王新， 楊福宇， 劉思源， 鄧寶， 龔帥， 閆書明， 王濛

(1.北京華路安交通科技有限公司， 北京市 100070； 2.中國(guó)人民解放軍陸軍工程大學(xué) 野戰(zhàn)工程學(xué)院)

1 引言

從JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中推薦的各防護(hù)等級(jí)波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式和高速公路實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，大部分都在護(hù)欄梁板與立柱之間設(shè)置了防阻塊構(gòu)件。同時(shí)，按照與不同形式立柱匹配應(yīng)用，可將防阻塊分為適用于鋼管立柱的六角形防阻塊、適用于方管立柱的防阻塊及適用于H形立柱的防阻塊共3種類型，其中，前兩種類型的防阻塊應(yīng)用最為廣泛。

當(dāng)前相關(guān)規(guī)范已對(duì)波形梁護(hù)欄防阻塊結(jié)構(gòu)、尺寸、材料等進(jìn)行了詳盡、明確的規(guī)定，實(shí)際工程中也基本按照規(guī)范進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化操作，但通過(guò)市場(chǎng)調(diào)查，了解到防阻塊的焊接工藝與規(guī)范規(guī)定存在一定差異，即GB/T 31439.2—2015《波形梁鋼護(hù)欄第2部分：三波形梁鋼護(hù)欄》中第4.4.2條要求：“防阻塊可采用高頻焊接成形，如果采用其他方式加工，應(yīng)有試驗(yàn)資料保證其強(qiáng)度不低于高頻焊接成形工藝”，而當(dāng)前采用高頻焊接成形的防阻塊產(chǎn)品極少，原因是高頻焊接(所謂高頻焊接是指利用高頻電流所產(chǎn)生的集膚效應(yīng)和相鄰效應(yīng)，將鋼板和其他金屬材料對(duì)接起來(lái)的新型焊接工藝)工藝較復(fù)雜，對(duì)加工設(shè)備、環(huán)境、人員要求嚴(yán)格，且生產(chǎn)成本較高，故生產(chǎn)廠家普遍采用焊接操作更為簡(jiǎn)單、綜合成本更低及焊接質(zhì)量良好的二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊(所謂二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊是指以二氧化碳為保護(hù)氣體，進(jìn)行保護(hù)焊接的方法)進(jìn)行防阻塊加工。同時(shí)，當(dāng)前暫無(wú)相關(guān)試驗(yàn)檢測(cè)的量化標(biāo)準(zhǔn)，廠家或檢測(cè)機(jī)構(gòu)不能提供二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊強(qiáng)度不低于高頻焊接成型工藝的試驗(yàn)結(jié)論或檢測(cè)報(bào)告。

對(duì)于前述的兩種常用防阻塊結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，適用于鋼管立柱的六角形防阻塊普遍采用鋼板彎曲成形工藝，焊縫位于無(wú)螺栓孔的平面上；適用于方管立柱的防阻塊主要由立體鋼罩和兩側(cè)翅板通過(guò)焊接方式組成。由于當(dāng)前實(shí)際工程應(yīng)用的波形梁護(hù)欄防阻塊焊接方式普遍不符合規(guī)范要求，為了護(hù)欄設(shè)施的安全合法應(yīng)用，該文采用理論分析、計(jì)算機(jī)仿真模擬和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)等綜合技術(shù)手段，在分析防阻塊功能的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)研究與驗(yàn)證焊縫強(qiáng)度對(duì)護(hù)欄安全防護(hù)性能的影響，并以護(hù)欄整體結(jié)構(gòu)是否滿足JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求為判斷依據(jù)，從而指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用，保障公路運(yùn)營(yíng)安全。

2 常用防阻塊功能分析

波形梁護(hù)欄防阻塊最主要的功能之一是增加橫梁與立柱之間的距離從而降低車輪在立柱位置的絆阻程度和概率。若防阻塊設(shè)計(jì)不合理，車輛很容易直接碰撞立柱，對(duì)乘員和車輛造成嚴(yán)重傷害。

適用于鋼管立柱的六角形防阻塊，其特點(diǎn)為結(jié)構(gòu)較軟，車輛碰撞后防阻塊容易變形，這樣就能通過(guò)波形梁板把碰撞荷載分配到更多的立柱上去，可以在材料用量較少的前提下達(dá)到較高的防護(hù)等級(jí)。該防阻塊主要應(yīng)用在三(A)級(jí)及以下防護(hù)等級(jí)的波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，通過(guò)六角形防阻塊把波形梁護(hù)欄變成了偏柔的護(hù)欄結(jié)構(gòu)，受力特征類似于柔性護(hù)欄[柔性護(hù)欄依靠纜索張力來(lái)吸收碰撞能量，三(A)級(jí)波形梁護(hù)欄主要依靠梁板的拉力來(lái)吸收碰撞能量]，這也是采用六角形防阻塊的護(hù)欄結(jié)構(gòu)對(duì)于端部錨固依賴性較強(qiáng)的原因。

適用于方管立柱的防阻塊，主要應(yīng)用在四(SB)級(jí)及以上防護(hù)等級(jí)的波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，該防阻塊結(jié)構(gòu)剛度較大，其顯著特點(diǎn)是車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，防阻塊會(huì)在碰撞荷載作用下以立柱下部連接螺栓為圓心進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣防阻塊會(huì)產(chǎn)生一定的“抬頭”動(dòng)作，從而在一定程度上降低了由于碰撞荷載產(chǎn)生的波形梁板下移幅度，該防阻塊的這種功能對(duì)于提高其防護(hù)能力具有一定的積極作用。

從防阻塊的功能來(lái)看，其在發(fā)揮作用時(shí)主要是在受壓階段，而受壓階段對(duì)于焊縫強(qiáng)度的依賴性并不強(qiáng)，初步分析采用高頻焊接和二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊接工藝的防阻塊成型工藝不會(huì)對(duì)護(hù)欄安全性能造成實(shí)質(zhì)性影響。同時(shí)，在相關(guān)試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，防阻塊的焊接強(qiáng)度并不是越強(qiáng)越好，以三(A)級(jí)波形梁護(hù)欄為例，車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，雖然設(shè)置了防阻塊，但由于梁板易產(chǎn)生大變形的特性，車輪往往會(huì)碰撞到立柱，立柱一般會(huì)在接觸車輪時(shí)產(chǎn)生傾覆，如果防阻塊的強(qiáng)度很大，梁板有效高度會(huì)通過(guò)防阻塊的拉力傳遞發(fā)生大幅度下降，從而車輛穿越波形梁護(hù)欄的概率將大大增加，而立柱發(fā)生傾覆時(shí)，防阻塊在焊縫處破壞反而對(duì)于提高公路護(hù)欄的安全防護(hù)性能有利。

3 仿真分析防阻塊焊縫強(qiáng)度對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能的影響

JTG/T D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》、JTG D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》將事故嚴(yán)重程度分為高、中、低3個(gè)等級(jí)，對(duì)事故嚴(yán)重程度的認(rèn)定更加明確與嚴(yán)格，四(SB)級(jí)護(hù)欄在高速公路中的應(yīng)用將越來(lái)越普遍。因此，下文以規(guī)范推薦的四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，采用計(jì)算機(jī)仿真方法，從不利角度出發(fā)，通過(guò)降低防阻塊焊縫強(qiáng)度的方式，以護(hù)欄整體安全防護(hù)性能是否滿足JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求為驗(yàn)證依據(jù)，探究防阻塊焊縫強(qiáng)度對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能的影響情況。

焊縫長(zhǎng)度作為影響焊接位置強(qiáng)度的一個(gè)重要因素，綜合考慮可操作性、合理性及有效性等因素，采用減少防阻塊焊縫長(zhǎng)度的方法來(lái)降低焊縫位置的強(qiáng)度。四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄防阻塊立體鋼罩和兩側(cè)翅板間的標(biāo)準(zhǔn)焊接長(zhǎng)度為13 cm，考慮到防阻塊的翅板部分與三波梁板連接、立體鋼罩部分則與立柱連接，其最不利情況為防阻塊立體鋼罩和兩側(cè)翅板間完全不焊接，但此時(shí)三波梁板將處于自由無(wú)支撐狀態(tài)，護(hù)欄結(jié)構(gòu)則不成立，故以此為依據(jù)，在確定防阻塊焊縫長(zhǎng)度減少數(shù)值時(shí)，應(yīng)保證焊縫強(qiáng)度滿足對(duì)梁板自體結(jié)構(gòu)的支撐作用，結(jié)合以往研究設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，最終確定將防阻塊焊縫兩端長(zhǎng)度各減少3 cm，共計(jì)減少6 cm(近乎減少一半焊縫長(zhǎng)度)，剩余焊接長(zhǎng)度為7 cm，如圖1所示。

圖1 焊縫開裂的防阻塊示意圖(單位：cm)

3.1 防阻塊焊縫強(qiáng)度降低對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能的影響

在標(biāo)準(zhǔn)路側(cè)四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過(guò)將防阻塊立體鋼罩和兩側(cè)翅板單元間的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整，即在焊縫上、下兩端各3 cm長(zhǎng)度范圍內(nèi)，兩單元節(jié)點(diǎn)設(shè)為不重合，且留2 mm縫隙，模擬焊縫裂開導(dǎo)致焊縫強(qiáng)度降低的效果；焊縫中間7 cm長(zhǎng)度范圍的單元節(jié)點(diǎn)采用重合設(shè)置來(lái)模擬焊接，圖2為降低焊縫強(qiáng)度的防阻塊及護(hù)欄整體仿真模型。

圖2 降低焊縫強(qiáng)度的防阻塊及護(hù)欄整體仿真模型

按照四(SB)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)碰撞條件，開展1.5 t小型客車以100 km/h碰撞速度、20°碰撞角，10 t中型客車以80 km/h碰撞速度、20°碰撞角，18 t大型貨車以60 km/h碰撞速度、20°碰撞角，分別碰撞降低防阻塊焊縫強(qiáng)度的四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄的仿真模擬分析。圖3為3種車型仿真碰撞結(jié)果。

圖3 降低防阻塊焊縫強(qiáng)度的四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄仿真結(jié)果(單位：m)

由圖3可知：碰撞后車輛沒(méi)有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，車輛順利駛出且恢復(fù)正常行駛姿態(tài)，滿足導(dǎo)向駛出框要求，阻擋和導(dǎo)向功能良好；同時(shí)，小型客車碰撞后縱向和橫向乘員加速度分別為84.0、73.99 m/s2，均小于200 m/s2，縱向和橫向乘員碰撞速度分別為3.71、5.93 m/s，均小于12 m/s，護(hù)欄的緩沖性能良好；此外，小型客車碰撞后護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為0.58 m，最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為0.92 m；中型客車碰撞后護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為1.48 m，最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為1.46 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為1.84 m，最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為1.94 m；大型貨車碰撞后護(hù)欄最大橫向動(dòng)態(tài)變形值為1.26 m，最大橫向動(dòng)態(tài)位移外延值為1.48 m，車輛最大動(dòng)態(tài)外傾值為1.97 m、最大動(dòng)態(tài)外傾當(dāng)量值為2.01 m。由此可見，四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄防阻塊焊縫強(qiáng)度降低后仍可達(dá)到設(shè)計(jì)防護(hù)能力的性能指標(biāo)要求。

3.2 防阻塊焊縫強(qiáng)度降低前后的對(duì)比分析

為了更好地了解防阻塊焊縫強(qiáng)度對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能的影響，進(jìn)一步開展了防阻塊標(biāo)準(zhǔn)焊縫強(qiáng)度(即未縮減焊縫長(zhǎng)度)的四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄仿真碰撞分析，并結(jié)合防阻塊標(biāo)準(zhǔn)焊縫強(qiáng)度和縮短焊縫長(zhǎng)度降低焊縫強(qiáng)度的仿真結(jié)果，對(duì)碰撞后護(hù)欄變形長(zhǎng)度、立柱變形數(shù)量、防阻塊與波形板脫開數(shù)量、乘員碰撞速度、乘員碰撞后加速度、護(hù)欄變形值及車輛側(cè)傾值等系列指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果見表1。

表1 防阻塊焊縫強(qiáng)度降低前后對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能影響對(duì)比

由表1可知：四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄防阻塊焊縫強(qiáng)度降低前后，立柱變形與防阻塊斷裂數(shù)量、緩沖指標(biāo)、護(hù)欄變形及車輛側(cè)傾等數(shù)值差異較小，對(duì)小型客車、中型客車和大型貨車的防護(hù)效果基本一致，如圖4所示，防阻塊均可通過(guò)翅板變形和立體罩面連接螺栓位移導(dǎo)致的“抬頭”現(xiàn)象有效吸收碰撞能量，護(hù)欄整體防護(hù)能力均可達(dá)到四(SB)級(jí)，說(shuō)明降低防阻塊焊縫強(qiáng)度對(duì)該護(hù)欄安全性能及防護(hù)表現(xiàn)影響不大。

圖4 防阻塊焊縫強(qiáng)度降低前后的護(hù)欄變形對(duì)比圖

4 試驗(yàn)驗(yàn)證防阻塊焊縫強(qiáng)度降低對(duì)護(hù)欄防護(hù)性能的影響

考慮到實(shí)際工程中波形梁護(hù)欄防阻塊焊接工藝不滿足規(guī)范規(guī)定(采用非高頻焊接工藝，且尚無(wú)數(shù)據(jù)證明其強(qiáng)度不低于高頻焊接成形工藝)的情況較為普遍，為了給護(hù)欄的實(shí)際應(yīng)用提供更加客觀、可靠的判斷依據(jù)，針對(duì)防阻塊焊縫強(qiáng)度降低的護(hù)欄開展實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。試驗(yàn)采用四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄的防阻塊焊縫位置上、下兩端各人為割開3 cm長(zhǎng)的開口，剩余焊接長(zhǎng)度為7 cm，并使用碰撞能量及破壞性更大的中型客車作為碰撞車型。試驗(yàn)碰撞條件：10 t中型客車，80 km/h速度，20°碰撞角。

經(jīng)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，碰撞后中型客車平穩(wěn)駛出并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒(méi)有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，護(hù)欄的阻擋和導(dǎo)向功能良好，各項(xiàng)指標(biāo)均符合JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求。由此可見，防阻塊焊縫強(qiáng)度降低的四(SB)級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄仍可對(duì)中型客車進(jìn)行有效防護(hù)，達(dá)到四(SB)級(jí)防護(hù)能力，雖然碰撞區(qū)防阻塊焊縫位置少部分發(fā)生徹底斷裂(即與立柱連接的防阻塊立體鋼罩和與波形梁板連接的防阻塊翅板完全脫離)，但從翅板變形和立體罩面連接螺栓位移導(dǎo)致的“抬頭”現(xiàn)象來(lái)看，防阻塊吸收了部分碰撞能量，且對(duì)保持護(hù)欄有效高度起到積極作用，進(jìn)一步驗(yàn)證了前述理論分析的正確性。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)防阻塊的功能進(jìn)行分析，可知規(guī)范給出的常用防阻塊結(jié)構(gòu)形式較為合理，同時(shí)通過(guò)防阻塊焊縫強(qiáng)度的仿真碰撞分析和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，得到防阻塊焊縫強(qiáng)度對(duì)護(hù)欄的安全性能未造成實(shí)質(zhì)性影響，為采用非高頻焊接工藝的波形梁護(hù)欄防阻塊的應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支撐，可更好地指導(dǎo)防阻塊及波形梁護(hù)欄的合理設(shè)計(jì)與安全應(yīng)用，有效解決工程實(shí)際問(wèn)題。