龔帥，劉航，鄧寶，亢寒晶，王新，閆書明

(1.北京華路安交通科技有限公司，北京市 100070；2.山東高速股份有限公司)

中國在役舊橋梁組合式護欄大多是按照94版公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范(已廢止，簡稱“94規(guī)范”)進行修建，早期由于公路交通量較小、車型較為單一，該結(jié)構(gòu)護欄可以滿足當(dāng)時的安全運營需求，在較長一段時期為保護道路運營安全發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但是隨著中國經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，公路交通流量大幅度提升，同時運營車輛的車重、車速和復(fù)雜程度逐漸增加，這些在役舊橋梁組合式護欄已不能滿足當(dāng)前安全防護要求，存在一定風(fēng)險隱患，有必要對其進行提升安全性能研究。該文采用計算機仿真模擬和實車足尺碰撞試驗相結(jié)合的技術(shù)手段，對在役舊橋梁組合式護欄防護能力進行分析，在此基礎(chǔ)上，基于再利用提出升級改造方案，并利用經(jīng)過驗證的仿真模型對改造方案進行安全性能評估。

1 原護欄防護能力碰撞分析

1.1 原護欄結(jié)構(gòu)

圖1為在役舊橋梁組合式護欄典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計防護等級按“94規(guī)范”屬于PL3級，與現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范中SB級防護等級接近。該護欄總高度約為1 m，上部是由鑄鋼立柱和圓管橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)，下部是新澤西坡面形式的鋼筋混凝土基座。

1.2 有限元模型建立及試驗護欄建造

根據(jù)在役舊橋梁組合式護欄典型結(jié)構(gòu)，建立橋梁護欄有限元模型，長度為40 m。護欄型鋼部分與混凝土基座部分各采用四邊形殼單元和六面體單元進行模擬，鋼筋采用梁單元模擬。圖2為建立的橋梁組合式護欄模型。

圖1 在役舊橋梁組合式護欄典型結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖2 有限元仿真模型

按1∶1結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計材料型號在碰撞試驗廣場上建造橋梁組合式試驗護欄，護欄總長為40 m，如圖3所示。

1.3 仿真模擬與實車碰撞試驗結(jié)果

按照四(SB)級碰撞條件中的10 t大型車(包含大

圖3 試驗護欄

型巴士和大型卡車)以80 km/h的速度，20°碰撞角，碰撞能量280 kJ，進行車輛碰撞護欄的仿真模擬和實車碰撞試驗，驗證護欄實際防護能力。

圖4為大客車以相應(yīng)碰撞條件碰撞橋梁組合式護欄計算機仿真模擬與實車碰撞試驗結(jié)果，碰撞過程中車身發(fā)生傾斜，最后車輛側(cè)翻，不滿足護欄對車輛碰撞防護性能的要求；通過對比兩組碰撞分析結(jié)果，可以看到仿真與試驗的碰撞過程車身姿態(tài)基本一致。

圖4 大客車碰撞原護欄結(jié)構(gòu)仿真與試驗結(jié)果對比

圖5為大貨車以相應(yīng)碰撞條件碰撞橋梁組合式護欄計算機仿真模擬與實車碰撞試驗結(jié)果，車輛在碰撞過程中車身嚴(yán)重傾斜，上部橫梁插入車體，最后發(fā)生絆阻，不滿足護欄對車輛碰撞防護性能的要求；通過對比兩組結(jié)果，可以看到仿真與試驗的碰撞過程車身姿態(tài)十分接近。

圖5 大貨車碰撞原護欄結(jié)構(gòu)仿真與試驗結(jié)果對比

通過以上碰撞分析可知，原橋梁組合式護欄達不到現(xiàn)行規(guī)范要求的橋梁護欄最低防護等級SB級要求；通過仿真與試驗結(jié)果對比，驗證了計算機仿真模型的可靠性與準(zhǔn)確性。

2 基于原護欄升級改造方案

從綠色循環(huán)利用的設(shè)計理念出發(fā)，結(jié)合安全性與施工方便性，提出3種改造方案。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案

拆除原橋梁組合式護欄上部鋼結(jié)構(gòu)，在原護欄的混凝土墻體上方和背部植螺栓，以H形鋼作為立柱，通過混凝土墻體背部螺栓和L形連接板錨固在混凝土墻體背部，通過螺栓在背部立柱上方安裝防阻塊，通過焊接連接防阻塊與方管橫梁，護欄整體有效高度為1.3 m。鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案的設(shè)計防護等級為五(SA)級(設(shè)計防護能量400 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案(單位：mm)

2.2 植筋加高式改造方案

拆除橋梁組合式護欄上部鋼結(jié)構(gòu)，在混凝土墻體上設(shè)置混凝土加高段，加高段的豎向鋼筋采用植筋方式錨固于原護欄混凝土墻體內(nèi)，在加高段混凝土上方設(shè)置阻爬坎。設(shè)計加高段墻體的迎撞側(cè)植筋采用φ16鋼筋，背部植筋、其他豎向鋼筋以及縱向配筋均為φ12鋼筋，間距設(shè)計為18 cm，鋼筋全部采用三級鋼筋。護欄路面以上有效高度為1.1 m。植筋加高式改造方案的設(shè)計防護等級為六(SS)級(設(shè)計防護能量520 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3 包封式改造方案

拆除原上部鋼結(jié)構(gòu)，在原混凝土墻體頂部植筋，鑿開原混凝土墻體底部露出原護欄筋，與包封筋焊接，再按改造后輪廓綁筋，將原混凝土墻體迎撞面由新澤西坡面更新為規(guī)范中的加強型坡面。根據(jù)以往護欄設(shè)計經(jīng)驗，設(shè)計新澆筑墻體迎撞側(cè)植筋采用φ16鋼筋，背部植筋、其他豎向鋼筋以及縱向配筋均為φ12鋼筋，間距設(shè)計為18 cm，鋼筋全部采用三級鋼筋。護欄路面以上有效高度為1.1 m。包封式改造方案的設(shè)計防護等級為六(SS)級(設(shè)計防護能量520 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 植筋加高式改造方案(單位：mm)

圖8 包封式改造方案(單位：mm)

3 改造方案防護能力評估

基于已驗證的有限元仿真模型，按照現(xiàn)行評價標(biāo)準(zhǔn)中對相應(yīng)碰撞條件的規(guī)定，建立仿真模型對3種改造方案的防護能力進行評估。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案評估結(jié)果

圖9為車輛碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案的仿真結(jié)果，由圖9可見護欄能夠有效防止小客車、大客車和大貨車翻越和跨過護欄，并能夠?qū)囕v進行有效吸能和導(dǎo)正。

圖9 車輛碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表1為完整的鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案的防護能力評估結(jié)果。

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案，仿真結(jié)果各項指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)五(SA)級要求，防護能量達到400 kJ。

表1 鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案評估結(jié)果

3.2 植筋加高式改造方案評估結(jié)果

圖10為車輛碰撞植筋加高式改造方案的仿真結(jié)果，由圖10可見護欄能夠有效攔截車輛，并能夠?qū)囕v進行有效吸能和導(dǎo)正，未出現(xiàn)小客車、大客車或大貨車翻越和跨過護欄的現(xiàn)象。

表2為完整的植筋加高式改造方案的防護能力評估結(jié)果。

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞植筋加高式改造方案，仿真結(jié)果各項指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)六(SS)級要求，防護能量達到520 kJ。

圖10 車輛碰撞植筋加高式改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表2 植筋加高式改造方案評估結(jié)果

3.3 包封式改造方案評估結(jié)果

圖11為車輛碰撞包封式改造方案的仿真結(jié)果，由圖11可見護欄能夠有效阻擋車輛，并對其進行有效緩沖和導(dǎo)向，未出現(xiàn)車輛翻越和跨過護欄現(xiàn)象。

圖11 車輛碰撞包封式改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表3為包封式改造方案的防護能力評估結(jié)果。

表3 包封式改造方案評估結(jié)果

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞包封式改造方案，仿真結(jié)果各項指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)六(SS)級要求，防護能量達到520 kJ。

4 結(jié)語

在役舊橋梁組合式護欄原結(jié)構(gòu)達不到現(xiàn)行規(guī)范要求的橋梁護欄最低防護等級SB級要求。提出的3種改造方案仿真結(jié)果各項安全性能指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求，其中鋼結(jié)構(gòu)加強改造方案滿足五(SA)級要求，防護能量達到400 kJ；植筋加高式改造方案與包封式改造方案均滿足六(SS)級要求，防護能量達到520 kJ。3種改造方案雖然通過了仿真碰撞分析驗證，但若將其應(yīng)用于實際公路工程上，建議采用實車足尺碰撞試驗對護欄的安全防護性能做進一步評價。