張 淑 寶

(漳州廈蓉高速擴建工程有限公司，福建 漳州 363000)

0 引 言

中央分隔帶分離式混凝土護欄由于其防護等級高，對于輕微的車輛碰撞，一般無需維修，已越來越廣泛地應用于高速公路上。為了不影響中央分隔帶的管線埋設，通常采用嵌固式基礎，護欄墻體放置在枕梁上，兩側墻體之間設置支撐塊，依靠路面和支撐塊的嵌固作用使護欄結構保持穩(wěn)定。護欄墻體為預制形式，每節(jié)長4 m，預制段上預埋連接螺栓，用連接方鋼將護欄縱向連接成整體。安裝后，路面距護欄頂面100 cm，采用加強型坡面，護欄高度及坡面形式均與JTG/T D 81—2017《公路交通安全設施設計細則》(以下簡稱《設計細則》)一致。

混凝土護欄一般為墻式護欄，對于梁柱式混凝土護欄則需要特殊開發(fā)[1]。由于公路路面養(yǎng)護時，路面罩面一般厚度不大，根據(jù)JTG D 81—2017《公路交通安全設施設計規(guī)范》(以下簡稱《設計規(guī)范》)及《設計細則》的要求，當路面罩面厚度小于(含)7.5 cm，即路面將混凝土護欄底部的7.5 cm直面完全覆蓋，中央分隔帶分離式混凝土護欄總高度降低為92.5 cm時，護欄的防護等級仍然可以達到SAm級；但當罩面厚度大于10 cm，即護欄高度為90 cm時，車輛在碰撞護欄后出現(xiàn)了翻車現(xiàn)象[2](圖1)，不能滿足SAm級防護等級要求，因此需要對護欄進行加高，以提升護欄的防護性能。

圖1 車輛碰撞護欄后翻車

如果采用混凝土植筋加高或者混凝土預制塊加高，則不僅難以保障體積較小的現(xiàn)澆混凝土或混凝土預制塊自身的結構強度，而且會增加混凝土塊后期的維修養(yǎng)護難度；如果采用組合式護欄加高，則根據(jù)《設計細則》要求，組合式護欄的總高度應在標準混凝土護欄的基礎上增加10 cm，即護欄總高度為110 cm，這不但會增加提升方案的實施難度，而且對原護欄的景觀效果有較大影響。為保持護欄原有的景觀效果，同時降低改進護欄在施工時對現(xiàn)有中央分隔帶內綠植的影響，護欄的高度以保持100 cm高度較為合理。

筆者參考文獻[3-9]，將組裝式鋼構件與原有混凝土護欄進行連接，得到了一種改進混凝土護欄，并進行了仿真分析和實車足尺碰撞試驗。研究表明：改進混凝土護欄的防護等級滿足JTG B 05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》(以下簡稱《評價標準》)的SAm級(五級)防護要求。

1 改進混凝土護欄結構

中央分隔帶分離式改進混凝土護欄由原混凝土護欄及增加的組裝式鋼構件組成，如圖2。組裝式鋼構件包括橫梁、套管、支撐梁和連接螺栓等。

圖2 改進混凝土護欄

由于護欄頂部的寬度較窄，為保證頂部橫梁可靠連接，采用植入螺栓的方式連接，橫梁縱向之間設置套管；為降低施工難度，減少植入螺栓數(shù)量，拼接螺栓與連接螺栓共用。鑒于護欄增高后無法增加種植土厚度，導致上部護欄結構在受到碰撞時變形增大。因此，在兩側橫梁之間每2 m增設1個支撐梁，支撐梁與橫梁之間的連接也采用與連接螺栓共用的方式。為便于施工，拼接處采用單側(內側)開口型橫梁和套管，如圖3。套管螺栓孔為通孔，支撐梁主斷面為槽鋼，兩端焊接鋼板，可直接扣接在連接螺栓上，支撐梁與套管連接后可約束套管的移動。

圖3 套管

提升結構的施工順序為：在原混凝土護欄頂部鉆孔→植入化學螺栓→套入橫梁→放入套管→套入支撐梁→擰緊螺栓→完成安裝。

2 改進混凝土護欄仿真分析

2.1 仿真模型建立

建立改進混凝土護欄的仿真模型(圖4)，模型主體采用solid單元(混凝土)+ beam(鋼筋)單元建立。護欄后部的連接型鋼采用beam單元建立，橫梁及支撐均采用shell單元建立。根據(jù)《評價標準》要求，護欄模型總長度設為40 m，采用嵌固 + 枕梁 + 支撐塊的約束方式。

圖4 改進混凝土護欄仿真模型

2.2 仿真分析

選擇小轎車、大型客車及大型貨車3種車型來仿真分析改進混凝土護欄的防撞性能，并與標準型護欄分析結果[2]進行對比。

2.2.1 小轎車碰撞

由圖 5 仿真碰撞過程可見：小轎車與改進混凝土護欄發(fā)生碰撞后，車輛能安全駛出，沒有翻車、穿越、騎跨等現(xiàn)象發(fā)生；改進混凝土護欄主體沒有明顯的破壞。

圖5 小轎車碰撞改進混凝土護欄過程

1)小轎車乘員加速度a

由于混凝土護欄坡面的主要作用是使小轎車在與護欄發(fā)生碰撞時沿護欄的坡面爬升，從而增加車輛與護欄的碰撞作用時間，降低車輛乘員碰撞后加速度。當路面加鋪厚度t> 7.5 cm時，原護欄底部的部分坡面被新路面覆蓋，坡面長度降低，導致車輛乘員碰撞后加速度值變大。小轎車與改進混凝土護欄及標準型護欄發(fā)生碰撞后乘員加速度變化如圖6。由圖可見：車輛乘員縱向加速度ax、橫向加速度ay均不大于200 m/s2，滿足《評價標準》的要求。

圖6 小轎車與混凝土護欄碰撞后乘員加速度曲線

2)小轎車重心高度HG

圖7、圖8分別為小轎車與改進混凝土護欄及標準型護欄發(fā)生碰撞過程中，車輛重心高度變化曲線和最大爬高形態(tài)。由圖可見：以初始狀態(tài)為0點，小轎車沿改進護欄的爬升高度明顯小于標準型護欄的，重心最大爬升高度由395 mm降為75 mm。

圖7 碰撞護欄過程中小轎車重心高度曲線

圖8 碰撞護欄過程中小轎車最大爬高形態(tài)

2.2.2 大型客/貨車碰撞

由圖9大型客/貨車與改進混凝土護欄發(fā)生碰撞的仿真過程可見：車輛均沒有翻車、穿越、騎跨等現(xiàn)象發(fā)生，車輛均安全駛出，護欄的阻擋功能、緩沖功能和導向功能均滿足《評價標準》要求。

圖9 大型客/貨車碰撞改進混凝土護欄過程仿真

圖10為大型客/貨車仿真碰撞后，改進混凝土護欄的支撐梁和橫梁應力云圖，可見：

圖10 大型客/貨車碰撞后改進混凝土護欄支撐梁及橫梁應力云圖

1)改進混凝土護欄中，上部增加的橫梁起到了主要攔截作用，大型客車碰撞時，橫梁變形較小，碰撞點附近套管處橫向支撐梁變形較為明顯，應力峰值達到400 MPa。

2)大型貨車碰撞時，由于車輛上部結構變形較大，車輛與橫梁和支撐梁剮蹭，導致有3根支撐梁產(chǎn)生破壞，但沒有影響車輛的正常駛出。

3 改進混凝土護欄實車碰撞試驗

在具備CNAS檢測資質的北京深華達交通工程檢測有限公司碰撞試驗場地，按照1∶1比例修筑混凝土護欄，并按照《評價標準》的SAm級(五級)碰撞條件進行實車足尺碰撞試驗。改進混凝土護欄由兩側中央分隔帶混凝土護欄墻體、種植土、支撐梁、加高橫梁及套管、連接螺栓等組成。支撐梁為槽鋼770 mm × 120 mm × 61 mm；加高橫梁為矩形梁150 mm × 100 mm × 6 mm × 3 980 mm；拼接套管為矩形管120 mm × 80 mm × 8 mm × 300 mm；混凝土護欄高度900 mm，加高橫梁高度100 mm，護欄路面以上總體高度1 000 mm；護欄共計安裝10節(jié)，單節(jié)長度4 000 mm，安裝總長度40 000 mm，混凝土強度等級為C30；加高橫梁通過化學錨栓錨固于混凝土護欄頂部。

改進混凝土護欄實車碰撞試驗后的照片如圖11，試驗結果及評價指標見表1。

圖11 車輛碰撞后改進混凝土護欄照片

由圖11可見：小轎車碰撞后，改進混凝土護欄無明顯變形；大型客、貨車碰撞后，改進混凝土護欄的支撐梁分別出現(xiàn)了2～3處局部破壞，但均沒有對車輛的行駛軌跡造成不利影響。

由表1可知：筆者提出的中央分隔帶改進分離式混凝土護欄的防護等級可滿足SAm級防護要求；根據(jù)試驗大型客車的碰撞條件——車輛質量14 120 kg，碰撞速度82 km/h，碰撞角度20.4°——計算，改進混凝土護欄的防護能量最高可達445 kJ。

表1 改進混凝土護欄實車碰撞試驗結果

4 結 語

設計了一種中央分隔帶分離式改進混凝土護欄；分別選用小轎車、大型客車、大型貨車3種車型，對改進混凝土護欄進行了仿真碰撞分析及實車碰撞試驗。研究表明：小轎車碰撞后，乘員碰撞加速度值滿足評價標準要求；大型客車及大型貨車碰撞后，改進混凝土護欄的支撐梁及橫梁產(chǎn)生變形，但能有效阻擋并導向車輛；改進混凝土護欄的各項評價指標均能滿足評價標準要求，防護等級可達到SAm級。