修方法也有所不同;只有從部件的損壞情況著手來分析損壞指標(biāo)才有益于制定合理的護(hù)欄維修方案。

因此，將損壞指標(biāo)從護(hù)欄板和立柱兩大部件上分開來考慮，波形梁護(hù)欄損壞指標(biāo)的選擇定位于概念直觀、可量化、獲取方便、易判斷損壞情況等4個方面。通過對波形梁護(hù)欄板、立柱、防阻塊及基礎(chǔ)等各部分的損壞指標(biāo)相關(guān)分析，將護(hù)欄板最大撓度值和立柱頂部偏移量作為護(hù)欄損壞評價指標(biāo)。

3 波形梁護(hù)欄損壞指標(biāo)分析模型

3.1 護(hù)欄板損壞指標(biāo)分析模型

在事故中，波形梁護(hù)欄的受力過程是一個動態(tài)變化的，并且護(hù)欄在動態(tài)受力情況下是其他部件會協(xié)同護(hù)欄板受力，護(hù)欄板的動態(tài)變形量也包括了其他部件受力而引起的變形［4］。然而，在維修時工作人員能夠得到的是一個靜態(tài)的變形量，為了使理論值更接近測量值和簡化計算，采用簡支梁模型來分析護(hù)欄板在受力作用下變形情況。在簡支梁中，其最大撓度值為中點(diǎn)處的撓度值。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，不論簡支梁受到什么荷載作用，只要撓曲線上無拐點(diǎn)，其最大撓度值都可用梁跨中點(diǎn)處的撓度值來代替，其精確度能滿足工程計算需要［5］。因此，確定計算模型中荷載作用位于梁的中點(diǎn)，護(hù)欄板的受力簡化圖如圖1。

圖1 護(hù)欄板受力理論模型Fig.1 Guardrail beam mechanical model

3.2 護(hù)欄立柱損壞指標(biāo)分析模型

由于波形梁護(hù)欄的立柱頂部偏移量由立柱材料性能引起撓度和基礎(chǔ)土體損壞造成的傾斜兩部分組成，故分兩部分來分析。

3.2.1 護(hù)欄立柱材料變形量

雖然土基對護(hù)欄立柱的錨固力有影響，但是在此部分中主要驗(yàn)證護(hù)欄立柱本身的材料性能，因此假設(shè)土基與立柱是固結(jié)，對護(hù)欄的最大撓度沒有影響。將立柱當(dāng)作懸臂梁來分析，護(hù)欄立柱的受力簡化見圖2。

圖2 護(hù)欄立柱受力理論模型Fig.2 Guardrail column mechanical model

3.2.2 基礎(chǔ)土體損壞造成傾斜位移

采用護(hù)欄立柱基礎(chǔ)土體處于極限平衡狀態(tài)下的護(hù)欄立柱頂部位移S(圖3)作為土體損壞對立柱防護(hù)能力的影響指標(biāo)。立柱頂部位移S通過建立有限元模型來進(jìn)行計算分析得到。

圖3 立柱頂部位移Fig.3 Guardrail column top-displacement

分析中采用MIDAS軟件建立護(hù)欄立柱和護(hù)欄板有限元模型，計算立柱在最大碰撞力時頂部位移。在模擬立柱與土之間作用時，把土體視為地基彈簧，只受壓不受拉，而且隨著深度增加土體對立柱的抗力系數(shù)越來越大。有限元分析模型及計算分析的具體情況見圖4、圖5。

圖4 護(hù)欄有限元模型Fig.4 Guardrail finite element model

圖5 護(hù)欄力學(xué)變形Fig.5 Guardrail mechanical deformation

4 波形梁護(hù)欄損壞等級劃分

采用上述分析模型對護(hù)欄各主要部件損壞指標(biāo)進(jìn)行分析得到護(hù)欄等級指標(biāo)值，具體分析結(jié)果見表1、表2。

表1 護(hù)欄板最大撓度值Table 1 The maximum deflection calculated value of guardrail beam

從表1中可看出，當(dāng)護(hù)欄板的受力達(dá)到235號鋼的強(qiáng)度極限［6］，此時護(hù)欄板損壞最嚴(yán)重，完全失去了防護(hù)能力;當(dāng)護(hù)欄板的受力處于235號鋼的屈服強(qiáng)度和強(qiáng)度極限之間，此時護(hù)欄板發(fā)生了彎曲變形，但還具有一定的防護(hù)能力;當(dāng)護(hù)欄板的受力未達(dá)到235號鋼的屈服強(qiáng)度，此時護(hù)欄板產(chǎn)生輕微變形，在碰撞過程中損失了較小的防護(hù)能力。

表2 立柱頂部偏移量Table 2 Guardrail column top-offset

由表2知，當(dāng)立柱受到大于等于100 kN碰撞力時，其周圍的土體嚴(yán)重剪切損壞且頂部位移大于141 mm，立柱的防護(hù)能力損失嚴(yán)重;當(dāng)立柱受到大于等于93 kN碰撞力時，其周圍的土體發(fā)生剪切損壞且頂部位移在131～141 mm之間，立柱的防護(hù)能力損失;當(dāng)立柱受到碰撞力小于93 kN時，其周圍的土體未發(fā)生剪切損壞且頂部位移小于131 mm，立柱的防護(hù)能力損失較小。

護(hù)欄損壞等級的劃分是根據(jù)護(hù)欄在碰撞力作用下的損壞程度來進(jìn)行的。以表1和表2中的理論指標(biāo)值為基礎(chǔ)，綜合考慮驗(yàn)證后的指標(biāo)值和護(hù)欄在實(shí)際中的損壞情況，將護(hù)欄損壞等級劃分為3個等級;考慮到防阻塊，螺栓、墊片等小部件在養(yǎng)護(hù)過程中更換操作不復(fù)雜［7］，且實(shí)際維修中以更換新件為主，故未將小部件的損壞情況納入到損壞等級劃分中。具體的等級劃分如下:

1)損壞嚴(yán)重。護(hù)欄板豎向撕裂或斷裂;護(hù)欄板最大撓度值等于或大于425 mm;立柱缺失，沿著紋理開裂;路側(cè)護(hù)欄立柱頂部偏移量等于或大于141 mm;中分帶護(hù)欄立柱頂部偏移量等于或大于232 mm。

2)損壞較嚴(yán)重。連接螺栓和防阻塊缺失、損壞;相鄰兩根立柱間，護(hù)欄板的最大撓度值在266～425 mm之間;路側(cè)護(hù)欄立柱頂部偏移量在131～141 mm之間;中分帶護(hù)欄立柱頂部偏移量在216～232 mm之間。

3)損壞一般。相鄰兩根立柱間，護(hù)欄板的最大撓度值小于266 mm;路側(cè)護(hù)欄立柱頂部偏移量小于131 mm;中分帶護(hù)欄立柱頂部偏移量小于216 mm。

5 波形梁護(hù)欄維修方案

根據(jù)實(shí)際調(diào)查中了解到護(hù)欄各部件損壞后的維修情況，針對波形梁護(hù)欄各部件的損壞等級提出了相應(yīng)的護(hù)欄維修方案［8］如下:

1)損壞嚴(yán)重。更換護(hù)欄板以及其他部件(防阻塊，螺栓等);按照J(rèn)TG F 10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》［8］修筑立柱基礎(chǔ)。更換護(hù)欄立柱以及其他部件(防阻塊，螺栓等)。

2)損壞較嚴(yán)重。補(bǔ)齊、更換螺栓;校正護(hù)欄板;更換其他部件(防阻塊，螺栓等);補(bǔ)齊、更換防阻塊;采用施工機(jī)械夯實(shí)地基，并達(dá)到《規(guī)范》［8］要求;采用合適的方法對立柱校正或是維修(如焊接法、套管法、打樁法等);更換其他部件(防阻塊，螺栓等)。

3)損壞一般?？刹恍Ｕ蚋鼡Q護(hù)欄板;可不須校正或是更換立柱;壓實(shí)表面松土層，并達(dá)到《規(guī)范》［8］要求。

6 結(jié)語

以石安高速護(hù)欄損壞維修為依托進(jìn)行護(hù)欄損壞等級劃分方法研究，得出以下結(jié)論:

1)根據(jù)護(hù)欄的損壞機(jī)理分析，綜合護(hù)欄部件的實(shí)際損壞情況，護(hù)欄各部件的損壞形態(tài)各不相同。護(hù)欄板的損壞主要是彎曲、撕裂(斷裂)，立柱的損壞主要是有傾斜、傾倒和折斷3種。

2)在對護(hù)欄損壞機(jī)理分析及護(hù)欄部件損壞情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒美國的維修指標(biāo)研究成果，國內(nèi)護(hù)欄損壞評價指標(biāo)采用護(hù)欄板最大撓度和立柱頂部偏移量，并將波形梁護(hù)欄的損壞等級劃分3個等級。

3)波形梁護(hù)欄損壞等級劃分方法研究為明確護(hù)欄維修方案提供了依據(jù)，可在一定程度上避免護(hù)欄維修方法選用的盲目性，規(guī)范波形梁護(hù)欄的維修。

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