裴大軍， 彭曉彬， 龔帥， 鄧寶， 楊福宇， 亢寒晶， 閆書明

(1.湖北武穴長江公路大橋有限公司， 湖北 黃岡 435499; 2.湖北省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司；3.北京華路安交通科技有限公司)

特大橋使用的護(hù)欄形式主要包含型鋼護(hù)欄、鋼筋混凝土護(hù)欄和組合式護(hù)欄3大類，其中鋼筋混凝土護(hù)欄與組合式護(hù)欄重量較大，在特大橋上應(yīng)用會增加橋梁的永久荷載，而型鋼護(hù)欄具有結(jié)構(gòu)輕盈、協(xié)調(diào)通透的特點(diǎn)，應(yīng)用在橋梁上能夠有效減少橋梁重量和橫向風(fēng)載，并且還兼具優(yōu)良的安全性能與良好的景觀效果，現(xiàn)在橋梁上應(yīng)用越來越廣泛。目前針對特大型橋梁用型鋼護(hù)欄已開展過一些研究工作，研究成果在安全性和經(jīng)濟(jì)性方面都已取得了較大突破，但由于這些護(hù)欄結(jié)構(gòu)在連接安裝方面尚存在不足，不僅給施工安裝和后期維護(hù)更換帶來不便，亦使施工人員因安裝作業(yè)時間較長而存在安全風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要針對特大型橋梁用型鋼護(hù)欄的連接安裝進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，以提高其安裝及維護(hù)的便利性。

該文在對特大型橋梁用型鋼護(hù)欄連接安裝情況進(jìn)行調(diào)查和分析的基礎(chǔ)上，研究提出型鋼護(hù)欄連接設(shè)計(jì)方案，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析的先進(jìn)技術(shù)，對方案進(jìn)行碰撞分析，驗(yàn)證其可行性。

1 常規(guī)型鋼護(hù)欄連接安裝問題分析

從實(shí)際調(diào)查結(jié)果看，特大型橋梁用型鋼護(hù)欄的基本結(jié)構(gòu)一般包括橫梁與立柱，同時為保持結(jié)構(gòu)具有良好的防撞性能，還需要通過可靠的連接使其達(dá)到剛度匹配效果。目前橋梁型鋼護(hù)欄大多采用方管鋼護(hù)欄，護(hù)欄橫梁為方形鋼管，立柱為型鋼,根據(jù)橫梁數(shù)量分為雙橫梁、三橫梁、四橫梁和五橫梁等結(jié)構(gòu)，由于其良好的景觀效果和通透性，在中國大型橋梁上均有應(yīng)用。

型鋼護(hù)欄雖然設(shè)計(jì)形式多樣，但是現(xiàn)有結(jié)構(gòu)大部分在施工安裝和養(yǎng)護(hù)維修等方面仍然存在問題，主要原因在于：① 護(hù)欄構(gòu)件多采用螺栓進(jìn)行連接，設(shè)計(jì)階段缺少相關(guān)研究或考慮不足，后期安裝中螺栓安裝量大，且定位困難；② 護(hù)欄結(jié)構(gòu)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時一般直接采用市面上的標(biāo)準(zhǔn)管材，如橫梁一般直接采用方管或矩形管，由于橫梁未進(jìn)行專門設(shè)計(jì)和處理，為封閉結(jié)構(gòu)，則橫梁與立柱、橫梁與橫梁之間連接時較不方便，導(dǎo)致安裝施工和后期維護(hù)較為不易；③ 護(hù)欄結(jié)構(gòu)安裝沒有合理考慮容錯能力，在實(shí)際工程中往往由于土建施工不可避免存在誤差，導(dǎo)致預(yù)埋螺栓定位不準(zhǔn)，進(jìn)而造成結(jié)構(gòu)整體安裝施工和后期維護(hù)工作難上加難。

2 型鋼護(hù)欄連接方案

型鋼護(hù)欄的連接主要包括立柱與地腳螺栓的連接、橫梁與立柱的連接、橫梁與橫梁之間的拼接三部分。針對型鋼護(hù)欄連接方面存在的不足，進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 立柱與地腳螺栓連接

對于立柱與地腳螺栓的連接，通過在基礎(chǔ)里設(shè)置預(yù)埋定位板，可有效提高立柱位置的地腳螺栓相對位置定位準(zhǔn)確性，同時通過擴(kuò)大立柱底板上的連接孔以達(dá)到方便安裝的效果。

2.2 橫梁與立柱連接

在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn)，立柱之間的間距若要達(dá)到精確定位較為困難，誤差往往達(dá)到厘米級別，這樣加大了橫梁與立柱之間的連接難度?；诖颂岢?種橫梁與立柱的連接方式，如圖1所示。連接方式1：采用背部開口橫梁方案，在橫梁內(nèi)部設(shè)置大墊片，通過連接螺栓將墊片與護(hù)欄立柱連接；連接方式2：在矩形橫梁背部設(shè)置長度方向的長孔，利用經(jīng)特殊設(shè)計(jì)的螺栓，使其插進(jìn)長孔后可通過旋轉(zhuǎn)90°卡入橫梁長孔內(nèi)，之后安裝到立柱上即可，圖1(b)中為顯示橫梁內(nèi)螺栓，對橫梁進(jìn)行了透明顯示；連接方式3：采用防阻塊結(jié)構(gòu)，防阻塊前部與橫梁焊接，背部設(shè)置長孔，立柱上設(shè)置高度方向長孔，安裝時防阻塊上的長孔和立柱上的長孔共同作用，可提高結(jié)構(gòu)安裝時的便捷性；連接方式4：采用托舉式角鋼，角鋼由鋼板制作而成，兩邊均設(shè)置螺栓孔，立柱上設(shè)置高度方向的長孔，橫梁上設(shè)置護(hù)欄長度方向的長孔。

圖1 橫梁與立柱連接方式

2.3 橫梁與橫梁拼接

對于橫梁與橫梁之間的拼接，優(yōu)化采用減少螺栓數(shù)量，同時通過在內(nèi)套管上開長孔以有效提高安裝的容錯性，同時在橫梁迎撞側(cè)設(shè)置方便內(nèi)套管縱向移動的槽口也能夠很好地提高安裝方便性。如圖2所示為橫梁槽口設(shè)計(jì)。

圖2 橫梁槽口設(shè)計(jì)(單位：mm)

3 方案可行性驗(yàn)證

提升型鋼護(hù)欄的連接安裝方便性，不應(yīng)以犧牲護(hù)欄的安全性能為代價(jià)，故運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析方法，對上述幾種方案進(jìn)行碰撞分析，以驗(yàn)證其可行性。

以某八(HA)級設(shè)計(jì)防護(hù)等級的型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)為對象(主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1)，在確定護(hù)欄高度、橫梁布置、橫梁規(guī)格、立柱形式及間距等主要結(jié)構(gòu)參數(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合前文介紹的4種連接方式，形成4種護(hù)欄方案，各方案不同之處在于橫梁與立柱的連接方式不同，對護(hù)欄進(jìn)行車輛碰撞仿真模擬，分析4種方案的可行性。

表1 某八(HA)級設(shè)計(jì)防護(hù)等級的型鋼護(hù)欄主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

參考JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的八(HA)級碰撞條件，選取并建立1.5 t小型客車、25 t特大型客車和55 t鞍式貨車3種車輛撞擊護(hù)欄的計(jì)算機(jī)仿真模型。其中特大型客車模型以85 km/h速度、20°角對護(hù)欄模型進(jìn)行撞擊，鞍式貨車以65 km/h速度、20°角對護(hù)欄模型進(jìn)行撞擊，采用大型車輛主要用來分析護(hù)欄的阻擋和導(dǎo)向性能是否合格，以及觀測護(hù)欄變形損壞情況；1.5 t小型客車以100 km/h速度、20°角對護(hù)欄模型進(jìn)行撞擊，主要用來分析護(hù)欄的緩沖性能。根據(jù)得到的仿真計(jì)算結(jié)果，對4種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行安全性能驗(yàn)證。仿真碰撞分析結(jié)果圖3所示。

圖3 仿真碰撞結(jié)果(碰撞角度：20°)

由圖3可知：特大型客車與鞍式貨車碰撞護(hù)欄后，均沒有穿出護(hù)欄，型鋼護(hù)欄構(gòu)件均無侵入車輛乘員艙；車輛正常導(dǎo)出，運(yùn)行姿態(tài)沒有出現(xiàn)非正?，F(xiàn)象，車輛行駛軌跡滿足導(dǎo)向駛出框要求；通過進(jìn)一步對比4組護(hù)欄的損壞情況可得，方案4受到車輛撞擊發(fā)生損壞情況更加顯著，方案3受到車輛撞擊發(fā)生損壞情況較小，說明增加立柱和橫梁之間的防阻塊對于吸收車輛碰撞能量和減小車輛絆阻起到了良好效果。由此可見，4種護(hù)欄方案均可滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的阻擋、導(dǎo)向指標(biāo)要求，方案3在變形損壞方面較其他方案表現(xiàn)更佳。

小客車碰撞不同護(hù)欄方案乘員緩沖指標(biāo)如表2所示。由表2可知：乘員碰撞速度小于12 m/s，乘員碰撞后加速度小于200 m/s2，均可滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中的緩沖指標(biāo)要求，其中方案2、3的緩沖性能指標(biāo)略優(yōu)于其他兩種方案。

表2 小客車緩沖指標(biāo)

綜合以上分析可得，4種連接方案均具有可行性，其中采用防阻塊的方案3較其他方案具有更好的安全防護(hù)性能表現(xiàn)。

4 結(jié)論

常規(guī)型鋼護(hù)欄在連接設(shè)計(jì)方面存在一定不足，如容錯設(shè)計(jì)考慮不充分，以及橫梁端部沒有槽口設(shè)計(jì)(封閉結(jié)構(gòu))等，使得護(hù)欄的安裝施工和后期維護(hù)存在不小難度。針對目前型鋼護(hù)欄連接方面存在的不足，對護(hù)欄立柱與地腳螺栓連接、橫梁與立柱連接、橫梁與橫梁之間的拼接進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，所提方案大大提升了護(hù)欄安裝施工和后期維護(hù)的方便性。提升型鋼護(hù)欄的連接安裝方便性，不應(yīng)以犧牲護(hù)欄的安全性能為代價(jià)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析方法，對4種連接方案進(jìn)行碰撞分析，驗(yàn)證了方案均具有可行性，其中橫梁與立柱連接采用防阻塊的方案3較其他方案具有更好的安全防護(hù)性能表現(xiàn)。