■周再恒 吳 威 張榮利

（1.廣東省公路建設(shè)有限公司，廣州 510623；2.廣東省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)股份有限公司，廣州 510507）

根據(jù)《2021 年統(tǒng)計(jì)公報(bào)》[1]可知，截至2021 年底，我國(guó)公路總里程528.07 萬km，較2020 年增加82 600 km， 其中高速公路通車?yán)锍?6.9 萬km，較2020 年末增加8 090 km，占公路通車總里程比重的3.2%，呈現(xiàn)穩(wěn)中有升的態(tài)勢(shì)[2]。 隨著社會(huì)的發(fā)展，居民出行結(jié)構(gòu)不斷變化，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，全國(guó)高速公路9 座及以下小型客車流量在2019—2020 年平均增長(zhǎng)3.7%的情況下，2021 年繼續(xù)保持增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。 日漸增加的交通量，使得交通安全事故的發(fā)生率顯著提高。 因此，在設(shè)計(jì)交通安全設(shè)施時(shí)，應(yīng)堅(jiān)持主動(dòng)引導(dǎo)、全時(shí)保障、隔離封閉、被動(dòng)保護(hù)的原則，減少事故發(fā)生的幾率，降低事故的嚴(yán)重性。 一般而言，橋梁段的危險(xiǎn)程度遠(yuǎn)超路基段，車輛往往會(huì)沖出橋外，造成嚴(yán)重的交通事故[3]。 因此，橋梁交安設(shè)施升級(jí)改造是交通改造中的頭等大事。

1 工程概況

新塘互通立交位于廣州市增城區(qū)新塘鎮(zhèn)，是廣深高速公路與國(guó)道G107 公路連接的互通立交，主要為實(shí)現(xiàn)廣深高速與國(guó)道G107、 新塘地方路的交通轉(zhuǎn)換。 由于其現(xiàn)狀存在嚴(yán)重的繞行現(xiàn)象，交通組織復(fù)雜且不清晰，導(dǎo)致出行費(fèi)時(shí)且容易迷失方向，通行能力和服務(wù)水平較低，無法滿足急劇增長(zhǎng)的車流量需求。 因此新塘立交升級(jí)改造勢(shì)在必行。

新塘互通立交改造范圍內(nèi)主線長(zhǎng)1.31 km，匝道總長(zhǎng)4 672 m，主線橋梁采用雙向12 車道的四幅橋分離復(fù)合式路基，單幅橋?qū)?6.5 m。 采用隔音降噪上蓋結(jié)構(gòu)對(duì)主線及匝道范圍進(jìn)行全封閉，上蓋結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)空中公園，提升景觀效果。 本項(xiàng)目上、下層橋采用分離式，每幅橋凈距2.0 m，中間設(shè)置1.4 m×1.4 m矩形上層橋墩柱，主線橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面如圖1 所示。

圖1 主線橋梁標(biāo)準(zhǔn)斷面

2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為提高下層車行橋護(hù)欄的防撞能力，有效保護(hù)護(hù)欄背部的上跨橋梁橋墩及降低車輛撞擊側(cè)傾對(duì)上層橋墩柱產(chǎn)生結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)， 同時(shí)提高施工效率，設(shè)計(jì)時(shí)采用最高等級(jí)的HA 級(jí)加強(qiáng)型護(hù)欄。 根據(jù)HA級(jí)加強(qiáng)型護(hù)欄的相關(guān)要求，下層橋橋側(cè)擬選用高度1.5 m 的組合式護(hù)欄或鋼筋混凝土護(hù)欄。

HA 級(jí)組合式護(hù)欄設(shè)計(jì)橋面以上總高度為1.5 m，下部混凝土基座高85 cm，底寬50 cm。 護(hù)欄下部混凝土基座豎向筋配筋方案如下（圖2）：迎撞面、背部為Ф16 HRB400，間距15 cm；縱向筋為Ф12 HRB400。

圖2 組合式護(hù)欄方案配筋方案

HA 級(jí)鋼筋混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)橋面以上護(hù)欄墻體高度為1.5 m，迎撞面采用加強(qiáng)型坡面型式，混凝土護(hù)欄的底部寬度為0.5 m。 護(hù)欄墻體豎向筋配筋方案如下（圖3）：迎撞面、背部為Ф16 HRB400，間距為15 cm；縱向筋為Ф12 HRB400。

圖3 鋼筋混凝土護(hù)欄方案配筋方案

廣深高速公路位于廣州與深圳之間的黃金運(yùn)輸通道，2023 年日均車流量14 萬輛，到2043 年預(yù)測(cè)日均車流量24 萬輛，屬于重交通級(jí)別，大型運(yùn)輸貨車較多。 因此在HA 級(jí)鋼筋混凝土護(hù)欄頂部設(shè)置了阻擋坎，這對(duì)抑制大型車順混凝土護(hù)欄爬高有一定作用。 頂部設(shè)置阻擋坎施工時(shí)存在一定困難，但由于廣東省內(nèi)SS 級(jí)護(hù)欄頂部一般也設(shè)置了阻擋坎，HA 級(jí)鋼筋混凝土護(hù)欄阻擋坎的構(gòu)造尺寸未做特殊設(shè)計(jì)，實(shí)際施工時(shí)現(xiàn)場(chǎng)反映基本可行。

3 仿真模型及驗(yàn)證

3.1 建立模型

車輛與護(hù)欄碰撞的過程包括大變形幾何非線性、屈服斷裂材料非線性、接觸等邊界非線性，所以車輛碰撞護(hù)欄是一種不宜通過簡(jiǎn)單的理論計(jì)算來評(píng)價(jià)其安全性能的復(fù)雜物理過程。 以有限元方法為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，可計(jì)算碰撞類復(fù)雜的物理過程，對(duì)碰撞過程進(jìn)行仿真模擬和護(hù)欄安全性能評(píng)估，但需要實(shí)車碰撞試驗(yàn)對(duì)仿真模型參數(shù)進(jìn)行修正和校核，以保證仿真模型的可靠性與準(zhǔn)確性，為采用仿真模型進(jìn)行護(hù)欄安全性能評(píng)估提供依據(jù)[4]。

3.1.1 車輛模擬

建立以薄壁金屬構(gòu)件為主的車身和波形梁護(hù)欄計(jì)算機(jī)模型，采用四邊形的單點(diǎn)積分殼體單元進(jìn)行模擬，該類型單元對(duì)于大變形的模擬效果好。車身各部件之間采用點(diǎn)焊連接的方式，車門與車身之間通過鉸接點(diǎn)單元進(jìn)行連接。 解決邊界非線性問題采用Automatic_Single_Surface 觸點(diǎn)類型，基于罰函數(shù)法。 車型坐標(biāo)：X 為行駛方向，Y 為寬度方向，Z 為垂直于XY 平面的方向行駛。

（1）小型客車模型。 小型客車有限元仿真模型是參照我國(guó)小型客車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，按照試驗(yàn)車輛參數(shù)對(duì)小型客車的要求，根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》建立，圖4 是小型客車試驗(yàn)車輛與仿真模型的比較。 圖5 為小型客車碰撞護(hù)欄模擬與測(cè)試對(duì)比圖，從圖中可以看出該車三方向加速度曲線的車輛行駛軌跡、車輛變形、模擬結(jié)果等均與測(cè)試結(jié)果相符，驗(yàn)證了小型客車模型的準(zhǔn)確性。

圖4 小型客車模型

圖5 小型客車碰撞護(hù)欄結(jié)果比較

（2）大客車模型。 大客車有限元模型是參照我國(guó)大客車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，結(jié)合試驗(yàn)車輛參數(shù)及《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》建立的，圖6 為大客車試驗(yàn)車輛與仿真模型的比較。 圖7 為大客車碰撞護(hù)欄仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，從圖中可以看出車輛行駛軌跡及車輛變形模擬結(jié)果與測(cè)試結(jié)果相符，大客車模型的準(zhǔn)確性得到了驗(yàn)證。

圖6 大客車模型

圖7 大客車碰撞護(hù)欄結(jié)果比較

（3）大貨車模型。 大貨車有限元模型是參照我國(guó)大貨車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)車輛參數(shù)對(duì)大貨車的要求，根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》建立，圖8為大貨車試驗(yàn)車輛與仿真模型的比較。 圖9 為仿真模型與試驗(yàn)對(duì)比的大貨車碰撞護(hù)欄圖，與試驗(yàn)結(jié)果一致的車輛行駛軌跡、車輛變形模擬等模型計(jì)算結(jié)果，驗(yàn)證了大貨車模型的精確性。

圖8 大貨車仿真模型

圖9 大貨車碰撞護(hù)欄結(jié)果比較

3.1.2 護(hù)欄模型

鋼材、混凝土是組成混凝土護(hù)欄的主要結(jié)構(gòu)材料，通過研究對(duì)護(hù)欄仿真參數(shù)準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證。 在模型中，以彈塑材料模擬鋼筋。 車輛碰撞護(hù)欄是一種物理過程，是一種動(dòng)態(tài)撞擊，材料的撞擊硬化是需要考慮的重點(diǎn)[5]。 圖10 為鋼筋應(yīng)力與應(yīng)變曲線關(guān)系，該曲線圖由分離式壓桿沖擊實(shí)驗(yàn)得到，作為鋼材的仿真參數(shù)。

圖10 鋼筋沖擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

橋梁護(hù)欄混凝土材料參數(shù)采用LS-DYNA中MAT159 號(hào)材料卡來定義，混凝土和鋼筋間采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 關(guān)鍵字進(jìn)行約束，仿真材料精度經(jīng)過了初步試驗(yàn)驗(yàn)證，如圖11 所示。

圖11 混凝土材料單元試驗(yàn)

由實(shí)車對(duì)鋼筋混凝土護(hù)欄的碰撞測(cè)試和計(jì)算機(jī)模擬分析結(jié)果（圖12）可知，混凝土裂紋的仿真結(jié)果和測(cè)試結(jié)果相符。 由實(shí)車碰撞組合式護(hù)欄仿真與試驗(yàn)對(duì)比（圖13）可知，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞和鋼結(jié)構(gòu)破壞情況的仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果一致。

圖12 鋼筋混凝土護(hù)欄碰撞結(jié)果

圖13 組合式護(hù)欄碰撞結(jié)果

通過模型和實(shí)車碰撞試驗(yàn)的結(jié)果比較可知，仿真碰撞模型能較好地模擬實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，仿真模型的可靠性得到了論證，為廣深高速新塘互通改造工程采用高精度計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)手段評(píng)估橋側(cè)HA 級(jí)混凝土護(hù)欄方案安全性能提供了基礎(chǔ)積累。

3.2 護(hù)欄碰撞試驗(yàn)

3.2.1 規(guī)范基本假定

JTG D81-2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定：當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，基本可認(rèn)為剛性護(hù)欄（鋼筋混凝土護(hù)欄）變形值為0，半剛性護(hù)欄變形值在0.3～0.6 之間。

3.2.2 碰撞試驗(yàn)仿真分析

按照組合式護(hù)欄方案及鋼筋混凝土護(hù)欄方案的結(jié)構(gòu)和八級(jí)（HA）護(hù)欄碰撞條件（表1）建立仿真模型，由小型客車、大型客車等車型對(duì)護(hù)欄碰撞，分析兩種護(hù)欄方案的車輛側(cè)傾程度，不同車型的碰撞過程如圖14 所示。

表1 護(hù)欄的碰撞試驗(yàn)因素

圖14 護(hù)欄的碰撞過程圖示

4 分析對(duì)比

4.1 護(hù)欄指標(biāo)對(duì)比

對(duì)組合式護(hù)欄與鋼筋混凝土護(hù)欄的護(hù)欄變形指標(biāo)和車輛外傾指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，如表2 所示。 可見1.5 m 高鋼筋混凝土橋梁護(hù)欄較1.5 m 高組合式護(hù)欄變形值較??；但兩種護(hù)欄的特大型客車和整體式貨車車輛外傾指標(biāo)基本相當(dāng)， 而1.5 m 高鋼筋混凝土橋梁護(hù)欄鞍式列車外傾值更小。

表2 護(hù)欄指標(biāo)對(duì)比

4.2 施工工藝對(duì)比

組合式護(hù)欄施工工藝較為復(fù)雜，需對(duì)混凝土現(xiàn)澆、安裝鋼構(gòu)件分階段施工，且鋼構(gòu)件還需進(jìn)行防腐涂裝，在高速公路運(yùn)營(yíng)過程中還需定期對(duì)護(hù)欄鋼構(gòu)件進(jìn)行涂裝養(yǎng)護(hù)，后期養(yǎng)護(hù)成本較大。 而鋼筋混凝土護(hù)欄的施工較為簡(jiǎn)單，施工過程中現(xiàn)澆混凝土然后按照規(guī)范要求進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，后期運(yùn)營(yíng)過程中無需過多維護(hù)，后期養(yǎng)護(hù)成本低。

4.3 景觀效果對(duì)比

組合式護(hù)欄具有較好的景觀效果和通透性，一般小型客車的駕駛員視覺高度高于組合式護(hù)欄的混凝土基座高度，駕駛員在行車過程中視野開闊，感受不壓抑，駕駛過程更為舒適。 而鋼筋混凝土護(hù)欄由于全部為混凝土，一般小型客車的視覺高度低于護(hù)欄高度，因此駕駛過程中視覺感受較差。

4.4 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

經(jīng)過測(cè)算，組合式護(hù)欄每延米造價(jià)為鋼筋混凝土護(hù)欄的2 倍，具體技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)如下：組合式護(hù)欄造價(jià)2 295.09 元/m；鋼筋混凝土護(hù)欄造價(jià)1 098.80元/m；差值1 196.29 元/m，鋼筋混凝土護(hù)欄在經(jīng)濟(jì)性上有極大的優(yōu)勢(shì)，可以極大地節(jié)約成本。

5 結(jié)論

（1）在防撞等級(jí)同為HA 級(jí)的條件下，1.5 m 高鋼筋混凝土護(hù)欄較等高的組合式護(hù)欄碰撞變形值更小，車輛碰撞時(shí)更不容易發(fā)生側(cè)傾，且可降低車輛剮蹭橋墩風(fēng)險(xiǎn)；（2）組合式護(hù)欄施工工藝更為復(fù)雜，但景觀效果和視覺通透性更好，行車舒適度更高；（3）從經(jīng)濟(jì)性上來看，鋼筋混凝土護(hù)欄造價(jià)更低，同時(shí)鋼筋混凝土護(hù)欄后期運(yùn)營(yíng)養(yǎng)護(hù)成本低，無需定期進(jìn)行防腐涂裝，可以更好地節(jié)約建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本；（4）混凝土護(hù)欄較組合式護(hù)欄可簡(jiǎn)化施工流程、避免分階段安裝施工，加快施工進(jìn)程。