邰永剛，趙 源

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191)

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長(zhǎng)大下坡路段隧道入口鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式研究

邰永剛1,2，趙 源2

(1. 交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100191)

針對(duì)長(zhǎng)大下坡路段隧道入口處的鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真方法分別對(duì)大型車(chē)和小型車(chē)與護(hù)欄的碰撞過(guò)程進(jìn)行了分析研究。研究結(jié)果表明：該鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)可達(dá)到SA級(jí)，有利于降低車(chē)輛尤其是大型車(chē)輛撞擊到隧道口壁的事故發(fā)生，有效降低長(zhǎng)下坡路段隧道入口處的事故嚴(yán)重程度。

道路工程；長(zhǎng)大縱坡；鋼護(hù)欄；計(jì)算機(jī)仿真；隧道入口；碰撞

0 引 言

長(zhǎng)大下坡路段安全問(wèn)題是近年廣受關(guān)注的問(wèn)題，相關(guān)研究成果也比較多，涉及事故成因、改善措施等各個(gè)方面，其中事故成因的研究包括駕駛員特性、車(chē)輛制動(dòng)器溫升模型預(yù)測(cè)、道路線(xiàn)形選擇等方面[1-4]，而改善措施包括加強(qiáng)宣傳、限速、分車(chē)道行駛、修建被動(dòng)防護(hù)設(shè)施等[5-6]。

但在特殊路段，例如長(zhǎng)大下坡結(jié)合隧道路段，由于受到各方面條件的限制，緊急避險(xiǎn)車(chē)道無(wú)法修建，護(hù)欄防護(hù)等級(jí)較低，且由于車(chē)輛在長(zhǎng)下坡路段速度高，隧道口缺乏足夠的安全防護(hù)設(shè)施，一旦有車(chē)輛失控直接撞擊隧道外側(cè)護(hù)欄或直接撞擊到隧道口壁，很容易引發(fā)嚴(yán)重的傷害事故。除普通波形梁護(hù)欄和橋梁護(hù)欄外，國(guó)內(nèi)外目前缺乏可供隧道入口使用的護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式。孟廣成等[7]研究了剛性護(hù)欄在隧道入口的設(shè)置方法，該方法主要是從護(hù)欄高度上對(duì)隧道口護(hù)欄進(jìn)行了研究，對(duì)于鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)沒(méi)有深入研究。鋼護(hù)欄相對(duì)于混凝土護(hù)欄，施工、養(yǎng)護(hù)更加便利，且視覺(jué)效果更好；雖然高等級(jí)鋼護(hù)欄造價(jià)偏高，但應(yīng)用在隧道入口時(shí)護(hù)欄設(shè)置長(zhǎng)度不需太長(zhǎng)，通常幾十米長(zhǎng)度即可滿(mǎn)足防護(hù)需求。

針對(duì)目前高速公路上隧道入口處護(hù)欄以波形梁護(hù)欄為主的現(xiàn)狀，筆者研究了一種鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式，該護(hù)欄結(jié)構(gòu)以普通梁柱式護(hù)欄為基礎(chǔ)，通過(guò)提高、加強(qiáng)等方法控制護(hù)欄變形量，降低車(chē)輛在與護(hù)欄碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的側(cè)傾，減少車(chē)輛直接碰撞隧道口壁事故的發(fā)生。

1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)形式

隧道口處波形梁護(hù)欄基礎(chǔ)一般有兩種形式，分別為打樁式和預(yù)埋螺栓(法蘭)式。打樁式基礎(chǔ)一般應(yīng)用于土路肩路段，部分隧道口處由于排水、通信管道等要求無(wú)法打樁，因此采用預(yù)埋式基礎(chǔ)；打樁式基礎(chǔ)強(qiáng)度受到土壤壓實(shí)度影響較大，且在南方多雨地帶土壤遇水后強(qiáng)度降低，更加不利于護(hù)欄的防護(hù)。由于隧道口處護(hù)欄變形要求盡量小，以防止車(chē)輛直接撞擊到隧道壁，因此在隧道口處建議采用預(yù)埋式基礎(chǔ)，但應(yīng)設(shè)置較強(qiáng)的基礎(chǔ)形式，包括預(yù)埋基礎(chǔ)、螺栓強(qiáng)度和法蘭強(qiáng)度等，以降低螺栓或法蘭損壞后的更換難度。

綜上所述，本研究中護(hù)欄基礎(chǔ)擬采用預(yù)埋式基礎(chǔ)，仿真計(jì)算時(shí)通過(guò)螺栓受力分析結(jié)果，選擇適當(dāng)?shù)穆菟ńY(jié)構(gòu)尺寸及法蘭尺寸。

1.2 上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 護(hù)欄高度設(shè)計(jì)

護(hù)欄高度越高，其防護(hù)范圍也越大，但護(hù)欄高度過(guò)高，護(hù)欄底部承受的彎矩會(huì)較大，需要通過(guò)增加護(hù)欄立柱底部強(qiáng)度等措施增強(qiáng)，相應(yīng)的會(huì)增加護(hù)欄的材料用量。車(chē)輛在與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，車(chē)輛的側(cè)傾在隧道口壁處是一項(xiàng)重大安全隱患，因此護(hù)欄的高度應(yīng)能最大限度的控制車(chē)輛的側(cè)傾，根據(jù)美國(guó)Roadside Design Guide[8]中護(hù)欄高度的計(jì)算方法，SA級(jí)護(hù)欄的整體高度不應(yīng)低于1.2 m；根據(jù)我國(guó)車(chē)型尤其是大型客車(chē)的車(chē)輛重心高度調(diào)研結(jié)果，大型及中型客車(chē)的重心高度一般都在1.2 m以上，某些大型旅游巴士的重心高度甚至超過(guò)1.5 m，因此護(hù)欄設(shè)計(jì)高度暫取為1.5 m。

1.2.2 橫梁設(shè)計(jì)

隧道入口護(hù)欄除橋梁護(hù)欄外，大多采用波形梁護(hù)欄，為更好的與波形梁護(hù)欄進(jìn)行銜接，護(hù)欄橫梁可采用圓形或矩形截面，矩形截面橫梁連接簡(jiǎn)單，截面慣性矩較大，因此本護(hù)欄設(shè)計(jì)中首選矩形截面橫梁。護(hù)欄高度1.5 m，橫梁(自下而上)高度(橫梁中心距路面)分別為：第1道橫梁高度0.308 m，主要考慮小型客車(chē)輪胎半徑一般在0.3 m左右，其主要作用是防止小客車(chē)的下鉆；第2道橫梁高度0.644 m，小客車(chē)前發(fā)動(dòng)機(jī)位置一般在0.6～0.8 m之間，因此設(shè)置此高度是使車(chē)輛在碰撞時(shí)能導(dǎo)向；第3道橫梁高度為1.04 m，主要是增強(qiáng)護(hù)欄上部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度；第4道橫梁高度為1.44 m，整體高度1.5 m，主要防止大型車(chē)輛側(cè)翻，橫梁尺寸按高120 mm×寬100 mm設(shè)計(jì)，厚度分別取上橫梁6 mm(2根)和下橫梁4 mm(2根)[9]，下橫梁主要用于防止小型客車(chē)的絆阻，并降低車(chē)輛碰撞時(shí)的重心減速度值，上橫梁在大型車(chē)碰撞時(shí)能控制護(hù)欄變形，攔截車(chē)輛并正常導(dǎo)向車(chē)輛，如圖1。

圖1 護(hù)欄橫梁與車(chē)輛位置對(duì)照Fig.1 Contrast of position between the rail beam and the vehicle

1.2.3 立柱設(shè)計(jì)

梁柱式護(hù)欄尤其是多橫梁梁柱式護(hù)欄，小客車(chē)碰撞時(shí)一般不會(huì)發(fā)生絆阻，因此立柱仍然以H型截面立柱為主，以便能給橫梁整體提供足夠的支撐力并控制護(hù)欄的變形，立柱以變截面設(shè)計(jì)，最大截面為立柱底面H200×200×6×8(mm)，最小截面為立柱頂面H100×200×6×8(mm)，立柱間距暫取2 m，在隧道口附近增加一根立柱，避免護(hù)欄變形過(guò)大，導(dǎo)致車(chē)輛撞擊檢修道或隧道口壁。

1.2.4 其他構(gòu)件設(shè)計(jì)

護(hù)欄橫梁與立柱之間采用螺栓連接，為防止凸出的螺栓帽刮蹭車(chē)輛，連接采用角鋼方式，使護(hù)欄面整體平順；護(hù)欄橫梁與橫梁之間采用套管連接的方式，螺栓豎向布置，連接方式如圖2。

圖2 護(hù)欄構(gòu)件連接方式Fig.2 Connection of the rail structure

1.2.5 整體方案布置

由雙波梁護(hù)欄到特殊護(hù)欄段，必須進(jìn)行高度、剛度的雙重過(guò)渡設(shè)計(jì)，過(guò)渡長(zhǎng)度不應(yīng)低于10 m；特殊護(hù)欄與隧道口的過(guò)渡是否合理直接決定車(chē)輛是否會(huì)碰撞到隧道口壁，因此其過(guò)渡長(zhǎng)度不宜太短，本設(shè)計(jì)中暫取L=L1+L2=12 m+10 m=22 m。孟廣成等[7]的研究明確指出：護(hù)欄如果直接延伸到隧道內(nèi)壁處，車(chē)輛在近隧道口處發(fā)生碰撞時(shí)容易發(fā)生側(cè)傾，會(huì)直接撞擊到隧道口壁，因此本研究將護(hù)欄逐漸過(guò)渡到檢修道邊緣，與隧道口壁不進(jìn)行連接。

該護(hù)欄的設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為5級(jí)(SA級(jí))，而公路路基護(hù)欄尤其是波形梁護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)一般為3級(jí)，本設(shè)計(jì)中要求過(guò)渡段應(yīng)逐級(jí)過(guò)渡，過(guò)渡段L1的等級(jí)宜在3、5級(jí)之間，為滿(mǎn)足要求，將護(hù)欄高度進(jìn)行降低并逐步減少橫梁根數(shù)，以使該護(hù)欄結(jié)構(gòu)具有較好的過(guò)渡效果，護(hù)欄整體方案如圖3。

圖3 護(hù)欄整體方案設(shè)計(jì)Fig.3 Whole structure design of the rail

2 護(hù)欄防護(hù)性能分析

根據(jù)我國(guó)最新頒布實(shí)施的JTG B 05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[10]要求，5級(jí)護(hù)欄需要滿(mǎn)足的碰撞條件如表1。護(hù)欄碰撞點(diǎn)位置如圖3，建立車(chē)-護(hù)欄的碰撞模型進(jìn)行仿真計(jì)算[11-15]。護(hù)欄評(píng)價(jià)指標(biāo)如表2。

表1 護(hù)欄碰撞條件

表2 SA級(jí)碰撞條件下評(píng)價(jià)結(jié)果

2.1 貨車(chē)碰撞分析

仿真結(jié)果表明，貨車(chē)在碰撞護(hù)欄后，車(chē)輛安全駛出，沒(méi)有撞擊到隧道口，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，車(chē)輛行駛軌跡及護(hù)欄變形如圖4，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量0.286 6 m。

圖4 貨車(chē)行駛軌跡及護(hù)欄變形Fig.4 Truck trajectory and guard rail deformation

2.2 中型客車(chē)碰撞分析

仿真結(jié)果表明，客車(chē)在碰撞護(hù)欄后，車(chē)輛安全駛出，沒(méi)有撞擊到隧道口，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求；車(chē)輛行駛軌跡及護(hù)欄變形如圖5。

圖5 客車(chē)行駛軌跡及護(hù)欄變形Fig.5 Bus trajectory and guard rail deformation

2.3 小客車(chē)碰撞分析

仿真結(jié)果表明，小客車(chē)在碰撞護(hù)欄后，車(chē)輛安全駛出，符合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，護(hù)欄變形較小。車(chē)輛行駛軌跡如圖6。

圖6 小客車(chē)行駛軌跡Fig.6 Car trajectory

2.4 地腳螺栓受力分析

根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果，客車(chē)碰撞時(shí)地腳螺栓受力最大，提取立柱柱腳螺栓最大受力，螺栓承受最大軸力230 kN，最大剪力170 kN。

螺栓采用8.8級(jí)高強(qiáng)度螺栓，按最大軸力230 kN進(jìn)行校核：

(1)

式中：σ為8.8級(jí)高強(qiáng)螺栓的抗拉強(qiáng)度值；F為單個(gè)螺栓承受載荷；As為螺紋部分危險(xiǎn)截面之計(jì)算面積。

按最大剪170 kN進(jìn)行校核：

(2)

式中：τ為螺栓的抗剪強(qiáng)度值，τ= 0.7σ。

綜合式(1)、式(2)計(jì)算結(jié)果，根據(jù)文獻(xiàn)[16]的標(biāo)準(zhǔn)件截面對(duì)比，選取螺栓的直徑不應(yīng)小于M24，公稱(chēng)截面積353 mm2。

3 結(jié) 語(yǔ)

長(zhǎng)大下坡隧道路段車(chē)輛速度較高，普通護(hù)欄無(wú)法滿(mǎn)足安全防護(hù)需求。筆者通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真方法，并參考護(hù)欄的剛度分配設(shè)計(jì)方法，研究了一種高等級(jí)鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式，該結(jié)構(gòu)形式將標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄與隧道洞壁進(jìn)行了剛度和高度雙重過(guò)渡，防護(hù)等級(jí)達(dá)到SA級(jí)(5級(jí))防護(hù)要求，可有效避免車(chē)輛與隧道口壁直接發(fā)生碰撞事故。

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Steel Rail Structure at Tunnel Entrance in Section of Long and Steep Downgrades

Tai Yonggang1, 2, Zhao Yuan2

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China; 2. Beijing Jiaoke Transport Consultants Co. Ltd., Beijing 100191, China)

According to the steel rail structure of tunnel entrance in section of the long and steep downgrades, the structure research on the steel rail structure at the tunnel entrance was carried out. The type of the steel structure was designed in the principle of the structure stiffness design, and the crash processes of large and small vehicles and rail were studied by the method of computer simulation. The results show that the protection level of the steel rail structure can reach SA level, and it is also good for reducing accidents of the vehicles especially large vehicles impacting to the tunnel entrance wall, which effectively reduces the severity of the accident at tunnel entrance in section of the long and steep downgrades.

road engineering; long and steep downgrades; steel rail; computer simulation; tunnel entrance; crash

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.13

2014-09-01；

2014-11-13

交通運(yùn)輸部西部交通科技項(xiàng)目(201231836520)

邰永剛(1979—)，男，山東諸城人，高級(jí)工程師，碩士，主要從事交通安全設(shè)施方面的研究。E-mail：bjcau@126.com。

U417.1

A

1674-0696(2015)05-065-04