摘 要：為避免將大量的既有兩波形梁護(hù)欄淘汰廢棄，減少能源消耗和降低碳排放量，提高既有護(hù)欄的利用率，該文采用強(qiáng)度和剛度理論、彈塑性本構(gòu)模型理論、有限元分析和實(shí)車碰撞試驗(yàn)方法，研究設(shè)計(jì)一種可再利用兩波形梁板的路基段升級(jí)改造護(hù)欄，防護(hù)等級(jí)能滿足JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中的A級(jí)要求。

關(guān)鍵詞：兩波形梁板；雙層雙波護(hù)欄；再利用；碰撞試驗(yàn)；效益分析

中圖分類號(hào)：U417.12 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2024）24-0１２２-0４

Abstract： In order to avoid the elimination and abandonment of a large number of existing two-corrugated beam guardrails， reduce energy consumption and carbon emissions， and improve the utilization rate of existing guardrails， this paper uses strength and stiffness theory， elastoplastic constitutive model theory， finite element analysis and real vehicle crash test methods to study and design a roadbed section upgrading guardrail that can reuse two corrugated beam plates， and the protection level can meet the A-level requirements in the JTG B05-01—2013 "Highway Guardrail Safety Performance Evaluation Standard".

Keywords： two-wave plate; double-layer double-wave guardrails; reuse; crash test; benefit analysis

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車流量日益增加，我國(guó)部分高速公路通行能力已經(jīng)難以適應(yīng)公眾出行需求，制約了國(guó)家公路網(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)展。為優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對(duì)原有高速公路在原址上擴(kuò)容改造項(xiàng)目日益增多。高速公路改擴(kuò)建項(xiàng)目具有線路較長(zhǎng)、規(guī)模較大的特點(diǎn)，其安全設(shè)施中鋼板護(hù)欄需求，由于兩波護(hù)欄已無(wú)法滿足現(xiàn)行JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]的要求，但是將大量的既有兩波形梁板全部淘汰廢棄，將造成較大的資源浪費(fèi)。

美國(guó)在20世紀(jì)90年代開(kāi)始進(jìn)行公路護(hù)欄再利用的研究，已經(jīng)在某些方面取得了一些進(jìn)展，如安全護(hù)欄木制立柱再利用問(wèn)題等[1-2]。美國(guó)2011版《路側(cè)設(shè)計(jì)指南》[3]提出了建立升級(jí)需求的優(yōu)先級(jí)概念，即將舊式護(hù)欄作為新建或改建公路項(xiàng)目的一部分來(lái)考慮。在該指南中，對(duì)波形梁護(hù)欄提出了一些改造的原則，但未提供具體的改造技術(shù)和方法，相對(duì)來(lái)說(shuō)對(duì)橋梁護(hù)欄的升級(jí)改造有一些具體做法，但主要是增設(shè)新護(hù)欄的方法。除了美國(guó)對(duì)既有護(hù)欄的防護(hù)性能評(píng)估和再利用升級(jí)改造技術(shù)有少許的研究外，包括歐洲、日本等學(xué)者在內(nèi)主要針對(duì)護(hù)欄設(shè)置原則、方法和應(yīng)用的相關(guān)研究[4-6]。由于護(hù)欄材料、結(jié)構(gòu)，使用情況、防護(hù)等級(jí)和能量的差別，護(hù)欄評(píng)估和再利用提升技術(shù)可借鑒之處不多。

針對(duì)新舊規(guī)范更替，目前國(guó)內(nèi)采用波形梁鋼護(hù)欄材料再利用的方法中，兩波護(hù)欄再利用時(shí)應(yīng)用最多的是雙層雙波方案[7-12]，但是由于既有波形梁護(hù)欄的實(shí)際防護(hù)能力和再利用價(jià)值情況不同，現(xiàn)有的成果適用范圍有限，不能完全適用于所有高速公路的實(shí)際情況。因此，本文針對(duì)XX改擴(kuò)建工程既有兩波護(hù)欄進(jìn)行評(píng)價(jià)，根據(jù)既有護(hù)欄的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)一種安全功能的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，具有較好的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能，防護(hù)等級(jí)達(dá)到A級(jí)，防護(hù)能量達(dá)到160 kJ的升級(jí)改造方案。

1 試驗(yàn)

材料的常規(guī)力學(xué)性能主要將試件放進(jìn)萬(wàn)能電子試驗(yàn)機(jī)夾具中進(jìn)行常溫下的準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)過(guò)程中由試驗(yàn)機(jī)輸出載荷-位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)式（1）—（4）的處理即可獲得材料的真實(shí)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

式中：F、d0、？滓e、？滓t、？著e及？著t分別為試驗(yàn)機(jī)輸出的載荷、試件原長(zhǎng)、工程應(yīng)力、真實(shí)應(yīng)力、工程應(yīng)變及真實(shí)應(yīng)變。至少對(duì)3個(gè)試件進(jìn)行壓縮測(cè)試，最終取平均值進(jìn)行結(jié)果分析。

2 測(cè)試結(jié)果與分析

為清晰了解既有波形梁板的實(shí)際防護(hù)能力和再利用價(jià)值情況，首先需要掌握既有波形梁板的材料特性，因此，本文對(duì)既有波形梁板的力學(xué)性能進(jìn)行了常規(guī)力學(xué)性能研究。真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，拉伸曲線有一個(gè)明顯的屈服平臺(tái)。在應(yīng)變?cè)竭^(guò)屈服平臺(tái)后，流動(dòng)應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，直至產(chǎn)生頸縮斷裂。高強(qiáng)鋼擁有較高屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度，上屈服強(qiáng)度為358 MPa，下屈服強(qiáng)度為332 MPa，同時(shí)具有很高的塑性，伸長(zhǎng)率達(dá)32.3%。

3 既有波形梁護(hù)欄升級(jí)改造方案設(shè)計(jì)

本文的既有波形梁護(hù)欄升級(jí)改造方案結(jié)構(gòu)將按照J(rèn)TG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中三級(jí)（A級(jí)）防護(hù)等級(jí)要求的試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)方法開(kāi)展計(jì)算機(jī)仿真模擬碰撞試驗(yàn)，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的最終方案通過(guò)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，各項(xiàng)指標(biāo)須滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。試驗(yàn)碰撞條件見(jiàn)表1。

在護(hù)欄進(jìn)行有限元仿真模擬的過(guò)程中，護(hù)欄的各部件單元類型采用四邊形殼單位，并考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，防阻塊與梁板及立柱之間均通過(guò)梁?jiǎn)卧獙傩缘穆菟ㄟM(jìn)行連接，材料模型采用MAT24號(hào)，單元屬性采用shell類型。

根據(jù)JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)三級(jí)（A級(jí)）防護(hù)等級(jí)護(hù)欄試驗(yàn)碰撞條件的規(guī)定，本研究首先對(duì)護(hù)欄方案進(jìn)行了10 t中型客車、60 km/h碰撞速度、20°碰撞角度條件下計(jì)算機(jī)仿真模擬碰撞試驗(yàn)。護(hù)欄采用寬型托架，升級(jí)完成后形成雙層雙波護(hù)欄。方案結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體參數(shù)如下。

1）護(hù)欄立柱間距為2 m。

2）下層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為60 cm，上層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為100 cm。

3）新增護(hù)欄立柱規(guī)格為Φ140×4.5×（2 150+hc）（mm）和Φ140×4.5×（2 550+hc）（mm），新增構(gòu)件均采用Q235鋼材。

4）護(hù)欄板采用路側(cè)和中央分隔帶拆除的兩波形梁板，即規(guī)格為4 320×310×85×3（mm）。

經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真模擬碰撞試驗(yàn)分析（結(jié)果如圖3所示），優(yōu)化方案護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，中型客車和中型貨車碰撞時(shí)護(hù)欄的W值分別為139 cm和114 cm，VIn值分別為137 cm和202 cm，滿足實(shí)際工程的防護(hù)需求。

4 實(shí)車試驗(yàn)

為驗(yàn)證既有波形梁護(hù)欄升級(jí)改造方案段的安全性能，根據(jù)現(xiàn)行JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》三級(jí)（A級(jí)）的試驗(yàn)碰撞條件（表1），對(duì)其進(jìn)行了小型客車、中型客車和中型貨車的實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。

4.1 小型客車試驗(yàn)情況

小型客車碰撞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前后護(hù)欄的照片分別如圖4—6所示。

4.2 中型客車試驗(yàn)情況

中型客車碰撞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前后護(hù)欄的照片分別如圖7—9所示。

4.3 中型貨車試驗(yàn)情況

中型貨車碰撞試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)前后護(hù)欄的照片分別如圖10—12所示。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟(jì)效益

根據(jù)現(xiàn)行JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)》細(xì)則中推薦的波形梁鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)型式，以打入式立柱為例，設(shè)置在高速公路的Am級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄的用鋼量為37.23 kg/延米，本項(xiàng)目的A級(jí)雙層雙波護(hù)欄方案新增用鋼量23.46 kg/延米，相比于新設(shè)17版細(xì)則中推薦的A級(jí)三波形梁鋼護(hù)欄節(jié)新增用鋼量節(jié)省約37.0%。如果將本成果在全國(guó)高速改擴(kuò)建工程進(jìn)行推廣應(yīng)用，將節(jié)省超過(guò)百億元的建設(shè)資金，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5.2 安全效益

本研究成果，能為94版規(guī)范和06版規(guī)范設(shè)計(jì)設(shè)置的護(hù)欄改造升級(jí)提供了系統(tǒng)的解決方案，通過(guò)利用原有兩波形梁板研發(fā)了符合現(xiàn)行規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)要求的三級(jí)（A級(jí)）雙層雙波護(hù)欄和四級(jí)（SB級(jí)）雙層雙波護(hù)欄，提高了高速公路的整體交通安全防護(hù)水平，可有效防止或減少車輛穿越護(hù)欄事故的發(fā)生，降低公路事故死亡率，發(fā)揮了自身的社會(huì)價(jià)值。

5.3 環(huán)境效益

高速公路改擴(kuò)建工程中，以往對(duì)于不再滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的既有護(hù)欄構(gòu)件，多數(shù)拆除后回收至冶煉廠重新回爐，重新回爐對(duì)環(huán)境造成了較大的影響，任何經(jīng)濟(jì)數(shù)據(jù)都很難計(jì)算出其對(duì)生活環(huán)境的影響。本著生態(tài)可持續(xù)的原則，對(duì)原有護(hù)欄的兩波梁護(hù)欄板進(jìn)行再利用，提升原有護(hù)欄的再利用率，一方面減少了新增用鋼量，一方面減少了回爐對(duì)環(huán)境的影響，總體降低能耗，減小了對(duì)生態(tài)環(huán)境的危害，推動(dòng)了公路交通與生態(tài)保護(hù)協(xié)同發(fā)展，深化了綠色公路建設(shè)，強(qiáng)化了資源材料循環(huán)利用，促進(jìn)了資源能源節(jié)約集約利用。

6 結(jié)論

1）本文對(duì)既有波形梁護(hù)欄進(jìn)行了評(píng)價(jià)研究，考慮既有護(hù)欄立柱防腐能力較差和建筑限界影響，本文主要利用既有護(hù)欄板，對(duì)既有護(hù)欄的力學(xué)性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能能滿足Q235的要求。

2）通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)既有波形梁護(hù)欄升級(jí)改造方案的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和優(yōu)化，得到了最終既有波形梁護(hù)欄升級(jí)改造的設(shè)計(jì)方案，并對(duì)該方案進(jìn)行了實(shí)車碰撞試驗(yàn)，此護(hù)欄滿足JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中三級(jí)（A級(jí)）防護(hù)等級(jí)的要求。

3）部分公路的交通組成和交通流量發(fā)生了較大的變化，部分路段按94版規(guī)范和06版規(guī)范設(shè)計(jì)設(shè)置的護(hù)欄的防護(hù)能力可能與當(dāng)前需求不匹配，本文解決了該問(wèn)題。充分利用既有公路的安全設(shè)施，提升公路的安全防護(hù)水平，達(dá)到了“安全合理、經(jīng)濟(jì)適用、節(jié)能環(huán)保、因地制宜”的目的。

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作者簡(jiǎn)介：作者簡(jiǎn)介：石杰榮（1971-），男，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)楦咚俟方ㄔO(shè)管理。