馮紅艷 李夢(mèng)露 孟瑤 劉雨 胡云威 杜進(jìn)華

摘 要：車輛在高速公路行駛時(shí)速度較快，發(fā)生事故后可能沖破中分帶護(hù)欄沖向?qū)ο蜍嚨溃斐筛蟮膿p失。針對(duì)沖破中分帶護(hù)欄駛?cè)雽?duì)向車道的交通事故，本文在傳統(tǒng)護(hù)欄形式的基礎(chǔ)，提出在中分帶兩側(cè)的立柱間添加支撐的四種加強(qiáng)方案，基于結(jié)構(gòu)力學(xué)、材料力學(xué)的相關(guān)理論知識(shí)對(duì)增設(shè)的鋼支桿截面進(jìn)行設(shè)計(jì)，基于偽靜力法汽車碰撞模型驗(yàn)證不同加強(qiáng)方案防護(hù)能力的提升效果，最后經(jīng)過各方面對(duì)比分析得出最優(yōu)加強(qiáng)方案。

關(guān)鍵詞：高速公路;加強(qiáng)型護(hù)欄;中分帶;支撐桿;斜撐

中圖分類號(hào)：U417.12文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2020）28-0089-06

Comparison and Analysis of Schemes for Improving the

Protection Capacity of Existing Corrugated Beam Guardrail

FENG Hongyan LI Menglu MENG Yao LIU Yu HU Yunwei DU Jinhua

（School of Civil Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： The speed of vehicles running on the expressway is fast， which may break through the guardrail and rush to the opposite lane after the accident， resulting in greater loss. Aiming at the traffic accident of breaking through the guardrail and driving into the opposite lane， based on the traditional form of guardrail， this paper put forward four strengthening schemes of adding supports between the columns on both sides of the middle separation zone. Based on the relevant theoretical knowledge of structural mechanics and material mechanics， the section of the additional steel strut was designed， and the improvement of the protection ability of different strengthening schemes was verified based on the pseudo-static vehicle collision model. Finally， through the comparative analysis of various aspects， the optimal strengthening scheme was obtained.

Keywords： expressway;innovative reinforced corrugated beam guardrail;median zone;strut;diagonal brace

目前，國(guó)內(nèi)高速公路迅速發(fā)展，高速公路里程總量日益增長(zhǎng)，截至2019年，我國(guó)高速公路總里程已經(jīng)達(dá)到14.26萬km，交通量也隨之快速增加，而由此造成的交通事故也越來越多。在相關(guān)部門的管理下，交通事故傷亡人數(shù)雖然有所控制，但高速公路事故死亡率仍然居高不下，其中每年因?yàn)樽o(hù)欄防護(hù)能力不足導(dǎo)致的交通事故數(shù)占比較高。目前，高速公路防護(hù)欄主要采用波形防撞護(hù)欄。車輛在撞擊護(hù)欄時(shí)，通過波形護(hù)欄的變形以及防阻塊的變形來吸收部分撞擊能量，然后通過立柱對(duì)波形護(hù)欄的支撐作用，盡量阻止車輛沖入另一側(cè)車道，防止產(chǎn)生更嚴(yán)重的交通事故。但隨著汽車保有量的快速增加，車輛速度的提升以及車輛重載化、大型化比例逐漸提高，現(xiàn)有的高速公路安全設(shè)施防護(hù)能力已經(jīng)無法滿足交通安全防護(hù)要求，部分護(hù)欄設(shè)施在重大交通事故中已逐漸失去其防護(hù)效能，所以提升高速公路防護(hù)欄能力尤為必要。

目前，國(guó)內(nèi)已經(jīng)研發(fā)了許多新型防撞護(hù)欄產(chǎn)品，如旋轉(zhuǎn)滾筒護(hù)欄和預(yù)應(yīng)力鋼索護(hù)欄[1]。前者的安裝及材料成本較大，后者雖然安裝成本不高，但需要拆除原護(hù)欄結(jié)構(gòu)，兩者均不適用于我國(guó)大范圍提升護(hù)欄防撞效能的情況。

本文針對(duì)沖破中分帶護(hù)欄駛?cè)雽?duì)向車道的交通事故，在不改變?cè)o(hù)欄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出一種支桿加強(qiáng)型的護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式。

1 理論框架

1.1 理論與假設(shè)

1.1.1 協(xié)同受力。增設(shè)橫向或斜向支撐桿，與立柱同時(shí)作用，將一側(cè)立柱受力轉(zhuǎn)化為兩側(cè)立柱與支桿協(xié)同受力，共同抵抗車輛撞擊。其相互作用及協(xié)同工作機(jī)制為：①支桿與立柱之間相互支撐，整體性好;②立柱主要承受剪力和彎矩，支桿主要承受軸力，當(dāng)支桿屈服時(shí)，立柱承受的彎矩或剪力仍然小于其許可值。

1.1.2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。實(shí)際的波形梁護(hù)欄是一個(gè)較復(fù)雜的整體結(jié)構(gòu)，為便于計(jì)算，進(jìn)行如下簡(jiǎn)化。

①不考慮波形梁和防阻塊變形所吸收的能量，即不改變護(hù)欄的原結(jié)構(gòu)，只將立柱通過支桿連接起來，并對(duì)結(jié)構(gòu)所能承受的最大撞擊速度進(jìn)行比較和加強(qiáng)。所得破壞時(shí)可承受的最大速度一定小于實(shí)際所能承受的最大速度，最終的計(jì)算結(jié)果乘以一個(gè)放大系數(shù)，便能與實(shí)際情況更好地吻合。

②由于支桿為細(xì)桿，所受彎矩與軸力相比可忽略不計(jì)，計(jì)算時(shí)可將連接方式視為鉸接，忽略彎矩的影響。

先計(jì)算大型車的撞擊情況，撞擊點(diǎn)高度如圖6所示。解一次超靜定，可得到支桿軸力[Fn]與撞擊力[P]的關(guān)系：[Fn=1.60P]。當(dāng)支桿屈服時(shí)，支桿的軸力為235.0 kN，經(jīng)驗(yàn)算，此時(shí)立柱1承受的最大彎矩小于其容許值，而立柱2在底端承受的剪應(yīng)力也小于其抗剪強(qiáng)度，所以當(dāng)受到車輛撞擊時(shí)，支桿會(huì)先于立柱屈服破壞，故不會(huì)產(chǎn)生因剛度過大而造成的安全隱患。支桿屈服時(shí)，根據(jù)關(guān)系式可得立柱所能承受的最大撞擊力[Px]=146.88 kN（大型車），[Px]=78.44 kN（小型車，計(jì)算方法與大型車相同，計(jì)算重心不同），而在不加設(shè)支桿的情況下，當(dāng)大型車輛的撞擊力達(dá)到15.0 kN左右或小型車為32.0 kN左右時(shí)，立柱就會(huì)屈服。由此可見，此加設(shè)支桿方式防撞提升效果顯著。

2.1.2 不同高度的橫向橫撐。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖7所示，將支桿水平連接，綜合考慮強(qiáng)度、壓桿失穩(wěn)與立柱屈服三個(gè)方面，選擇壁厚0.50 mm，截面實(shí)心面積66.17 mm2，外徑43.70 mm，內(nèi)徑42.70 mm。

以大型車的情況為例進(jìn)行計(jì)算，解超靜定，得到當(dāng)支桿屈服時(shí)，立柱所能承受的撞擊力僅為16.55 kN，故此種連接方式效果不顯著。試將支桿的連接點(diǎn)降低，因?yàn)樵诹⒅?受到撞擊時(shí)，立柱2也要承受彎矩作用，且在地面固定端處達(dá)到最大值，同一作用力下將支桿的連接點(diǎn)降低能有效減小立柱2承受的最大彎矩值，同時(shí)考慮到立柱1承受的彎矩值，將連接點(diǎn)降到距離地面0.50 m處，如圖8所示。計(jì)算后取支桿壁厚0.5 mm，截面面積

125.57 mm2，外徑80.44 mm，內(nèi)徑79.44 mm。支桿屈服時(shí)，撞擊力達(dá)20.49 kN。由此可見，此種水平連接的方式效果并不顯著。

2.1.3 斜向斜撐。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖9所示，將支桿連在兩對(duì)角立柱上，此種連接方式是考慮到車輛的撞擊角度問題，據(jù)大量數(shù)據(jù)表明，車輛的撞擊角度普遍在20°～30°，很少有大角度撞擊的情況發(fā)生。此種連接方式的支桿連接平面與行車方向的角度約為26°，剛好比較適應(yīng)于實(shí)際情況。在一般的小角度車輛撞擊的情況下，此種方式會(huì)有更好的防護(hù)效果。設(shè)計(jì)原則和計(jì)算方法同上述情況相同。計(jì)算后取支桿壁厚2.50 mm，截面實(shí)心面積900.0 mm2，外徑117.0 mm，內(nèi)徑112.0 mm，桿長(zhǎng)約2.43 m。

由于橫向橫撐方式對(duì)最大沖擊力的提升效果非常不明顯，故后續(xù)計(jì)算數(shù)據(jù)只針對(duì)提升效果顯著的橫向斜撐和斜向斜撐。不同連接方式的防撞提升效果與撞擊角度有很大關(guān)系，將上述設(shè)計(jì)方案能承受的最大沖擊力以及不同的撞擊角度代入公式（3），逆推出護(hù)欄能承受的最大撞擊速度，分析計(jì)算結(jié)果。

選用的小型車代表車輛為長(zhǎng)4.50 m、寬1.70 m、質(zhì)量1.20 t的中型轎車。小型車可承受的最大撞擊速度如表1所示。

1.53 26.45 80 18.41 29.69 22.41 90 17.43 28.12 19.40 ]選用大型車代表車輛為長(zhǎng)8.7 m、寬2.4 m、質(zhì)量15 t的貨車。大型車可承受的最大撞擊速度如表2所示。

2.1.4 組合形式。將橫向斜撐與斜向斜撐組合。經(jīng)計(jì)算，車輛撞擊時(shí)，在支桿不失穩(wěn)，且支桿半徑不大于立柱半徑的情況下，立柱一定會(huì)先發(fā)生屈服，即強(qiáng)度、剛度太大，極易造成車毀人亡的情況。加之組合形式數(shù)據(jù)計(jì)算過于復(fù)雜，故也不列入數(shù)據(jù)計(jì)算中。

2.2 方案比選

2.2.1 數(shù)據(jù)分析。小型車能承受的最大撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系如圖10所示，大型車所能承受的最大撞擊速度與撞擊角度的關(guān)系如圖11所示。

由圖10可知：隨著車輛撞擊角度的增大，護(hù)欄能承受的最大沖擊速度逐漸降低;橫向斜撐型與斜向斜撐型在小角度撞擊時(shí)防撞效果相差不大，但在40°～60°時(shí)斜向斜撐型明顯優(yōu)于橫向斜撐型;當(dāng)以更大的角度撞擊時(shí)，斜向斜撐型易被撞擊力垂直于支桿平面的分量壓彎破壞，故大角度撞擊時(shí)斜向斜撐型防撞提升效果不如橫向斜撐型明顯。

由圖11可知，斜向斜撐型在大型車的沖擊力下極易被壓彎破壞，對(duì)大型車而言，斜向斜撐型防撞提升效果明顯不如橫向斜撐型。

2.2.2 經(jīng)濟(jì)性分析。各種設(shè)計(jì)方案每千米所需材料及費(fèi)用（未考慮安裝費(fèi)用）：①橫向橫撐加強(qiáng)型每千米需增設(shè)500根支桿，每根支桿長(zhǎng)為1.0 m，1 km所需鋼材約為0.26 t，花費(fèi)約為0.11萬元;②橫向斜撐加強(qiáng)型每千米需增設(shè)1 000根支桿，每根斜桿長(zhǎng)為1.38 m，1 km所需鋼材約為10.83 t，花費(fèi)為4.50萬元左右;③斜向斜撐加強(qiáng)型每千米需增設(shè)1 000根支桿，每根斜桿長(zhǎng)為2.43 m，1 km所需鋼材約為17.0 t，花費(fèi)為7.0萬元左右;④組合斜撐加強(qiáng)型為橫向斜撐和斜向斜撐的組合，每千米花費(fèi)為11.50萬元。具體花費(fèi)如表3所示。

2.2.3 結(jié)論。對(duì)上述分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，可得出以下幾點(diǎn)結(jié)論。

①在不阻止車輛向平行于波形梁護(hù)欄板方向行駛的情況下，橫向斜撐能較大限度地承受汽車水平方向的沖擊力，同時(shí)橫向斜撐還能很好地調(diào)整車輛行駛方向，給車輛一定的緩沖空間，安全有效地阻止車輛沖破護(hù)欄駛向?qū)ο蜍嚨馈?/p>

②不同高度的橫向水平支撐防撞提升效果并不明顯。

③斜向斜撐能夠降低立柱直接往行車方向彎倒的可能性，對(duì)防撞能力的提升也有一定效果，但在大角度撞擊時(shí)極易發(fā)生垂直于支桿平面的受彎屈服破壞，從而使提升效果下降明顯。

④組合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度太大，緩沖效果不好。

⑤各種設(shè)計(jì)方案每千米所需費(fèi)用相差不大，橫向橫撐費(fèi)用最少，組合斜撐費(fèi)用最高。

綜合比較，橫向斜撐在任意車輛碰撞角度下，不論是對(duì)小型車還是大型車，在防撞能力提升效果及安全性上均優(yōu)于其他方案，而且橫向斜撐所需費(fèi)用相對(duì)較低。本文認(rèn)為橫向斜撐的加強(qiáng)方案為此種加強(qiáng)方式的最佳選擇。

3 應(yīng)用前景

3.1 經(jīng)濟(jì)性

較之于全部替換為新結(jié)構(gòu)護(hù)欄或使用柔性材料護(hù)欄的改造方案，本文所述護(hù)欄加強(qiáng)方法更為經(jīng)濟(jì)。以比選所得的最優(yōu)加強(qiáng)方式橫向斜撐和材料用量較大的斜向斜撐加強(qiáng)為例：目前市場(chǎng)上已有的中分帶新型防撞護(hù)欄，如旋轉(zhuǎn)桶護(hù)欄，每個(gè)旋轉(zhuǎn)桶的價(jià)格大約為1 400元，1 km花費(fèi)則高達(dá)上百萬元。預(yù)應(yīng)力鋼索護(hù)欄雖然制作安裝成本不高，但拆除原結(jié)構(gòu)再重新安裝新結(jié)構(gòu)，整個(gè)過程仍需花費(fèi)幾十萬元。不同護(hù)欄加強(qiáng)方式每千米所需費(fèi)用如表4所示。

3.2 可實(shí)踐性

本設(shè)計(jì)采用增設(shè)斜撐支桿的方式使中分帶兩側(cè)立柱協(xié)同受力，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可在原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上施工，直接采用焊接、抱箍或者螺栓連接等方式直接連接在原有立柱上，所需材料少，具有以下特點(diǎn)：防撞能力強(qiáng)、施工安裝方便、經(jīng)濟(jì)、施工對(duì)交通影響小、不會(huì)損傷原有路面結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

本文將結(jié)構(gòu)及受力簡(jiǎn)化后利用偽靜力法、材料力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)相關(guān)理論，建立車輛碰撞模型，并計(jì)算各種結(jié)構(gòu)所能承受的最大撞擊速度，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析。分析結(jié)果表明，增設(shè)橫向斜撐的護(hù)欄加強(qiáng)結(jié)構(gòu)具有提升效果顯著、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、施工簡(jiǎn)單、對(duì)交通影響小等優(yōu)點(diǎn)，與我國(guó)高速公路護(hù)欄改造的現(xiàn)狀及需求都較為符合。文中所述的加強(qiáng)型護(hù)欄不僅加強(qiáng)了高速公路中分帶波形梁護(hù)欄防沖擊力性能，防止護(hù)欄折斷，而且有力保障了高速公路上車輛的行駛安全，尤其是確保了逆向行駛車輛的安全，大大降低了重大交通事故的發(fā)生概率。

當(dāng)然，支桿加強(qiáng)型護(hù)欄的設(shè)想和設(shè)計(jì)也只是淺嘗輒止，在具體實(shí)施方法、支桿截面形式選擇以及護(hù)欄的整體防撞性能上還有待進(jìn)一步探索和研究，希望能為護(hù)欄改造工程提供一定的參考價(jià)值。

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