江海 亢寒晶 劉大昌 馬晴 閆書明

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引言

護(hù)欄作為一種被動安全防護(hù)設(shè)施， 是事故車輛的最后一道防線， 對于公路的安全運營起到了至關(guān)重要的作用[1]。 隨著我國公路的迅速發(fā)展，運營車輛逐漸向多樣化、 大型化變化， 同時車輛數(shù)量也增加飛速， 這樣就進(jìn)一步提高了對公路護(hù)欄的安全需求。 為了進(jìn)一步規(guī)范公路護(hù)欄的設(shè)計和應(yīng)用， 相關(guān)部門頒布了相關(guān)規(guī)范[2-4]， 提高了對公路護(hù)欄安全水平的要求。 由于時間過渡， 會導(dǎo)致實際工程中已經(jīng)完成設(shè)計甚至已經(jīng)部分施工的公路護(hù)欄不滿足新規(guī)范要求， 需要進(jìn)行相應(yīng)的升級改造優(yōu)化使其安全性能滿足新規(guī)范的要求，同時考慮到工程造價， 需要優(yōu)化結(jié)構(gòu)不增加工程成本。 安全性能和經(jīng)濟(jì)性能同時提升的多目標(biāo)增加了橋梁護(hù)欄的優(yōu)化難度。

以某高速公路組合式橋梁護(hù)欄為例， 以提高安全性至滿足現(xiàn)行規(guī)范、 利用已施工的混凝土結(jié)構(gòu)、 不增加材料量為目標(biāo)， 采用有限元仿真方法對組合式橋梁護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化和系統(tǒng)的安全性能仿真分析[5]， 得到滿足多項優(yōu)化目標(biāo)的優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)， 優(yōu)化護(hù)欄經(jīng)過實車碰撞試驗驗證安全可靠。

1 原組合式橋梁護(hù)欄

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

原組合式橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 下部為高度0.4m 的混凝土， 迎撞面采用直徑20mm、間距150mm 的HRB400 鋼筋； 縱筋為直徑10mm的HPB235 鋼筋； 上部為梁柱式鋼結(jié)構(gòu)， 兩排橫梁均為130mm×90mm ×6mm 的C 型鋼， 橫梁間凈距245mm， 上橫梁頂面到路面975mm， 立柱150mm×945mm×10mm 方型鋼管間距2m， 橫梁和立柱通過角鋼和螺栓連接， 立柱插入下部混凝土埋設(shè)的套筒內(nèi)并灌注水泥砂漿錨固； 護(hù)欄所有型鋼材料中橫梁為Q390， 立柱等其他結(jié)構(gòu)為Q345。 不計鋼筋， 該護(hù)欄每延公里用鋼量為75.34t。 工程中下部混凝土已完成施工， 上部鋼結(jié)構(gòu)尚未安裝。

圖1 原組合式橋梁護(hù)欄(單位： mm)Fig.1 Original combined bridge barrier(unit: mm)

1.2 與老規(guī)范的符合性

原組合式橋梁護(hù)欄設(shè)計防護(hù)等級為老規(guī)范《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范》(JTJ 074 -94)規(guī)定的PL3級， 防護(hù)能量230kJ，碰撞條件如表1 所示[6]。 按照PL3級碰撞條件建立計算機(jī)仿真模型對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行的安全性能分析如圖2 所示， 車輛碰撞后順利導(dǎo)出， 安全性能滿足設(shè)計等級要求， 即原組合式橋梁護(hù)欄符合老規(guī)范的規(guī)定。

表1 PL3級碰撞條件Tab.1 Impact conditions of PL3 level

圖2 原護(hù)欄PL3級仿真分析Fig.2 A simulation analysis of original barrier at PL3 level

1.3 與新規(guī)范的符合性

2017 年底交通運輸部發(fā)布了《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2017)[2]和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細(xì)則》(JTG/T D81—2017)[3]， 規(guī)范中適應(yīng)現(xiàn)階段公路安全運營防護(hù)需求對公路護(hù)欄的安全性能提出了更加嚴(yán)格的要求， 規(guī)定設(shè)計速度在80km/h ～100km/h 的高速公路橋梁， 若車輛駛出橋外或進(jìn)入對向車道的事故嚴(yán)重程度等級高應(yīng)采用五(SA)級橋梁護(hù)欄， 并規(guī)定五(SA)級混凝土護(hù)欄路面以上高度不應(yīng)小于1000mm，相同等級的組合式護(hù)欄可在混凝土護(hù)欄高度基礎(chǔ)上增加100mm， 即組合式護(hù)欄高度需不小于1100mm。 原組合式橋梁護(hù)欄高度為975mm， 不滿足新規(guī)范規(guī)定。

2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

結(jié)合工程條件和需求， 從以下三個角度確定優(yōu)化目標(biāo):

(1)安全: 優(yōu)化護(hù)欄防護(hù)等級提升至現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定的五(SA)級， 防護(hù)能量400kJ。 五(SA)級碰撞條件如表2 所示[4]。

表2 五(SA)級碰撞條件Tab.2 Impact conditions of 5(SA) level

(2)現(xiàn)場條件: 優(yōu)化護(hù)欄利用原護(hù)欄已施工的混凝土結(jié)構(gòu)， 使現(xiàn)場已施工的混凝土結(jié)構(gòu)可繼續(xù)使用。

(3)經(jīng)濟(jì)性: 優(yōu)化護(hù)欄不增加鋼材用量。

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

護(hù)欄高度不足是原護(hù)欄安全性不滿足現(xiàn)行規(guī)范的重要方面， 而橋梁護(hù)欄高度對于防車輛翻越護(hù)欄、 減小車輛側(cè)傾至關(guān)重要[7]。 三軸和四軸的大型貨車車廂底板高度平均約為1250mm[4]，為提高護(hù)欄對大型車特別是大型貨車的防護(hù)，將護(hù)欄高度優(yōu)化為1300mm； 將方管立柱優(yōu)化為H 型立柱， 提高橫梁與立柱變形的協(xié)調(diào)性， 并為向預(yù)埋套管內(nèi)灌注水泥砂漿留有更多的操作空間； 將原C 型鋼管橫梁優(yōu)化為矩形鋼管橫梁，提高橫梁抗彎能力； 在鋼管橫梁背部設(shè)置防阻塊， 增加迎撞面到立柱的距離， 降低車輛在立柱處發(fā)生絆阻的風(fēng)險[8]， 同時方便橫梁和立柱的連接。 得到優(yōu)化方案一: 直H 立柱， 三層橫梁， 最上層橫梁采用120mm ×100mm 矩形管，下兩層橫梁采用邊長100mm 方管， 橫梁背部焊接防阻塊， 橫梁與立柱通過防阻塊和螺栓連接。護(hù)欄模型和大型車碰撞仿真計算如圖3 所示，該結(jié)構(gòu)安全性能滿足初步要求， 且降低了材料量， 具有較高的可行性。

圖3 優(yōu)化方案一仿真分析Fig.3 Simulation analyses of structure one

采用小型車分析優(yōu)化方案一的安全性能。 如圖4a 所示， 雖然成功防護(hù)小客車， 但最下層橫梁在車輪上表面位置， 有卡住輪胎的風(fēng)險。 降低下橫梁高度得到優(yōu)化方案二， 計算結(jié)果如圖4b所示， 下橫梁可從側(cè)面攔截輪胎， 使車輪更有效轉(zhuǎn)向和導(dǎo)出。

圖4 小客車仿真分析Fig.4 Simulation analyses of the car

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析， 優(yōu)化護(hù)欄確定采用方案二， 詳細(xì)參數(shù)如圖5 和表3 所示。 如表4 所示，不計鋼筋該優(yōu)化方案每延公里用鋼量為71.44t，較原護(hù)欄每延公里節(jié)省3.9t 鋼材， 具有一定的經(jīng)濟(jì)性。

圖5 優(yōu)化護(hù)欄斷面(單位： mm)Fig.5 The cross-section diagram of the improved barrier(unit: mm)

表3 優(yōu)化護(hù)欄參數(shù)(單位： mm)Tab.3 Parameters of the improved barrier(unit: mm)

表4 原護(hù)欄和優(yōu)化護(hù)欄的對比Tab.4 The comparison between original barrier and improved barrier

3 安全性能仿真分析

按表2 的碰撞條件， 建立計算機(jī)仿真模型，對確定的優(yōu)化方案進(jìn)行系統(tǒng)的安全性能分析。

3.1 小型客車碰撞

圖6a 為小型客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄過程， 車輛順利導(dǎo)出； 圖6b 為小型客車碰撞過程軌跡， 駛出軌跡很平順， 10m 范圍內(nèi)未駛出4.7m 寬的駛出框，護(hù)欄導(dǎo)向功能較好。 如圖6c 所示小客車碰撞后僅下橫梁發(fā)生輕微變形， 變形數(shù)據(jù)如表5 所示。

圖6 小客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results for the car impacting the improved barrier

表5 小型客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄變形數(shù)據(jù)Tab.5 Data for barrier deformation after the carimpacting the improved barrier

按照評價標(biāo)準(zhǔn)的要求[4]， 小型客車碰撞護(hù)欄需考察緩沖指標(biāo)。 表6 為小型客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄緩沖指標(biāo)數(shù)據(jù)， 均滿足合格標(biāo)準(zhǔn)， 護(hù)欄緩沖性能較好。

表6 緩沖指標(biāo)數(shù)據(jù)Tab.6 Data for buffering indicators

3.2 大型客車碰撞

圖7a 為大型客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄過程， 車輛順利導(dǎo)出； 圖7b 為大型客車碰撞過程軌跡， 20m范圍內(nèi)未駛出8.5m 寬的駛出框， 護(hù)欄導(dǎo)向功能較好， 可減小對相鄰車道影響。 如圖7c 所示為大客車碰撞后碰撞區(qū)域立柱和橫梁發(fā)生明顯變形， 護(hù)欄變形和車輛外傾數(shù)據(jù)如表7所示。

圖7 大客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results for the bus impacting the improved barrier

表7 大型客車碰撞優(yōu)化護(hù)欄變形及車輛外傾數(shù)據(jù)Tab.7 Data for barrier deformation and incline-out distance after the bus impacting the improved barrier

3.3 大型貨車碰撞

圖8a 為大型貨車碰撞優(yōu)化護(hù)欄過程， 車輛順利導(dǎo)出； 圖8b 為大型貨車碰撞過程軌跡， 駛出軌跡很平順， 20m 范圍內(nèi)未駛出8.7m 寬的駛出框，護(hù)欄導(dǎo)向功能較好， 可減小對相鄰車道影響。 如圖8c 所示大貨車碰撞后碰撞區(qū)域立柱和橫梁發(fā)生明顯變形， 護(hù)欄變形和車輛外傾數(shù)據(jù)如表8 所示。

圖8 大型貨車碰撞優(yōu)化護(hù)欄仿真結(jié)果Fig.8 Simulation results for the truck impactingthe improved barrier

表8 大型貨車碰撞優(yōu)化護(hù)欄變形數(shù)據(jù)及車輛外傾數(shù)據(jù)Tab.8 Data for barrier deformation and incline-out distance after the truck impacting the improved barrier

4 安全性能驗證

如圖9 所示， 根據(jù)評價標(biāo)準(zhǔn)的要求[4]， 組織實車碰撞試驗驗證優(yōu)化護(hù)欄的防護(hù)等級和安全防護(hù)能力。 護(hù)欄成功防護(hù)五(SA)級碰撞條件下三種車型的碰撞， 表明優(yōu)化護(hù)欄安全性能達(dá)到五(SA)級， 安全性能可靠。

圖9 試驗照片F(xiàn)ig.9 Photographs for tests

5 結(jié)論

基于原組合式橋梁護(hù)欄不滿足現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81—2017)規(guī)定的現(xiàn)狀， 通過優(yōu)化研究得到優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)， 實現(xiàn)了多目標(biāo)要求:

1. 通過系統(tǒng)的安全性能仿真分析和實車試驗驗證， 優(yōu)化護(hù)欄安全性能達(dá)到五(SA)級， 防護(hù)能量400J， 較原護(hù)欄PL3級230kJ 有了大幅度提升， 并滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

2. 優(yōu)化護(hù)欄完全利用原護(hù)欄已施工的混凝土結(jié)構(gòu)， 節(jié)約建設(shè)成本， 不影響施工周期。

3. 優(yōu)化護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)鋼材用量較原護(hù)欄每延公里節(jié)省3.9t， 節(jié)省了鋼材用量并具有一定的經(jīng)濟(jì)效益。