孔大川 吳凈潔 張鑌 梁亞平

1.青島市公路事業(yè)發(fā)展中心 266101

2.北京中路安交通科技有限公司 100071

引言

我國(guó)公路早期病害嚴(yán)重，同時(shí)伴隨著交通流量逐年增加，超限運(yùn)輸現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致加鋪罩面頻繁。路面增高，會(huì)使護(hù)欄與路面間相對(duì)高度降低，防護(hù)能力不足?，F(xiàn)階段國(guó)內(nèi)已經(jīng)研究出多種加高的方法，如增設(shè)套管加高法、偏心防阻塊加高法、立柱拔出重新打入法和增設(shè)立柱法等。

三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄的立柱上設(shè)置有預(yù)留孔，加高需求在0～20cm 時(shí)，可每隔4cm 一檔進(jìn)行加高。但由于三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄原始結(jié)構(gòu)立柱只開(kāi)設(shè)有5 個(gè)預(yù)留加高孔，最大只能加高至20cm，當(dāng)需要20cm 以上的加高高度時(shí)，原結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)。若采用在原防阻塊上重新開(kāi)孔，同時(shí)增設(shè)內(nèi)套管并開(kāi)設(shè)增高孔的方法，可實(shí)現(xiàn)對(duì)超過(guò)20cm 以上的特定加高高度進(jìn)行加高，但由于公路改造需求量大，此種加高方案需更換防阻塊，造價(jià)較高。針對(duì)上述問(wèn)題，本文對(duì)三（A）級(jí)護(hù)欄加高的構(gòu)造形式進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，并通過(guò)仿真計(jì)算和碰撞試驗(yàn)，對(duì)護(hù)欄的受力性能和連接進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)同類護(hù)欄的加高設(shè)計(jì)具有參考意義。

1 加高方案

1.1 加高方法的選擇

現(xiàn)階段公路改造時(shí)護(hù)欄主要的加高方法優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 幾種加高方法對(duì)比Tab.1 Comparison of several heightening methods

針對(duì)三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄加高40cm 的情況下，綜合考慮上述加高方法的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用增設(shè)套管的方法進(jìn)行護(hù)欄加高設(shè)計(jì)。

1.2 套管的選擇

套管可分為內(nèi)套管和外套管，為了達(dá)到相同的抗彎性能，套管的截面系數(shù)不小于原立柱截面系數(shù)。若采用外套管，則原始防阻塊圓弧半徑過(guò)小，無(wú)法連接，需要重新更換防阻塊，因此采用內(nèi)套管進(jìn)行加高。此時(shí)內(nèi)套管與防阻塊存在間隙，在其中增加墊片以滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但由于內(nèi)套管和立柱重疊區(qū)域的截面模量相當(dāng)于套管處截面模量的兩倍，造成剛度突變，可能會(huì)對(duì)護(hù)欄的防護(hù)性能造成影響，需要進(jìn)一步分析驗(yàn)證。

1.3 加高方案設(shè)計(jì)

1.防阻塊設(shè)計(jì)

為了滿足逐級(jí)加高的目的，對(duì)原始防阻塊重新進(jìn)行開(kāi)孔設(shè)計(jì)，根據(jù)原立柱結(jié)構(gòu)可推斷出孔位至少提升150mm。但防阻塊重新開(kāi)孔會(huì)造成額外的成本，不便于現(xiàn)場(chǎng)施工，考慮應(yīng)用原防阻塊上的連接孔與套管進(jìn)行連接，即采用防阻塊倒置安裝。此時(shí)，防阻塊孔位可與套管最上端連接孔連接，安裝孔位提升了194mm，可以彌補(bǔ)原立柱最上端安裝孔至頂面的150mm，防阻塊倒置前后結(jié)構(gòu)如圖1 所示。據(jù)此重新設(shè)計(jì)套管結(jié)構(gòu)，也可滿足逐級(jí)加高的需求。

圖1 防阻塊倒置結(jié)構(gòu)對(duì)比Fig.1 Comparison of the anti-block inverted structure

2.套管設(shè)計(jì)

采用內(nèi)套管和原立柱抗彎截面系數(shù)相當(dāng)?shù)脑瓌t確定套管的尺寸，原始立柱尺寸為φ140 ×4.5mm，抗彎截面模量W＝62874mm4，通過(guò)計(jì)算，采用尺寸為φ127 ×6mm 的套管作為三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)的套管。通過(guò)匹配設(shè)計(jì)出套管上各個(gè)孔位位置，連接孔距頂面40mm，加高孔距連接孔270mm，每隔40mm設(shè)計(jì)一個(gè)加高孔，共5 個(gè)加高孔，可以實(shí)現(xiàn)每隔4cm為一檔進(jìn)行加高的目的。

3.確定螺栓種類及連接個(gè)數(shù)

由于原始未加高結(jié)構(gòu)立柱與防阻塊采用一個(gè)螺栓連接，為了保證加高結(jié)構(gòu)類似，三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄立柱與套管采用一個(gè)螺栓進(jìn)行連接，根據(jù)原始立柱的開(kāi)孔大小采用M16 螺栓。

4.墊片選擇

由于原始防阻塊和套管間存在一定間隙，在連接處增加一個(gè)厚度為6mm 的圓弧墊片，并開(kāi)連接孔，可以補(bǔ)償間隙，保證波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最終加高結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)Fig.2 Three（A）level corrugated beam guardrail heightening structure

2 計(jì)算機(jī)仿真分析

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB05-01—2013）中三（A）級(jí)護(hù)欄碰撞條件建立小型客車、中型客車和中型貨車的計(jì)算機(jī)仿真模型，碰撞條件見(jiàn)表2。

表2 三（A）級(jí)護(hù)欄碰撞條件Tab.2 Three（A）level guardrail collision conditions

2.1 護(hù)欄防護(hù)性能

對(duì)于護(hù)欄的導(dǎo)向功能，三種車輛碰撞最不利車型為中型貨車，因此確定指標(biāo)時(shí)采用中型貨車作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。由圖3 可見(jiàn)，中型貨車在20m內(nèi)，沒(méi)有越過(guò)導(dǎo)向駛出框邊界線且駛離后未翻車，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖3 中型貨車碰撞后行駛軌跡Fig.3 The trajectory of a medium-sized truck after a collision

對(duì)于護(hù)欄的緩沖功能，僅采用小型客車作為主要評(píng)價(jià)依據(jù)。由圖4 可見(jiàn)，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量為64.7m／s2、69.4m／s2，均不大于200m／s2，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量為5.26m／s、5.03m／s，均不大于12m／s，護(hù)欄緩沖功能良好。

圖4 乘員碰撞加速度和速度曲線Fig.4 Acceleration and velocity curves of occupant collision

2.2 立柱-套管連接性能

立柱和套管連接處的截面模量是套管截面模量的2 倍，造成剛度突變，有可能導(dǎo)致立柱-套管的變形突變。通過(guò)分析護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況發(fā)現(xiàn)并未產(chǎn)生突變的變形，表明套管尺寸選擇合理。護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況如圖5 所示。

圖5 護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管變形情況Fig.5 Column-casing deformation in the collision area of the guardrail

2.3 螺栓連接性能

立柱與套管連接螺栓為4.8 級(jí)M16 螺栓，其保證載荷為48700N，三種車輛螺栓最大剪切力如表3 所示，雖然存在螺栓剪切斷裂的情況，但根據(jù)車身姿態(tài)可以看出車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，斷裂螺栓不影響護(hù)欄防護(hù)性能。

表3 螺栓剪切力Tab.3 Bolt shear force

綜上所述，三種車輛碰撞護(hù)欄后，均未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，護(hù)欄導(dǎo)向、緩沖性能良好?？梢?jiàn)三（A）級(jí)標(biāo)準(zhǔn)碰撞條件下波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)的仿真碰撞分析各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）要求。

3 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)

3.1 護(hù)欄的導(dǎo)向功能

圖6 為中型貨車碰撞護(hù)欄行駛軌跡，可見(jiàn)其碰撞護(hù)欄后平穩(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，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

圖6 中型貨車碰撞護(hù)欄行駛軌跡Fig.6 The trajectory of a medium-sized truck colliding with a guardrail

3.2 護(hù)欄的緩沖功能

表4 為小型客車緩沖性能評(píng)價(jià)，可見(jiàn)乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m／s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m／s2，滿足評(píng)價(jià)指標(biāo)要求。

表4 小型客車碰撞試驗(yàn)緩沖性能評(píng)價(jià)Tab.4 Evaluation of cushioning performance of small passenger car crash test

3.3 螺栓連接性能

三種車輛在實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)中立柱套管雖有不同程度的倒伏，但斷裂的螺栓均在套管與防阻塊連接位置，立柱套管連接螺栓沒(méi)有斷裂，如圖7 所示，車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，說(shuō)明加高結(jié)構(gòu)可以滿足安全性能要求。

圖7 實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)螺栓情況Fig.7 Bolt situation in full-scale crash test of real vehicle

綜上所述，護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均符合《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013），護(hù)欄強(qiáng)度滿足中型客車和中型貨車的防護(hù)需求，且未對(duì)小型客車造成絆阻現(xiàn)象，護(hù)欄防護(hù)性能達(dá)到三（A）級(jí)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用增設(shè)立柱配合防阻塊倒置的方法對(duì)三（A）級(jí)波形梁進(jìn)行加高，同時(shí)通過(guò)理論計(jì)算，選取合理的套管尺寸，避免立柱與套管在連接處附近由于剛度的突變影響護(hù)欄的防護(hù)性能，最終提出了可逐級(jí)加高的護(hù)欄結(jié)構(gòu)。通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)的方法對(duì)三（A）級(jí)波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)防護(hù)性能進(jìn)行驗(yàn)證，加高結(jié)構(gòu)各項(xiàng)指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）要求。