朱歡， 李振華， 黃志勇， 鄭銳， 陳禹戈

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

近年來，高速公路交通量持續(xù)增大，車速提升，對高速公路安全防護(hù)能力和安全設(shè)施提出了更高的要求。因高速公路建設(shè)年代和標(biāo)準(zhǔn)不同，橋梁及路基迎交通流向的護(hù)欄端頭種類和形式多樣，防護(hù)能力和效果不一。山區(qū)高速公路大量挖方路段未設(shè)置護(hù)欄，橋梁及路基護(hù)欄在填挖處多直接采用外展端頭進(jìn)行過渡，外展斜率過大形成突出的迎撞面，且由于外展端頭未延伸至挖方土體內(nèi)，增加了事故嚴(yán)重程度，甚至造成車輛沖出路外墜橋等事故。因此，有必要在挖方路段設(shè)置護(hù)欄，并采取改造措施提升迎交通流路段的安全防護(hù)能力，降低行車風(fēng)險。

1 現(xiàn)狀調(diào)查及分析

早期建設(shè)的高速公路護(hù)欄采用JTG/T D81—2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計技術(shù)細(xì)則》設(shè)計，按照該規(guī)范，行車方向的上游端頭宜設(shè)置為外展地錨式或圓頭式，但對端頭外展的斜率未作要求，且由于多數(shù)挖方路段設(shè)置有水溝，端部立柱按規(guī)范間距難以施工，導(dǎo)致現(xiàn)場實(shí)際端頭形式不一，多數(shù)已無法滿足JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求，存在較大安全隱患。主要問題見圖1。

圖1 迎交通流向護(hù)欄端頭設(shè)置情況

根據(jù)調(diào)查結(jié)果，早期建設(shè)的高速公路外展端頭防護(hù)等級采用A級二波形梁板，護(hù)欄在路面以上高度為750 mm，外展斜率為1/3～1/2，形成明顯的迎撞面，車輛失控沖撞護(hù)欄后容易跨越護(hù)欄駛出路外，造成更嚴(yán)重的二次事故。

根據(jù)實(shí)車碰撞試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，護(hù)欄所受汽車碰撞荷載將由立柱的背面土反作用力來承擔(dān)。由于外展護(hù)欄緊鄰邊溝(見圖2)，立柱背面邊溝溝壁采用漿砌片石砌筑，護(hù)欄受碰撞后，漿砌片石側(cè)壁抗彎拉性能差，容易崩解，支撐能力不足，難以達(dá)到預(yù)期的防撞效果。總體而言，采用JTG/T D81—2006設(shè)計的護(hù)欄，對護(hù)欄端頭外展斜率、碰撞角度、立柱與土建支持條件等考慮不夠嚴(yán)密，加之實(shí)際施工不符合設(shè)計要求，導(dǎo)致這類迎交通流向的護(hù)欄端頭不能適應(yīng)目前公路交通條件的需求，局部路段甚至成為較大安全隱患點(diǎn)，對其進(jìn)行提升改造必不可少。

圖2 部分護(hù)欄端頭立柱設(shè)置情況(單位：cm)

2 挖方段立柱承載能力分析

波形護(hù)欄的強(qiáng)度主要取決于立柱剛度、土的承載力和梁的抗拉強(qiáng)度，其中立柱的水平承載力與位移是影響立柱強(qiáng)度的重要因素。根據(jù)JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求，結(jié)合項目實(shí)際路側(cè)危險程度，采取拆除原護(hù)欄、新建SB級波形護(hù)欄的方式進(jìn)行提升改造，SB級護(hù)欄采用規(guī)范推薦的結(jié)構(gòu)尺寸(見圖3)。

圖3 JTG D81—2017中SB級波形護(hù)欄挖方路段 設(shè)置示意圖(單位：cm)

護(hù)欄的安全性評價一般采用實(shí)車碰撞試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法，相關(guān)文獻(xiàn)也對護(hù)欄碰撞力計算公式進(jìn)行了研究。但車輛碰撞護(hù)欄的過程時間很短，屬于復(fù)雜動力學(xué)物理過程，構(gòu)建仿真模型存在很大難度，也難以完全真實(shí)地反映立柱碰撞后的情況。

波形護(hù)欄依靠受碰撞后的變形來吸收能量，降低事故嚴(yán)重程度。JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》對護(hù)欄防護(hù)等級均以防護(hù)能量為設(shè)計指標(biāo)。為簡化立柱碰撞受力模型，基于能量吸收理論，采用立柱單元靜載試驗(yàn)構(gòu)建分析模型。通過靜力試驗(yàn)，檢驗(yàn)在挖方段立柱受力變形的情況下立柱是否會由于后背支撐不足而整體失效及立柱變形后邊溝的破壞狀況。

2.1 有限元模型構(gòu)建

根據(jù)SB級護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸及布設(shè)圖，結(jié)合設(shè)計資料，構(gòu)建簡化立柱單元靜載有限元分析模型(見圖4)，模型主要材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分見表1。

圖4 立柱單元三維模型示意圖

表1 材料參數(shù)及網(wǎng)格劃分

2.2 靜力荷載確定

進(jìn)行單元靜載試驗(yàn)的關(guān)鍵是確定靜載作用位置和大小。根據(jù)JTG D81—2017中護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計尺寸，選擇靜載作用位置為波形護(hù)欄中心梁板高度(路面以上697 mm)，與理想狀態(tài)下車輛碰撞位置保持一致。護(hù)欄單元靜載大小取決于車輛與護(hù)欄之間的碰撞力，目前規(guī)范以防護(hù)能量作為護(hù)欄防護(hù)等級評價指標(biāo)，沒有明確波形護(hù)欄碰撞力計算方法，可基于能量吸收理論構(gòu)建碰撞力分析方法，以設(shè)計防護(hù)能力為指標(biāo)反演護(hù)欄碰撞力，將動力荷載等效轉(zhuǎn)換為靜力荷載。車輛碰撞初始狀態(tài)時的動能為：

根據(jù)能量守恒原理，當(dāng)車輛碰撞護(hù)欄后減速至停止時，碰撞能量與波形護(hù)欄變形Δx吸收的能量相等，可假定車輛作用于護(hù)欄的有效動能全部轉(zhuǎn)化為碰撞力所做靜力功，即將動力荷載等效轉(zhuǎn)換為靜力荷載F，公式如下：

上述公式未考慮車輛撞擊時部分動能轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)內(nèi)能，而全部將動能轉(zhuǎn)換為靜力荷載做功，故實(shí)際防護(hù)能力較計算結(jié)果更保守。

綜上，以SB級波形護(hù)欄設(shè)計防護(hù)能力280 kJ為目標(biāo)值，通過分別設(shè)置多組靜力荷載，試算不同單元靜載下立柱變形情況。各組單元靜力荷載-位移組合情況見圖5。由圖5可知：單元試驗(yàn)靜載達(dá)到610 kN時，立柱沿受力方向橫向位移量為0.463 m，此時靜力荷載做功值為282.43 kJ，與設(shè)計防護(hù)能量基本一致。因此，可將610 kN作為等效單元靜載對立柱承載能力和立柱后背支撐狀況進(jìn)行檢驗(yàn)。該試驗(yàn)靜載作用下立柱及支撐系統(tǒng)變形情況見圖6。

圖5 SB級波形護(hù)欄單元靜載-位移曲線

圖6 等效單元靜載作用下波形梁立柱受力狀況(單位：m)

根據(jù)圖6分析在等效單元靜載作用下立柱沿受力方向產(chǎn)生的橫向變形，立柱在路面高度為零的位置時橫向位移為0.176 m，遠(yuǎn)超過立柱后土體寬度(0.07 m)，對后背混凝土邊溝產(chǎn)生明顯擠壓，擠壓區(qū)范圍為路面以下0～0.2 m，深度超過0.2 m后橫向變形量逐漸減少，產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸消散，可由立柱自身和土體進(jìn)行抵抗。可見，挖方路段波形護(hù)欄立柱的承載力受后背支撐系統(tǒng)影響大，在路表一定深度內(nèi)需要邊溝提供足夠的支撐。立柱在路面1.43 m深度以下至立柱端部段基本無變形，表明靜載對立柱的影響沿深度范圍有限，采取加深或加長立柱的方法對提高立柱承載能力無明顯效果。

圖7為靜載作用下立柱周邊土體的應(yīng)力分布，右側(cè)柱狀圖中，下部深色為應(yīng)力小的可忽略區(qū)域，淺色為應(yīng)力大的不可忽略區(qū)域。由圖7可知：以護(hù)欄為中心0.5 m范圍內(nèi)土體產(chǎn)生明顯應(yīng)力，土體應(yīng)力最大處出現(xiàn)在路表靠邊溝溝壁側(cè)，最大值為5.766 MPa，此處土體位于護(hù)欄，受護(hù)欄傳遞的壓力大，土體將被壓縮破壞。

圖7 等效單元靜載作用下周邊土體受力狀況(單位：MPa)

圖8為等效單元靜載作用下立柱后C20混凝土邊溝受力狀況。由圖8可知：混凝土邊溝溝壁受立柱側(cè)向擠壓，溝壁內(nèi)側(cè)受壓、外側(cè)受拉，最外側(cè)應(yīng)力為10.14 MPa，在以立柱為中心4 m范圍內(nèi)的應(yīng)力均超過普通C20混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值(1.1～1.3 MPa)，在護(hù)欄受車輛撞擊后邊溝側(cè)壁存在整段垮塌的風(fēng)險。

圖8 等效單元靜載作用下立柱后C20混凝土邊溝受力狀況(單位：MPa)

3 護(hù)欄加固與改造方案設(shè)計

為保證護(hù)欄具備足夠的防護(hù)能力，減少迎撞面形成的風(fēng)險，同時降低車輛撞擊護(hù)欄后對挖方邊溝的破壞，結(jié)合不同橋梁及路基迎交通流向護(hù)欄端頭的實(shí)際情況，針對不同情況分別采取不同提升方案。

(1) 對于挖方處開口較小的路段，采取護(hù)欄連續(xù)布設(shè)的方法，通過連接上、下游護(hù)欄使該段護(hù)欄形成整體，從而避免端頭的設(shè)置。由于部分挖方路段立柱后背支撐系統(tǒng)不足，需對挖方段邊溝進(jìn)行加固?？刹扇√岣哌厹峡估瓘?qiáng)度或組合式基礎(chǔ)的方法(見圖9)。

圖9 挖方段護(hù)欄立柱承載力提升方案示意圖

(2) 挖方路段長、無外展條件。挖方路段較長時護(hù)欄連貫設(shè)置不經(jīng)濟(jì)，為使外展斜率和護(hù)欄防護(hù)性能滿足要求，且不對邊溝排水產(chǎn)生影響，護(hù)欄外展段在邊溝范圍內(nèi)時，采取立柱上跨和回填邊溝下穿排水管的方式(見圖10、圖11)。

圖10 現(xiàn)澆蓋板基礎(chǔ)上跨邊溝(單位：cm)

以上兩種方案采用規(guī)范推薦的獨(dú)立基礎(chǔ)形式，外展段護(hù)欄防護(hù)性能滿足要求且兼顧了邊溝排水需求，施工工藝簡單、經(jīng)濟(jì)，能有效解決外展端頭斜率不足等問題，降低安全風(fēng)險。

4 結(jié)論

(1) 對高速公路橋梁及路基填挖交界處迎交通流向護(hù)欄端頭設(shè)置情況進(jìn)行調(diào)查，分析得當(dāng)前高速公路外展端頭防護(hù)性能和外展斜率均難以滿足JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》的要求，存在較大安全隱患。

(2) 基于能量吸收理論，以護(hù)欄防護(hù)設(shè)計能量為指標(biāo)建立護(hù)欄碰撞力等效靜載分析方法，并利用有限元方法對JTG D81—2017推薦的SB級波形護(hù)欄立柱在挖方路段的防護(hù)性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明立柱受力后對混凝土邊溝產(chǎn)生明顯擠壓，擠壓區(qū)垂直范圍為路面以下0～0.2 m，且在以立柱為中心4 m范圍內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力超過普通混凝土邊溝的抗壓強(qiáng)度，存在整段垮塌風(fēng)險。

(3) 綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和施工便利性，提出挖方路段護(hù)欄加固和端頭外展改造方案，該方案施工方法簡單，既能保證護(hù)欄的防護(hù)性能，又兼顧了邊溝的排水需求，可供同類工程參考。