尹京

（1.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081；2.高速鐵路軌道技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100081）

2018 年底中國(guó)鐵路營(yíng)業(yè)總里程達(dá)到13.2 萬(wàn)km，橋涵占比不斷提高。當(dāng)公路下穿鐵路橋梁時(shí)，為了防止超過(guò)橋下凈空高度的機(jī)動(dòng)車輛撞擊鐵路橋梁，保護(hù)鐵路運(yùn)營(yíng)安全，一般在鐵路橋梁兩側(cè)設(shè)置限高防護(hù)架。根據(jù)國(guó)務(wù)院頒布的國(guó)務(wù)院令第639 號(hào)《鐵路安全管理?xiàng)l例》，中國(guó)鐵路總公司制定了《“鐵跨公”立交橋涵限高防護(hù)架管理辦法》，規(guī)定凈高不大于5 m（可適當(dāng)預(yù)留公路抬高量）的“鐵跨公”立交橋涵應(yīng)設(shè)置限高防護(hù)架及限高、限寬、限速等標(biāo)志。截止2019年，我國(guó)已建、在建鐵路橋梁限高防護(hù)架共近10 萬(wàn)個(gè)。根據(jù)“條例”和“管理辦法”要求，鐵路相關(guān)部門須對(duì)部分既有橋梁增設(shè)限高防護(hù)架。

由于多方面原因，全國(guó)各地的限高防護(hù)架遭受超高車輛撞擊的事故時(shí)有發(fā)生［1-3］。由于限高防護(hù)架為剛性設(shè)計(jì)，主要起到阻攔撞擊車輛、保護(hù)鐵路橋涵結(jié)構(gòu)安全的作用，碰撞過(guò)程中會(huì)對(duì)撞擊車輛造成較為嚴(yán)重的破壞，威脅機(jī)動(dòng)車上人員安全。本文從結(jié)構(gòu)材料和吸能角度，探討纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在限高防護(hù)架中應(yīng)用的可行性，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和選型提供更多選擇。

1 鐵路限高防護(hù)架概況

我國(guó)鐵路頒布的專橋設(shè)（05）8184《鐵路橋限高防護(hù)架設(shè)計(jì)圖》通用圖中，限高防護(hù)架主要分為門式、三角支架式和桁架式3種形式。

1）門式限高防護(hù)架（圖1）適用范圍：路寬3.0 m以下，設(shè)計(jì)車輛質(zhì)量15 t，撞擊速度40 km/h。

圖1 門式限高防護(hù)架

2）三角支架式限高防護(hù)架（圖2）適用范圍：①路寬8.5 m 以下，設(shè)計(jì)車輛質(zhì)量20 t，撞擊速度60 km/h；②框架橋下路面寬度10.0 m以下。

圖2 三角支架式限高防護(hù)架

圖3 桁架式限高防護(hù)架

3）桁架式限高防護(hù)架（圖3）適用范圍：①路寬8.5 m 以下，設(shè)計(jì)車輛質(zhì)量20 t，撞擊速度60 km/h；②路寬20.75 m 以下，設(shè)計(jì)車輛質(zhì)量15 t 或30 t，撞擊速度80 km/h；③框架橋下路面寬度15.0 m以下。

限高防護(hù)架基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，部分立柱和斜撐采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)，橫梁為鋼結(jié)構(gòu)，與立柱鋼管焊接和栓接而成。限高防護(hù)架除承受自重和風(fēng)荷載外，必須具有足夠的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性，以承受機(jī)動(dòng)車輛的撞擊作用。在施工和使用過(guò)程中，限高防護(hù)架主要存在3方面的問題：

1）加工質(zhì)量不易控制。防護(hù)架采用鋼管焊接而成，鋼管之間相貫連接的焊接難度較大。若焊接質(zhì)量不好，在撞擊力不大的情況下連接處就有可能失效。

2）防護(hù)架自重較大，碰撞時(shí)如果傾倒或掉落，將會(huì)威脅機(jī)動(dòng)車輛上的人員安全。

3）防護(hù)架鋼結(jié)構(gòu)容易腐蝕，需定期養(yǎng)護(hù)維修。

2 復(fù)合材料的選型

復(fù)合材料的物理和力學(xué)性能與增強(qiáng)材料和基體材料的類型以及成型工藝密切相關(guān)，因此材料選型是保證復(fù)合材料性能滿足要求的關(guān)鍵。

2.1 基體材料

基體材料包括金屬基、陶瓷基、聚合物基等。其中使用最多的是聚合物基體材料。聚合物基體材料包括不飽和聚酯樹脂、乙烯基樹脂、環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂、聚氨酯等。

乙烯基樹脂（Vinyl Ester Resins，VER）是60 年代發(fā)展起來(lái)的新型樹脂，是國(guó)際公認(rèn)的高度耐蝕樹脂。乙烯基酯樹脂是一種環(huán)氧樹脂和含烯鍵的不飽和一元酸的加成產(chǎn)物。它獨(dú)特的分子結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的耐腐蝕性。 對(duì)于乙烯基酯（Sheet Molding Compound，SMC）樹脂來(lái)說(shuō)，在乙烯基酯樹脂的分子中引入羧基是常用的方法，它適用于堿金屬氧化物增稠。這種樹脂與不飽和聚酯樹脂相比，對(duì)玻璃纖維的浸潤(rùn)性好，流動(dòng)性更高。因此，乙烯基樹脂具有良好的耐熱性能、耐腐蝕性能和韌性，綜合了環(huán)氧樹脂優(yōu)良的機(jī)械性能，又具有類似不飽和聚酯樹脂的良好工藝特性和固化特性。

聚氨酯具有韌性好、固化快、無(wú)苯乙烯煙霧等優(yōu)點(diǎn)，在復(fù)合材料領(lǐng)域脫穎而出。聚氨酯拉擠制品一般具有低黏度、中度至高度反應(yīng)性、良好的沖擊強(qiáng)度和韌性、短梁剪切性能。與其他材料相比，用聚氨酯拉擠工藝可以提高制品中玻璃纖維的含量而使制品強(qiáng)度大大提高。隨著聚氨酯成型技術(shù)和延長(zhǎng)其適用期方法的進(jìn)步，聚氨酯已進(jìn)入長(zhǎng)期由不飽和聚酯樹脂和乙烯基樹脂主宰的復(fù)合材料領(lǐng)域。

2.2 增強(qiáng)材料

作為增強(qiáng)材料的纖維種類有很多，如碳纖維、玻璃纖維、玄武巖纖維、芳綸纖維等。其中，使用量最大、性價(jià)比最優(yōu)的是玻璃纖維。

玻璃纖維和聚氨酯基體材料采用拉擠成型工藝組成纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，具有如下特點(diǎn)［4-6］：①質(zhì)量輕，密度為2.1×103kg/m3；②比強(qiáng)度（縱向拉伸強(qiáng)度與其密度之比）高，比模量（縱向拉伸彈性模量與其密度之比）大，測(cè)試?yán)鞆椥阅Ａ繛?9.5 GPa；③材料性能具有可設(shè)計(jì)性和成型好等優(yōu)點(diǎn)，尤其適合管狀或槽形結(jié)構(gòu)；④抗腐蝕性和耐久性能好；⑤線膨脹系數(shù)與混凝土相近，相容性好。

2.3 復(fù)合材料的優(yōu)點(diǎn)

采用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料取代傳統(tǒng)的鋼管、鋼管混凝土等材料，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）在超限車輛撞擊結(jié)構(gòu)時(shí)，可以充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高強(qiáng)度特點(diǎn)，保證橋梁結(jié)構(gòu)安全，避免結(jié)構(gòu)的控制截面過(guò)早發(fā)生屈服破壞。

2）復(fù)合材料質(zhì)量遠(yuǎn)輕于傳統(tǒng)的鋼管或鋼管混凝土，可以減輕結(jié)構(gòu)自重，從而減小防護(hù)架破壞時(shí)對(duì)機(jī)動(dòng)車輛上人員的威脅。

3）纖維增強(qiáng)復(fù)合材料彈性模量小于鋼材，在結(jié)構(gòu)破壞前具有更大的變形，便于吸收更多的沖擊能量。此外，可在橫梁易碰撞區(qū)域包裹發(fā)泡吸能材料，更有效地實(shí)現(xiàn)碰撞時(shí)的局部吸能。

4）根據(jù)國(guó)外多年實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，復(fù)合材料在一般氣候條件下具有足夠的耐久性，沒有鋼材的銹蝕等問題，可以減少運(yùn)維部門的涂裝維修工作量。

因此，將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為鐵路橋限高防護(hù)架的材料具有合理性和可行性。

3 方案設(shè)計(jì)

專橋設(shè)（05）8184中給出了10種不同寬度、高度和結(jié)構(gòu)形式的防護(hù)架，各分類方案碰撞設(shè)計(jì)荷載和外形尺寸不同，其荷載作用方式相似。本文參考上述分類，采用玻璃纖維增強(qiáng)的聚氨酯拉擠復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱聚氨酯拉擠材料）進(jìn)行橫梁設(shè)計(jì)［7-9］。計(jì)算時(shí)進(jìn)行如下假定：①聚氨酯拉擠材料為正交異性材料，板厚方向與垂直纖維方向性能相同；②復(fù)合材料橫梁與鋼立柱連接暫時(shí)按固接考慮；③碰撞荷載作用于橫梁跨中區(qū)域，有效作用寬度按2 m計(jì)。

防護(hù)架模型加載如圖4所示。

圖4 防護(hù)架模型加載示意（單柱雙梁）（單位：kN）

計(jì)算荷載分為恒載和特殊荷載：①恒載，聚氨酯、拉擠材料質(zhì)量密度取2.1×103kg/m3。②特殊荷載，主要為汽車水平碰撞力（式（1）），按照J(rèn)TG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》條文說(shuō)明第3.5.5條規(guī)定，汽車碰撞力F由車速v（m/s）、碰撞角度θ、汽車質(zhì)量m（kg）、護(hù)欄變形值D（m）、車輛重心距前保險(xiǎn)杠距離C（m）、車輛寬度b等因素決定。

以5 m 高、路寬5 m 防護(hù)架為例，其設(shè)計(jì)車輛質(zhì)量為15 t，車速40 km/h，碰撞角度90°，護(hù)欄變形值取金屬橫梁下限值0.1 m，C為5.2 m，b為2 m，代入式（1）計(jì)算得到碰撞力F=280 kN。聚氨酯拉擠材料主要性能參數(shù)如表1 所示。表中字母下標(biāo)1 為纖維方向，即橫梁軸向，下標(biāo)2、下標(biāo)3 與下標(biāo)1 互為正交。計(jì)算得到防護(hù)架橫梁應(yīng)力，如圖5所示。

表1 聚氨酯拉擠材料性能參數(shù)

圖5 防護(hù)架橫梁應(yīng)力云圖（單位：MPa）

采用上述相同的計(jì)算方法，依次對(duì)通用圖中10種限高架方案進(jìn)行復(fù)合材料的初步設(shè)計(jì)，采用與原鋼管方案近似等強(qiáng)度設(shè)計(jì)原則，計(jì)算得到限高架結(jié)構(gòu)方案和截面尺寸見表2，限高架力學(xué)計(jì)算結(jié)果見表3。

由表2 可知：由于采用與原鋼管防護(hù)架等強(qiáng)度設(shè)計(jì)，2.5 m 高、路寬 3 m 的限高架截面形式為Ф200×18單柱單梁結(jié)構(gòu)，能夠滿足防護(hù)功能，優(yōu)于通用圖中原鋼管方案；其他路寬的限高架需采用2 根或4 根橫梁組成空間桁架形式，也可以滿足整體防護(hù)功能，優(yōu)于通用圖中相應(yīng)方案。

表2 限高架結(jié)構(gòu)方案和截面尺寸

表3 限高架力學(xué)計(jì)算結(jié)果

該復(fù)合材料在實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)得到材料平均最大拉伸強(qiáng)度為864 MPa，遠(yuǎn)高于鋼材屈服強(qiáng)度。由表3 可知，各種類限高架橫梁應(yīng)力均小于材料拉伸強(qiáng)度，抗沖擊能力強(qiáng)，說(shuō)明橫梁采用復(fù)合材料的方案優(yōu)于原方案。以最大的橫梁截面Ф250×18 為例，復(fù)合材料單梁結(jié)構(gòu)單位長(zhǎng)度的自重約為173 N/m，遠(yuǎn)小于鋼管或鋼管混凝土橫梁自重，發(fā)生掉落等情況時(shí)對(duì)車輛駕駛室中人員產(chǎn)生的威脅明顯降低，具有可行性。

為更有效地提高結(jié)構(gòu)吸能性能，可在橫梁中段區(qū)域的四周圍裹吸能緩沖材料，如發(fā)泡聚氨酯等，既可保護(hù)橫梁免受尖銳物體沖擊局部，也可吸收部分沖擊能量，提高限高架的防撞功能。

4 結(jié)論

本文提出了采用玻璃纖維與聚氨酯拉擠成型工藝加工鐵路橋限高防護(hù)架的方案，結(jié)構(gòu)破壞荷載可以滿足設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)自重較原鋼管或鋼管混凝土方案輕，掉落時(shí)對(duì)車輛駕駛室中人員的威脅降低，可充分發(fā)揮纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的高抗拉性能和輕質(zhì)化的特點(diǎn)，具有可行性。