聶祝清

（湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長沙 410000）

0 引言

我國現(xiàn)行使用的公路護(hù)欄有剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄、柔性護(hù)欄等三種常用類型[1]。其中，剛性護(hù)欄使用最為廣泛。剛性護(hù)欄大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因其剛性大，在車輛碰撞護(hù)欄的過程中幾乎不會(huì)發(fā)生變形，主要通過車輛變形以及車輛與護(hù)欄、地面之間的摩擦力抵消碰撞能量。因此，在車輛與剛性護(hù)欄碰撞的過程中往往造成的損害較大，大都伴隨二次傷害的產(chǎn)生。半剛性護(hù)欄最常用的波形護(hù)欄在碰撞時(shí)可通過自身變形吸能延長碰撞加速度時(shí)間發(fā)揮較好的導(dǎo)向作用。但應(yīng)用在橋梁和高邊坡上時(shí)，當(dāng)碰撞力較大時(shí)很可能由于護(hù)欄剛性不足導(dǎo)致?lián)p毀護(hù)欄沖出限界造成重大安全事故。柔性護(hù)欄多為纜索結(jié)構(gòu)，其防撞能力弱，對(duì)大型車輛幾乎沒有防護(hù)作用，在橋梁上幾乎不會(huì)使用。在橋梁、高邊坡等危險(xiǎn)地段使用最為廣泛的是剛性護(hù)欄[2-5]。不同車型與護(hù)欄的碰撞位置高度不同，護(hù)欄剛度過大會(huì)導(dǎo)致碰撞力增加。因此，在保證一定剛度的前提下對(duì)護(hù)欄迎撞面的剛度進(jìn)行優(yōu)化，使其在碰撞過程中可以有效吸能，延長碰撞加速度時(shí)間，可以降低碰撞過程中車輛損壞[6]。設(shè)計(jì)一種新型嵌入緩沖塊的裝配式護(hù)欄，可以很好地解決汽車碰撞護(hù)欄造成損害過大的問題。

1 裝配式新型護(hù)欄的設(shè)計(jì)與安裝

1.1 裝配式新型護(hù)欄的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG TD81—2017）中以HA級(jí)單坡護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸為參考基礎(chǔ)，在其內(nèi)側(cè)也就是迎撞面設(shè)置凹槽作為嵌入緩沖塊的位置，緩沖塊高度為h，截面呈梯形，其梯形斜邊與HA級(jí)單坡護(hù)欄斜率一致，以保證其在碰撞過程中的導(dǎo)向性。在嵌入緩沖塊后，混凝土護(hù)欄截面尺寸變小，為保障剛度削弱不大，可通過在護(hù)欄背面加厚混凝土的厚度實(shí)現(xiàn)，加厚區(qū)如圖1所示。此外，在內(nèi)側(cè)受拉區(qū)需要根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)削弱截面，截面1-1為緩沖塊頂部對(duì)應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面2-2為緩沖塊底部對(duì)應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面3-3為護(hù)欄底部截面，三個(gè)關(guān)鍵截面配筋如表1所示，配置直徑為C16mm及C20mm的HRB400鋼筋。新型護(hù)欄的鋼筋與連接件橫截面布置如圖2所示，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果擬定新型裝配式護(hù)欄的配筋布置，護(hù)欄預(yù)制混凝土部分迎撞面每延米擬采用10根直徑為C20mm的鋼筋，根部連接鋼筋每延米布置5根直徑為C20mm的鋼筋。

表1 新型護(hù)欄控制截面配筋數(shù)量

圖1 新型裝配式護(hù)欄尺寸圖（單位：cm）

漿錨鋼筋及波紋管布置如圖2所示。漿錨鋼筋N3、N4預(yù)留在橋面板懸臂上，其下端與橋面板懸臂鋼筋焊接成整體，在護(hù)欄預(yù)制時(shí)按照縱向每10cm預(yù)留N3、N4鋼筋安裝孔（以波紋管的形式），護(hù)欄分節(jié)起吊安裝就位過程N(yùn)3、N4鋼筋插入預(yù)留孔內(nèi)即刻灌入C40早強(qiáng)灌漿料連接成整體，24h強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%開始緩沖塊安裝，48h強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%即可投入使用，整個(gè)裝配施工的周期較現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄澆筑大幅縮短（進(jìn)度受模板周轉(zhuǎn)限制且混凝土養(yǎng)護(hù)周期長），同時(shí)裝配式施工最大限度地減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染，尤其是在市鎮(zhèn)施工時(shí)。護(hù)欄的預(yù)制件長度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按5～8m每節(jié)預(yù)制，與大多設(shè)計(jì)院設(shè)置斷縫長度基本相同，以避免護(hù)欄縱向受拉主筋頻繁斷開。

圖2 新型裝配式護(hù)欄的鋼筋與連接件橫截面布置圖（單位：cm）

1.2 裝配式新型護(hù)欄的安裝

（1）護(hù)欄混凝土節(jié)段與緩沖塊的預(yù)制。護(hù)欄的混凝土節(jié)段與緩沖塊節(jié)段均分節(jié)段在工廠進(jìn)行預(yù)制，分節(jié)長度5～8m為宜，以便運(yùn)輸與安裝，工廠宜采用蒸汽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可加快預(yù)制進(jìn)度。

（2）橋面板澆筑。橋梁施工時(shí)先澆筑橋梁懸臂板部分，并按設(shè)計(jì)要求預(yù)留好與護(hù)欄的錨固鋼筋。

（3）混凝土節(jié)段安裝。將護(hù)欄的混凝土節(jié)段安裝到橋梁懸臂位置并進(jìn)行鋼筋的綁扎與焊接，通過漿錨注漿的方式進(jìn)行錨固，注漿材料標(biāo)號(hào)不低于C40。

（4）緩沖塊安裝。預(yù)制好的緩沖塊與混凝土節(jié)段的安裝槽應(yīng)保持表面光滑、清潔，先進(jìn)行接觸面摩擦系數(shù)試驗(yàn)，確定接觸面的技術(shù)要求后再批量進(jìn)行安裝。

（5）橋面鋪裝施工。按設(shè)計(jì)要求綁扎橋面網(wǎng)鋼筋，澆筑橋面鋪裝混凝土。

2 護(hù)欄-懸臂板協(xié)同受力承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）中HA級(jí)護(hù)欄確定新型裝配式護(hù)欄橫向碰撞標(biāo)準(zhǔn)力值與分布長度。最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D=0時(shí)橫向碰撞力取值720kN，D=0.3～0.6m時(shí)橫向碰撞力按照620～550kN線性內(nèi)插取值，分布長度取值2.4m。根據(jù)1.1節(jié)新型裝配式護(hù)欄尺寸圖與相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)建立護(hù)欄橋面板懸臂協(xié)同受力的靜力模型，最不利荷載工況為汽車碰撞力與結(jié)構(gòu)以及汽車自重荷載組合。經(jīng)仿真分析得到混凝土第一主拉應(yīng)力云圖（圖3）與橫向主筋拉應(yīng)力云圖（圖4）?；炷林骼瓚?yīng)力峰值出現(xiàn)在護(hù)欄根部。

從應(yīng)力云圖中可知，混凝土第一主應(yīng)力為3.32MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度1.65MPa，鋼筋最大應(yīng)力為204MPa。由此可知，混凝土產(chǎn)生了裂縫但鋼筋并未發(fā)生屈服。

圖3 混凝土第一主拉應(yīng)力云圖

圖4 鋼筋應(yīng)力云圖

3 車輛-護(hù)欄碰撞有限元模型的建立與碰撞過程中車乘安全性主要影響因素分析

3.1 車輛-護(hù)欄碰撞有限元模型的建立

護(hù)欄的安全性評(píng)判需要依靠碰撞的仿真試驗(yàn)與足尺試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。采用ABAQUS進(jìn)行仿真建模，有限元模型按以下步驟建立：

（1）選取符合規(guī)范的有限元汽車并進(jìn)行模型驗(yàn)證；

（2）建立護(hù)欄、橋面板懸臂的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義好材料、單元，混凝土定義為實(shí)體單元，鋼筋定義為桁架單元，并將鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)耦合；

（3）建立邊界條件與接觸類型：橋面板根部各向固定，其他方向無約束，鑒于車輛與護(hù)欄碰撞過程復(fù)雜，判斷接觸面發(fā)生方向較為困難，故選擇自動(dòng)接觸的方式。

3.2 新型裝配式護(hù)欄碰撞過程中車乘安全性主要影響因素分析

車輛與護(hù)欄的碰撞過程中，車輛與地面、護(hù)欄之間產(chǎn)生摩擦力。在安裝緩沖塊以后，車輛輪胎與緩沖塊直接接觸，緩沖塊的高度尺寸過低，撞擊點(diǎn)可能落在緩沖塊之外，從而起不到緩沖吸能的作用，而緩沖塊高度過高可能導(dǎo)向性不佳致使車輛飛出護(hù)欄外，因此護(hù)欄緩沖塊尺寸高度是影響碰撞結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此需要根據(jù)以往碰撞事故中的研究成果大致確定出發(fā)生碰撞時(shí)的碰撞高度，在此高度區(qū)間內(nèi)取值進(jìn)行對(duì)比分析。緩沖塊與混凝土接觸面的摩擦系數(shù)是影響碰撞結(jié)果的又一關(guān)鍵因素，橡膠作為較好的碰撞吸能材料，其與光滑混凝土面之間的摩擦系數(shù)約為0.3，在潤滑條件下可達(dá)到0.1以下，因此在對(duì)比研究時(shí)取摩擦系數(shù)0.05～0.3之間為宜。緩沖塊彈性模量影響碰撞力的吸收，使用橡膠最為適宜，但成本較高不利于大面積推廣使用，而泡沫混凝土成本較低，且可以控制發(fā)泡程度相應(yīng)的改變彈性模量，是較好的緩沖材料。

為分析安裝緩沖塊后的護(hù)欄碰撞中的車乘安全性能，將通過有限元仿真模擬碰撞過程中的車輛橫向、縱向加速度的變化來進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

4 緩沖塊關(guān)鍵參數(shù)對(duì)車乘安全性的影響分析

4.1 緩沖塊尺寸高度對(duì)車乘安全性影響分析

緩沖塊尺寸高度分別設(shè)計(jì)為70cm與90cm（緩沖塊70cm高時(shí)安裝底面以距離橋面鋪裝頂面25cm處開始，緩沖塊90cm高時(shí)安裝頂面以距離橋面鋪裝頂面15cm處開始），以55t鞍式貨車來模擬碰撞（大型貨車發(fā)生碰撞引起的破壞效果更大）。通過建立有限元碰撞模型模擬HA級(jí)單坡護(hù)欄、新型護(hù)欄緩沖塊高度70cm、新型護(hù)欄緩沖塊高度90cm（新型護(hù)欄的彈性模量取值2 500MPa，摩擦系數(shù)取值0.3）三種碰撞情況，得到三種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

通過三種情況碰撞仿真模擬分析數(shù)據(jù)可知：車輛橫向與縱向加速度均小于20g，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；安裝緩沖塊后車頭質(zhì)心的橫向加速度最值分別減少40.0%與46.2%，說明緩沖塊起到了較好的作用。但隨著尺寸增高，加速度峰值降低并不明顯。車頭的縱向加速分別增加10.2%與減少15.13%，影響并不明顯。安裝緩沖塊后車輛質(zhì)心橫向加速度分別減少26.1%與提高2%，且與HA級(jí)單坡護(hù)欄相比，峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后較多，這源于緩沖塊的吸能變形所致。緩沖塊尺寸90cm時(shí)車輛質(zhì)心橫向加速度、縱向加速度比HA單坡護(hù)欄更大且發(fā)生時(shí)間延長很多，說明發(fā)生了再次碰撞且再次碰撞的加速度峰值最大，據(jù)此緩沖高度為70cm時(shí)車輛的安全性能更高。緩沖塊高度為90cm車頭安全性較高，但車輛安全性不及HA級(jí)單坡護(hù)欄。

4.2 緩沖塊與混凝土的摩擦系數(shù)對(duì)車輛安全性的影響分析

設(shè)定緩沖塊與新型護(hù)欄混凝土之間摩擦系數(shù)為0.05、0.1、0.2、0.3，模擬以55t鞍式貨車與新型護(hù)欄及HA級(jí)單坡型護(hù)欄發(fā)生碰撞，緩沖塊尺寸高度為70cm，安裝方式同上。得到五種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

對(duì)比分析可知：（1）在以上幾種情況下，車頭質(zhì)心及車輛質(zhì)心的橫向、縱向加速度最大值均小于20g，滿足我國護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄緩沖功能中車輛加速度的要求；（2）由車輛加速度數(shù)據(jù)可知，車頭質(zhì)心橫向加速度最小的是摩擦系數(shù)0.3時(shí)的6.422g，較HA級(jí)單坡護(hù)欄小40.0%，其他兩種情況的車頭橫向加速度也比HA級(jí)護(hù)欄低；車頭質(zhì)心縱向加速度最小的是摩擦系數(shù)0.2時(shí)的13.685g，較HA級(jí)單坡護(hù)欄小17.72%。此外，幾種摩擦系數(shù)下縱向加速度較HA級(jí)單坡護(hù)欄都大；且車輛質(zhì)心的橫向加速也是在摩擦系數(shù)0.2時(shí)最小，較之HA級(jí)單坡護(hù)欄小51.8%，而摩擦系數(shù)對(duì)車輛質(zhì)心的縱向加速度影響不明顯。據(jù)此選擇緩沖塊摩擦系數(shù)0.2時(shí)車輛、車頭質(zhì)心橫向、縱向加速度最值小于或約等于HA級(jí)單坡護(hù)欄的數(shù)值，因而碰撞過程車輛安全性更高。

4.3 緩沖塊彈性模量對(duì)車輛安全的影響分析

設(shè)定緩沖塊的彈性模量為2 500MPa、1 250MPa、625MPa、300MPa，以55t鞍式貨車與新型護(hù)欄及HA級(jí)單坡型護(hù)欄發(fā)生碰撞模擬分析（緩沖塊高度70cm，摩擦系數(shù)0.2）。得到五種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

對(duì)比貨車與不同彈性模量緩沖塊新型護(hù)欄的碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)可知：

（1）車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，車輛各參考點(diǎn)質(zhì)心的橫向縱向加速度最值均小于20g，加速度滿足我國護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄緩沖功能的要求。

（2）加入緩沖塊后較之HA級(jí)護(hù)欄車頭質(zhì)心橫向加速度約有20%的降低，但與彈性模量的變化未呈現(xiàn)規(guī)律性；車頭質(zhì)心的縱向加速度在彈性模量2 500MPa時(shí)最大，且隨彈性模量降低有下降趨勢(shì)；車輛質(zhì)心的橫向加速度較HA級(jí)護(hù)欄有較大降低但未呈現(xiàn)明顯規(guī)律；車輛質(zhì)心縱向加速度在彈性模量1 250MPa時(shí)最小。據(jù)以上分析，彈性模量的變化對(duì)車輛碰撞加速度影響不大且均符合規(guī)范要求?？紤]橫向的碰撞力隨彈性模量的增加而減少，縱向碰撞力隨彈性模量的減少而降低，因此，在合適的材料范圍內(nèi)應(yīng)選擇彈性模量較高的材料作為緩沖塊。

4.4 新型裝配式護(hù)欄與普通剛性護(hù)欄的車乘安全性對(duì)比分析

根據(jù)前述對(duì)新型裝配式護(hù)欄關(guān)鍵參數(shù)的研究結(jié)果設(shè)定緩沖塊與預(yù)制混凝土塊之間的摩擦系數(shù)為0.2，緩沖塊尺寸高度為70cm。緩沖塊材料結(jié)合成本與施工簡便考慮以泡沫混凝土作為緩沖塊材料最為合適，泡沫混凝土密度為799kg/m3，泊松比0.1，彈性模量為342.2MPa，抗拉強(qiáng)度為0.2MPa[7]。分析小型客車與55t大型貨車與護(hù)欄碰撞過程中車輛加速度并與普通剛性護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比。

通過對(duì)比新、舊護(hù)欄與兩種車型碰撞過程中的加速度及最值可得：兩種車型與兩種護(hù)欄的碰撞過程中車輛質(zhì)心加速度均小于20g，符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)護(hù)欄的緩沖要求；小型客車與55鞍式貨車的橫向加速時(shí)分別減少33.5%與50.9%，縱向加速度增加4.0%與14.4%。由此可知，新型裝配式護(hù)欄嵌入泡沫混凝土緩沖塊后車輛碰撞的橫向加速度明顯減小，縱向加速度增加不大且在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。因此，新型裝配式護(hù)欄可有效提高車乘的安全性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種在HA級(jí)單坡護(hù)欄的迎撞面嵌入泡沫混凝土作為緩沖塊的新型裝配式護(hù)欄，并通過模擬碰撞對(duì)其在碰撞過程中的車乘安全性與HA級(jí)單坡護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論。

（1）在HA級(jí)單坡護(hù)欄上嵌入70cm高的緩沖，發(fā)生碰撞時(shí)可有效降低車頭質(zhì)心的橫向加速度峰值40%左右，降低車輛質(zhì)心的橫向加速峰值25%左右。

（2）預(yù)制混凝土節(jié)段護(hù)欄與緩沖塊接觸面的摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，新型護(hù)欄安全性能更優(yōu)，車頭的縱向加速度減少17.2%，車輛質(zhì)心橫向加速度減少51.9%。

（3）以泡沫混凝土作為緩沖塊材料，與HA級(jí)單坡護(hù)欄相比，新型護(hù)欄在碰撞過程中車輛質(zhì)心加速度絕對(duì)值較HA級(jí)單坡式護(hù)欄整體上降低，說明新型護(hù)欄可有效提高碰撞過程中的車乘安全性。