張 力

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

采用波形鋼護(hù)欄板與鋼柱進(jìn)行拼接而成的半剛性道路護(hù)欄，具有工業(yè)化生產(chǎn)、成熟表面處理、防腐蝕、安裝方便、功能有效等優(yōu)勢。另外，該護(hù)欄結(jié)構(gòu)簡單，防盜性能好，適應(yīng)各種地形，成本適中，使用壽命長，已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的交通建設(shè)領(lǐng)域。如何在現(xiàn)有波形鋼護(hù)欄材料的基礎(chǔ)上，改進(jìn)原始防撞性低的護(hù)欄，以改善其抗碰撞性能，是目前的一個(gè)重要課題。付曉鵬等[1]提出的橋梁梁柱式型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，采用矩形管制造橫梁，將立柱設(shè)置為斜H形，兩者通過角鋼連接，底部與護(hù)欄迎撞面平行，改造鋼護(hù)欄高度，完成鋼護(hù)欄升級改造；張春發(fā)等[2]提出的基于SA級外懸式鋼護(hù)欄立柱柱腳強(qiáng)度的優(yōu)化方法，在橋面外側(cè)懸掛立柱，通過計(jì)算機(jī)仿真改善小曲線半徑路段，以此加強(qiáng)護(hù)欄立柱強(qiáng)度，進(jìn)而完成鋼護(hù)欄升級改造。然而，這兩種方法無法完全滿足道路安全強(qiáng)度要求，為此，本文提出了高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案設(shè)計(jì)。

1 工程概況

本文以廣西某高速公路路段的半剛性波形鋼護(hù)欄為例，該路段全長75 km，雙向六車道，設(shè)計(jì)時(shí)速為120 km/h。原設(shè)計(jì)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)是300 mm×85 mm×4 mm的雙波板，115 mm×4 mm立柱，橫梁間距為4 m，阻塞塊為3 mm，全部鋼材采用熱鍍鋅。波形鋼護(hù)欄在使用時(shí)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如波形梁板的中心高度、立柱、防阻塊、鍍鋅涂料厚度等，都要進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)。隨著道路高程的增大，在原有道路與中間隔離區(qū)的基礎(chǔ)上，僅添加30 cm的中間波形梁板加固梁，其防護(hù)性能和防撞性要求都大為降低，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2 高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案

合理利用原始護(hù)欄，使之達(dá)到新的標(biāo)準(zhǔn)。在進(jìn)行改造工程設(shè)計(jì)時(shí)，必須明確：(1)防撞性優(yōu)先；(2)降低造價(jià)，使原有護(hù)欄構(gòu)件得到最大限度的利用；(3)構(gòu)件加工容易、施工簡便、便于操作。

2.1 改造參數(shù)的確定

2.1.1 立柱埋深的確定

由于局部基礎(chǔ)的強(qiáng)度和深度均未達(dá)到要求，大型車輛撞上護(hù)欄時(shí)，護(hù)欄雖然不會(huì)發(fā)生彎曲，但由于土壤的原因，護(hù)欄的作用也不能充分發(fā)揮[3]。為了得到與推薦的抗拔力相當(dāng)?shù)闹?，必須相?yīng)增加立柱埋深。

選取埋設(shè)在土中的立柱為研究對象，分析立柱被拔起的臨界條件，公式為：

F拔≥f阻+F拉

(1)

式中：f阻——立柱拔起時(shí)受到周圍土體的阻力；

F拉——立柱拔起時(shí)地面受到的拉力[4]。

在式(1)中f阻參數(shù)的支持下，計(jì)算剪力，公式為：

f阻=γi·di·r·θ

(2)

式中：γi——第i層路肩承受的最大剪應(yīng)力；

di——第i層路肩厚度；

r——立柱直徑；

θ——立柱拔起時(shí)的角度[5-7]。

結(jié)合式(2)，計(jì)算路肩結(jié)構(gòu)層所能承受的最大剪力，公式為：

(3)

式中：h——立柱埋深。

選擇立柱底面單元體為主要研究對象，設(shè)計(jì)立柱底面單元體，使護(hù)欄立柱升級改造方案獲得理想的抗拔力[8]。

2.1.2 澆筑高度的確定

半剛性波形鋼護(hù)欄在改建后，因其與原有護(hù)欄相比有很大的差異，因此在加固后的護(hù)欄混凝土澆筑時(shí)，首先要選擇3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為最適合的箍筋位置。在這3個(gè)節(jié)點(diǎn)處，鋼管的承載力與碰撞力彎矩是相同的，若柱子的承載力比碰撞力彎矩要大，可以不澆筑混凝土；相反，則必須進(jìn)行混凝土的灌漿[9-10]。該點(diǎn)的澆筑高度計(jì)算公式為：

(4)

式中：P1、P2——鋼管內(nèi)部承受的壓力和受到澆筑影響的壓力；

γ——澆筑相對密度；

hn——鋼管壓力降時(shí)高度[11]。

2.1.3 構(gòu)件受剪承載力的確定

對立柱中澆筑混凝土的部分，主要是由外部鋼管承受剪力，構(gòu)件受剪承載力計(jì)算公式為：

(5)

式中：F剪——作用腹板平面的剪力；

S——剪應(yīng)力處以上的面積；

ω——慣性矩；

d′——抗剪強(qiáng)度。

2.1.4 波形梁板中心高度的確定

波形梁板的中心高度對護(hù)欄的防護(hù)效果有很大的影響，在高度不夠的情況下，大、中型汽車有可能在發(fā)生碰撞后翻過圍欄[12]。在較高的情況下，盡管可以增強(qiáng)對大、中型汽車的阻隔性能，但也會(huì)導(dǎo)致汽車在碰撞后撞上護(hù)欄。波形鋼護(hù)欄橫梁中心高度允許誤差為±20 mm，應(yīng)根據(jù)容許誤差，設(shè)計(jì)與圖紙相符的護(hù)欄高度。

2.1.5 鍍鋅涂層厚度的確定

為保證試驗(yàn)柱和防阻塊的鍍鋅涂層厚度符合基本規(guī)范，波形鋼護(hù)欄梁板的鍍鋅層厚度為60～80μm，當(dāng)其出現(xiàn)明顯的波形橫梁與板面的腐蝕，即具有較小的鍍鋅涂層厚度[13]。

2.2 升級改造方案設(shè)計(jì)

2.2.1 雙層雙波護(hù)欄升級改造

從防撞性能、改造成本、施工難度、社會(huì)經(jīng)濟(jì)等方面考慮，在原護(hù)欄基礎(chǔ)上，采用如圖1所示的改造方案，對其進(jìn)行了加固，并在原始護(hù)欄上添加一層防護(hù)欄，使其變?yōu)殡p層雙波護(hù)欄[14]。

由圖1可知，對于雙層雙波護(hù)欄的改造，其關(guān)鍵在于將立柱加固后，在原來的護(hù)欄板之上再加一層防護(hù)，改造完成后，可形成雙層雙波護(hù)欄。護(hù)欄的改建包括：(1)保持原護(hù)欄板、立柱、防阻塊、螺栓；(2)增加新立柱、防阻塊、護(hù)欄板，并對路旁護(hù)欄構(gòu)件拆掉防阻塊、護(hù)欄板進(jìn)行利舊[15]。

雙層雙波護(hù)欄的設(shè)計(jì)目的是盡可能地利用原有的高速公路護(hù)欄，保持原有的中心隔離欄桿功能，并充分利用道路護(hù)欄部件的擴(kuò)展，以提高防碰撞欄桿的性能。對雙層雙波護(hù)欄進(jìn)行改進(jìn)的具體參數(shù)如下：(1)護(hù)欄柱間距從5 m改為3 m；(2)下部護(hù)欄中心距路緣頂部50 cm，上部護(hù)欄中心距路緣頂部100 cm。雙層雙波護(hù)欄的優(yōu)勢在于，在同等的防撞力下，對大型貨車和客車的防護(hù)效果更好，既能充分利用原有的護(hù)欄，又不會(huì)對原有的護(hù)欄造成太大的損害。雙層雙波護(hù)欄的不足之處在于，必須增設(shè)一段2 500 mm長的柱子，在進(jìn)行施工時(shí)必須在原有的護(hù)欄板中間穿孔。

圖1 改造設(shè)計(jì)方案圖

2.2.2 立交區(qū)中分帶護(hù)欄升級改造

對立交區(qū)的整體路基，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，如果護(hù)欄與路緣不在相同標(biāo)高的情況下，可以將護(hù)欄的中心提升至路緣頂面50 cm以上。采用雙層雙波護(hù)欄重構(gòu)技術(shù)，可以重構(gòu)中央隔離墻的護(hù)欄，使其具有較好的抗碰撞能力。改造方案如下：

(1)保持中心隔離柵欄原有的立柱、護(hù)欄板和防阻塊。

(2)增加一根115 mm×3.5 mm×2 300 mm的柱子，把欄桿的距離從5 m改至3 m。

(3)在鋪設(shè)之前，增設(shè)兩個(gè)195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞塊，并將原來的護(hù)欄板和新的護(hù)欄板進(jìn)行連接。

(4)在原中段欄桿上部增設(shè)195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞塊，并與下部護(hù)欄板橫梁的中間間隔40 cm。采用從路旁或其他道路上拆除的雙層護(hù)欄板，可以反復(fù)使用。

立交橋區(qū)域護(hù)欄設(shè)計(jì)的技術(shù)關(guān)鍵及控制指標(biāo)是：

(1)新增的樁基開挖深度為100 cm，實(shí)際開挖120 cm。在該長樁上設(shè)置兩對鉆孔，其中下孔與地面高度為50 cm，上孔與地面高度為100 cm。

(2)對于新增的兩個(gè)防阻塊，需將其與下層原始護(hù)欄板相連。

2.2.3 護(hù)欄橫隔梁升級改造

通過增加護(hù)欄橫隔梁，可以有效地解決波形梁板的厚度問題，增強(qiáng)護(hù)欄的阻隔性能，防止車輛在發(fā)生碰撞時(shí)翻越護(hù)欄。加強(qiáng)動(dòng)力傳遞通道的橫梁與橫梁的連接，有利于傳遞多跨波形梁板的沖擊力，減小應(yīng)力集中，防止因過度變形而喪失穩(wěn)定性。護(hù)欄橫隔梁可以更好地控制失控的汽車沿著護(hù)欄前進(jìn)，并在摩擦力的作用下緩慢地降低車速，從而保障司機(jī)的人身安全。護(hù)欄橫隔梁升級設(shè)計(jì)方案如圖2所示。

圖2 護(hù)欄橫隔梁升級設(shè)計(jì)圖

由圖2可知，根據(jù)材料的可用性和規(guī)范的施工要求，對上部立柱、上部鋼梁的尺寸進(jìn)行了改造設(shè)計(jì)。立柱直徑的選取應(yīng)先確保下柱易于插入，且無間隙，移動(dòng)立柱和固定立柱間距為1.5 mm。同時(shí)，為了減少生產(chǎn)成本，還應(yīng)該考慮到現(xiàn)行的國家規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。由于上立柱的孔徑變小，為了確保其彎曲強(qiáng)度，將墻體厚度提高至5.0 mm。該規(guī)格與SA等級公路護(hù)欄一致，所以其支撐鋼結(jié)構(gòu)也與之相同，無須特殊處理，可在市場上直接購買。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

使用計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)作為驗(yàn)證高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案合理性的手段，并以實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果為準(zhǔn)。

3.1 仿真過程

采用有限元模擬軟件對高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案進(jìn)行研究。1號車是一種大客車的有限元模型，該模型是一個(gè)剛體的模型。基于實(shí)際的大客車構(gòu)造，設(shè)計(jì)了大客車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，以確保汽車的正常運(yùn)行。2號車是一種轎車的有限元模型。通過大量的模擬和實(shí)際測試，這兩款汽車模型都達(dá)到了安全行駛標(biāo)準(zhǔn)。

在設(shè)置了試驗(yàn)對象后，使用有限元軟件構(gòu)建護(hù)欄局部模型，如圖3所示。

由圖3可知，護(hù)欄局部有限元模型按照基本規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)建，為了保證分析結(jié)果的可靠性，對模型進(jìn)行了如下處理：

圖3 護(hù)欄局部有限元模型示意圖

(1)步驟一：螺栓的端部為剛體，中部為空間梁，梁可以模擬拉、壓、扭、彎等荷載狀態(tài)。

(2)步驟二：由于道路的剛度很大，所以在不考慮變形的情況下，全部采用了剛體結(jié)構(gòu)。

(3)步驟三：由于邊沿剛度較大，在計(jì)算時(shí)易發(fā)生車輪的損傷，從而導(dǎo)致汽車的彈跳。由于這種方法對護(hù)欄的抗撞性影響較小，因此在模擬中通常不會(huì)將其影響考慮在內(nèi)。

(4)步驟四：立柱的底部和欄板兩端均采用了全約束處理方案。

(5)步驟五：在整個(gè)碰撞模型坐標(biāo)系中，汽車的運(yùn)動(dòng)方向是x軸，地面是由x、y軸構(gòu)成的平面。

(6)步驟六：根據(jù)歷史試驗(yàn)資料，對護(hù)欄的各個(gè)部件的材質(zhì)進(jìn)行了分析。

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真試驗(yàn)過程中，在小型試驗(yàn)車的重心位置安裝加速度傳感器，測試車輛在碰撞過程中x、y、z三個(gè)方向的加速度，分別使用橋梁梁柱式型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、基于SA級外懸式鋼護(hù)欄立柱柱腳強(qiáng)度的優(yōu)化方法和高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案，對比加速度分析結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，使用橋梁梁柱式型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與理想情況不一致，對于x方向的加速度，在時(shí)間為0.28 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為11.5 g；對于y方向的加速度，在時(shí)間為0.53 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為7.5 g；對于z方向的加速度，在時(shí)間為0.48 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為12.0 g。

(a)理想情況

(b)橋梁梁柱式

(c)SA級外懸式

(d)鋼護(hù)欄升級改造圖4 加速度對比分析圖

使用基于SA級外懸式鋼護(hù)欄立柱柱腳強(qiáng)度的優(yōu)化方法與理想情況不一致，對于x方向的加速度，在時(shí)間為0.29 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為13.0 g；對于y方向的加速度，在時(shí)間為0.43 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為6.5 g；對于z方向的加速度，在時(shí)間為0.39 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為11.0 g。

使用高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案，對于x方向的加速度，在時(shí)間為0.28 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為10.5 g；對于y方向的加速度，在時(shí)間為0.53 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為14.0 g；對于z方向的加速度，在時(shí)間為0.49 s時(shí)，加速度達(dá)到最大為4.0 g。

通過上述對比結(jié)果可知，使用高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案與理想情況一致，最大誤差僅出現(xiàn)在y方向上，最大加速度誤差為0.25 g。

作為輔助性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，在車內(nèi)安裝了試驗(yàn)假人來測試頭部、胸部和腿部相關(guān)性能，并分別使用三種方法對比分析測試結(jié)果，如表1所示。

表1 假人輔助測試結(jié)果對比分析表(kN)

由表1可知，使用橋梁梁柱式型鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，假人輔助的測試指標(biāo)均超過理想情況，其中右腿與理想情況相差最大為0.5 kN；使用基于SA級外懸式鋼護(hù)欄立柱柱腳強(qiáng)度的優(yōu)化方法，假人輔助的測試指標(biāo)均超過理想情況，但相差不是很大，最大誤差為0.2 kN；使用高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案，假人輔助的測試指標(biāo)與理想情況基本一致，并且頭部保護(hù)效果更佳。

通過上述分析結(jié)果可知，使用高速公路半剛性波形鋼護(hù)欄升級改造方案，能夠保護(hù)乘員安全。

4 結(jié)語

本文提出的護(hù)欄升級改造方案在充分利用原有護(hù)欄的同時(shí)，通過增設(shè)橫梁、加大埋深等措施，有效地改善了護(hù)欄的防撞性能。該方法不但可用于更新老護(hù)欄，還可用于個(gè)別路段的新護(hù)欄。經(jīng)過改造后的護(hù)欄，碰撞車輛時(shí)不會(huì)發(fā)生車輛騎跨、穿越和橫轉(zhuǎn)現(xiàn)象，波形梁板完全張開，防阻塊發(fā)生充分變形，可以有效地吸收碰撞能量，降低二次撞擊的發(fā)生，護(hù)欄最大變形量及最大車速峰值可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

針對傳統(tǒng)護(hù)欄的更新設(shè)計(jì)，目前還沒有投入到具體的工程中，因此，對其防撞性能還需要進(jìn)一步的研究。