莊明融，王 新，亢寒晶

(1.廣東省公路學(xué)會(huì),廣州 510100；2.北京華路安交通科技有限公司,北京 100070)

0 引言

橋梁護(hù)欄防撞能力的高低在大橋運(yùn)營(yíng)期對(duì)過(guò)往車輛的安全防護(hù)性起著決定性的作用，而護(hù)欄的造價(jià)也是橋梁投資建設(shè)工程造價(jià)的重要組成部分。如果設(shè)計(jì)的護(hù)欄防撞能力不足，那么車輛碰撞護(hù)欄后可能會(huì)沖出橋面發(fā)生墜橋事故；如果護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)性能過(guò)大，將會(huì)造成橋梁的建設(shè)投資增大和養(yǎng)護(hù)成本過(guò)高，引起資源和人力的浪費(fèi)。因此，在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)安全等級(jí)的情況下，對(duì)護(hù)欄進(jìn)行合理優(yōu)化設(shè)計(jì)，以使工程建設(shè)既滿足安全要求，又具有良好的經(jīng)濟(jì)性，是十分必要的。

本文介紹采用實(shí)車足尺試驗(yàn)校核原設(shè)計(jì)護(hù)欄是否滿足目標(biāo)設(shè)計(jì)安全等級(jí)，按照等效強(qiáng)度原則對(duì)原設(shè)計(jì)配筋方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真分析方法對(duì)優(yōu)化后的護(hù)欄做安全分析，最后對(duì)原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行比較分析。

1 碰撞條件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

護(hù)欄設(shè)計(jì)目標(biāo)防撞等級(jí)為SS級(jí)(520kJ)，根據(jù)規(guī)范[1]可以確定該級(jí)護(hù)欄碰撞試驗(yàn)條件(表1)。

表1 碰撞條件

根據(jù)美國(guó)的NCHRP350和歐盟的EN1317并結(jié)合我國(guó)實(shí)際道路情況編寫(xiě)的《高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》，對(duì)護(hù)欄的防護(hù)性能提出了明確的要求。具體的護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)可歸納為：

(1)車輛碰撞護(hù)欄過(guò)程中不發(fā)生騎跨、穿越、翻越護(hù)欄等現(xiàn)象，碰撞過(guò)程中護(hù)欄脫離組件及碎片不能侵入駕駛室內(nèi)，阻擋駕駛員視線。

(2)車輛駛出角應(yīng)小于碰撞角的60%，碰撞后車輛恢復(fù)正常的行駛姿態(tài)，不得發(fā)生橫轉(zhuǎn)和掉頭等現(xiàn)象。

(3)小客車車體重心處10ms平均加速度的最大值不超過(guò)20g。

(4)護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量≤50cm。

2 原設(shè)計(jì)試驗(yàn)校核

原設(shè)計(jì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)為：混凝土護(hù)欄坡面形式選用加強(qiáng)型護(hù)欄的標(biāo)準(zhǔn)坡面，路面以上有效高度為1.1m，頂寬25.2cm，底寬50cm。墻體橫斷面鋼筋選用HRB335，直徑為10mm、12mm；縱向鋼筋選用HRB335，直徑為10mm；預(yù)埋筋采用HRB335，直徑為16mm；設(shè)置間距均為100mm。施工工藝為現(xiàn)澆。原設(shè)計(jì)橋側(cè)護(hù)欄截面和配筋如圖1所示。

根據(jù)表1的碰撞條件組織易造成重大人員傷亡的小客車和大客車進(jìn)行足尺實(shí)驗(yàn)，校核原設(shè)計(jì)護(hù)欄是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)防護(hù)等級(jí)要求。實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖1 原設(shè)計(jì)截面和配筋(單位：mm)

圖2 小客車碰撞結(jié)果

圖3 大客車碰撞結(jié)果

圖4 護(hù)欄碰撞結(jié)果

通過(guò)實(shí)車試驗(yàn)，可以看到車輛與護(hù)欄碰撞后整體結(jié)構(gòu)完好，車體變形不嚴(yán)重，造成的破壞較?。慌鲎埠蟮淖o(hù)欄變形較小，僅護(hù)欄頂部的混凝土部分脫落。碰撞試驗(yàn)表明，原護(hù)欄設(shè)計(jì)達(dá)到目標(biāo)防護(hù)等級(jí)，能起到安全防護(hù)的作用，因此針對(duì)原護(hù)欄的優(yōu)化設(shè)計(jì)就主要集中于優(yōu)化改進(jìn)配筋方案，以提高護(hù)欄的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真校核

3.1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原護(hù)欄根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D81-2006)和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/T D81-2006)設(shè)計(jì)，但護(hù)欄墻體配筋設(shè)計(jì)與已有研究成果相比較為保守，具有一定的優(yōu)化空間。

優(yōu)化方案用HRB400鋼筋替換原設(shè)計(jì)中的HRB335鋼筋。從安全性、經(jīng)濟(jì)性和規(guī)范符合性角度出發(fā)，依據(jù)“等強(qiáng)原則”對(duì)護(hù)欄墻體配筋形式及鋼筋型號(hào)進(jìn)行合理優(yōu)化。主要優(yōu)化結(jié)果為：墻體鋼筋型號(hào)由HRB335，直徑10mm、12mm、16mm優(yōu)化為HRB400，直徑10mm、12mm、16mm；單側(cè)縱向鋼筋數(shù)量由22根優(yōu)化為16根，豎向鋼筋設(shè)置間距由100mm優(yōu)化為200mm；原設(shè)計(jì)翼緣板預(yù)埋鋼筋型號(hào)為HRB335，直徑16mm改為HRB400，直徑16mm，預(yù)埋鋼筋間距由100mm優(yōu)化為200mm。優(yōu)化后的配筋如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后橋側(cè)配筋

3.2 計(jì)算機(jī)仿真安全評(píng)價(jià)

采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)校核驗(yàn)證的仿真模型參數(shù)[5]，建立小客車、大客車和大貨車碰撞護(hù)欄仿真模型，按照表1中的碰撞條件對(duì)優(yōu)化后的護(hù)欄安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。主要模擬各種車輛的行駛姿態(tài)、行駛軌跡，特別是對(duì)小客車重心的x-y方向10ms平均加速度的變化過(guò)程進(jìn)行計(jì)算。參考?xì)W盟BSEN1317標(biāo)準(zhǔn)在計(jì)算車輛軌跡中采用車輛軌跡框來(lái)評(píng)價(jià)：車輛在距碰撞駛離點(diǎn)后W距離內(nèi)應(yīng)不越過(guò)與護(hù)欄距離為E的平行線。車輛碰撞軌跡框的具體選取方法如圖6所示。

圖6 車輛行駛軌跡框

E的計(jì)算表達(dá)式為：

E=A+車寬+車長(zhǎng)×0.16

(1)

其中：對(duì)于小型客車，參數(shù)A=2.2m，W=10m；對(duì)于其他車輛，參數(shù)A=4.4m，W=20m。仿真模擬中各車輛的軌跡框參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 各型車輛的E和W (單位：m)

圖7 小客車碰撞優(yōu)化后橋側(cè)混凝土護(hù)欄仿真結(jié)果

從圖7的仿真結(jié)果可以看出，小客車碰撞后行駛姿態(tài)平穩(wěn)，護(hù)欄變形很??；小客車的行駛軌跡能通過(guò)導(dǎo)向駛出框試驗(yàn)；小客車重心的x-y方向10ms平均最大加速度值遠(yuǎn)小于20g。

圖8 大客車碰撞優(yōu)化后橋側(cè)混凝土護(hù)欄仿真結(jié)果

通過(guò)數(shù)值仿真可以看到：大客車按照碰撞條件撞擊護(hù)欄后，會(huì)發(fā)生一定程度的側(cè)傾，但行駛姿態(tài)能保持平穩(wěn)，且行駛軌跡能通過(guò)導(dǎo)向駛出框試驗(yàn)。

通過(guò)數(shù)值仿真可以看到：大貨車按照碰撞條件撞擊護(hù)欄后，右后輪騰空，發(fā)生一定程度的側(cè)傾，但總體行駛姿態(tài)依然能夠保持平穩(wěn)，且行駛軌跡能通過(guò)導(dǎo)向駛出框試驗(yàn)。

在本節(jié)中采用經(jīng)過(guò)校核的有限元模型，對(duì)優(yōu)化改進(jìn)后的護(hù)欄的安全性進(jìn)行了分析。分別計(jì)算模擬小客車、大客車和大貨車與優(yōu)化后的橋側(cè)護(hù)欄發(fā)生碰撞后的行駛姿態(tài)、行駛軌跡等指標(biāo)。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行分析可以看出，優(yōu)化改進(jìn)后的護(hù)欄能起到很好的防護(hù)作用，護(hù)欄達(dá)到了原設(shè)計(jì)的目標(biāo)等級(jí)。同時(shí)，該護(hù)欄優(yōu)化成果已在潮惠高速公路橋梁橋側(cè)位置進(jìn)行了應(yīng)用，綜合使用效果良好。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

對(duì)橋側(cè)護(hù)欄設(shè)計(jì)在滿足安全性的條件下，優(yōu)化改進(jìn)最重要的是要能降低工程投資建設(shè)的成本，提高工程的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。在工程建設(shè)成本中，建筑材料的消耗，特別是鋼材的消耗量占了很大的比重，因此針對(duì)原設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的工程材料用量作比較，見(jiàn)表3。

表3 護(hù)欄每km材料用量比較

從表3可以看到，由于護(hù)欄截面保持不變，混凝土的用量也不發(fā)生變化，但通過(guò)優(yōu)化配筋方案后每km護(hù)欄設(shè)計(jì)方案能比原方案節(jié)省鋼材多達(dá)34.35t(約原設(shè)計(jì)的37.42%)，若鋼材價(jià)格按4 000元/t計(jì)，僅是單側(cè)護(hù)欄每km就能降低造價(jià)13.7萬(wàn)元，可見(jiàn)通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的護(hù)欄能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

按照規(guī)范要求設(shè)計(jì)的護(hù)欄雖然能夠滿足相應(yīng)防撞等級(jí)的要求，達(dá)到安全標(biāo)準(zhǔn)，但同時(shí)未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的護(hù)欄冗余過(guò)大，鋼材用料不經(jīng)濟(jì)。

本文通過(guò)等效強(qiáng)度原理，對(duì)護(hù)欄的配筋方案作了一定的優(yōu)化改進(jìn)，并通過(guò)有限元仿真方法對(duì)優(yōu)化方案的安全性進(jìn)行了試驗(yàn)。通過(guò)計(jì)算對(duì)比，本文中優(yōu)化改進(jìn)后的配筋方案在滿足安全防護(hù)性能的條件下，節(jié)約鋼材用量達(dá)37%，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。