摘要 隨著農(nóng)村公路交通建設(shè)的不斷推進(jìn)，護(hù)欄作為重要的交通安全設(shè)施，在促進(jìn)道路安全和交通流暢性方面發(fā)揮著重要作用。然而，由于農(nóng)村公路的特殊條件，傳統(tǒng)的護(hù)欄設(shè)計(jì)往往存在成本高昂、維護(hù)困難等問題，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛推廣。因此，探索適合農(nóng)村公路的再生波形護(hù)欄降級(jí)使用方案，具有重要的理論和實(shí)際意義。文章通過系統(tǒng)的方法論探討，提出了適合農(nóng)村公路的再生波形護(hù)欄的降級(jí)使用方案，為農(nóng)村公路交通安全和護(hù)欄設(shè)施優(yōu)化提供了一種新的思路和實(shí)踐路徑，以期為相關(guān)決策者和從業(yè)者提供參考，從而促進(jìn)農(nóng)村公路交通設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化發(fā)展。

關(guān)鍵詞 再生；波形護(hù)欄；降級(jí)使用

中圖分類號(hào) U417.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）03-0122-03

0 引言

我國(guó)高速公路上使用的半剛性波形護(hù)欄主要結(jié)構(gòu)是立柱、防阻塊和橫梁，由于公路建設(shè)和制作工藝發(fā)展等原因，其使用壽命并不能很好地完全執(zhí)行，不同使用場(chǎng)景中的護(hù)欄銹蝕、護(hù)欄變形、涂料磨損情況不同，使得護(hù)欄上的標(biāo)識(shí)標(biāo)線不能被清晰識(shí)別，影響交通信息的傳達(dá)，也對(duì)美觀產(chǎn)生負(fù)面影響。另外，高速公路在長(zhǎng)期、遠(yuǎn)期維護(hù)計(jì)劃中對(duì)高速公路進(jìn)行修整，對(duì)路面寬度、厚度的改造使得原有護(hù)欄高度、位置不能滿足道路安全防護(hù)的要求。此外，隨著越來(lái)越多的城市和地區(qū)使用2017年提出的新標(biāo)準(zhǔn)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017），此前使用的2006版《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006）、《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2006）中規(guī)定原有護(hù)欄的結(jié)構(gòu)和防撞等級(jí)已不滿足要求。

1 橫梁篩選控制標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)橫梁進(jìn)行篩選的目的是方便后續(xù)的流水線工作，機(jī)器可以對(duì)橫梁打磨、正形、噴涂，但對(duì)選材有一定的要求。高速公路線路距離長(zhǎng)、線形較直，批量回收的護(hù)欄橫梁大多是標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的構(gòu)件，執(zhí)行規(guī)范統(tǒng)一的篩選標(biāo)準(zhǔn)有利于獲得符合回收要求且性能更相近的橫梁板材，能夠提高材料的整體合格率，一定程度上延長(zhǎng)再生護(hù)欄的使用壽命[1]。

1.1 橫梁外觀判斷

一些基于《高速公路波形梁鋼護(hù)欄》（JT/T 281—2001）、《公路三波形梁鋼護(hù)欄》（JT/T 457—2007）等老版規(guī)范的研究，在評(píng)價(jià)護(hù)欄整體外觀時(shí)使用各部件尺寸、裂縫情況、變形情況等指標(biāo)。該文研究護(hù)欄橫梁再生，對(duì)橫梁外觀的評(píng)價(jià)重點(diǎn)主要是鋼材的銹蝕、變形、破損，以及涂料的泛油、磨損、脫落。為避免人工檢視出現(xiàn)過于主觀的評(píng)價(jià)，外觀評(píng)價(jià)還需要機(jī)器檢視以測(cè)定橫梁參數(shù)，排除肉眼難以發(fā)現(xiàn)的裂縫等暗傷。

1.2 橫梁使用情況調(diào)查

護(hù)欄使用壽命從5年到25年不等，在其使用周期內(nèi)的檢查和養(yǎng)護(hù)留下的記錄是使用情況調(diào)查的主要參考。如果發(fā)生車撞護(hù)欄的事故，受影響不嚴(yán)重而未更換的護(hù)欄及橫梁部分還需記錄事故產(chǎn)生的影響和事故后對(duì)護(hù)欄的處理情況[2]。特殊條件如高寒、酸雨、鹽霧、雷擊等天氣環(huán)境，應(yīng)作為使用情況的綜合考察信息。此外，還有常見的人工操作如向護(hù)欄附近綠植噴藥、道路撒鹽融雪等，這些發(fā)生在道路的相應(yīng)位置，雖然不針對(duì)護(hù)欄但同樣對(duì)其產(chǎn)生影響，也需要將其納入使用情況的考慮范疇。

1.3 再生類型判斷

把來(lái)自車輛的碰撞或剮蹭視為人為因素（主要影響護(hù)欄變形、磨損、美觀），把環(huán)境中的天氣、溫度看作自然因素（主要影響銹蝕、變性）。在這些復(fù)雜因素共同作用下，即使是同一條高速公路也須區(qū)分不同路段的路況，具體分析應(yīng)落實(shí)到每個(gè)護(hù)欄單元，而對(duì)護(hù)欄橫梁板材的狀態(tài)則按照回收難度和預(yù)估經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行分類。

1.3.1 不適合再生類

由于路肩沉降、汽車直接碰撞、組件焊接不牢而導(dǎo)致明顯變形或損壞嚴(yán)重的護(hù)欄修復(fù)難度大，且存在高程度性能劣化的可能，還有的護(hù)欄使用壽命進(jìn)入末期，將其再生利用反而會(huì)成為隱患。此外，一些設(shè)置在特殊位置如轉(zhuǎn)彎、出入口、端頭處的護(hù)欄，其本身長(zhǎng)度或線形經(jīng)過處理，已經(jīng)不是標(biāo)準(zhǔn)件的橫梁?jiǎn)卧?，很難在降級(jí)使用方案中找到合適的應(yīng)用場(chǎng)景[3]。目前的回收行業(yè)沒有針對(duì)這些護(hù)欄的專用翻新設(shè)備，開發(fā)特種設(shè)備不僅需要先導(dǎo)研究還要求極大的資金投入，不符合從業(yè)企業(yè)或公司對(duì)再生投產(chǎn)的急迫需要，因此應(yīng)將這些護(hù)欄歸類為不適合回收。另外，導(dǎo)致護(hù)欄不適合回收的情況普遍存在，但該類護(hù)欄數(shù)量在總體中的占比較小，屬于護(hù)欄再生中棘手的存在，這也是眾多企業(yè)選擇直接淘汰它們而不予回收的原因之一。

1.3.2 再生價(jià)值不高類

以回收為主業(yè)的中小企業(yè)專注于盈利，對(duì)比再生利用和按照廢鐵回收，他們會(huì)選擇帶來(lái)更多經(jīng)濟(jì)收益的一方，該文考慮的回收價(jià)值則是對(duì)比護(hù)欄的這兩種去向[4]。根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，公路護(hù)欄廢鐵的價(jià)格為1 000～2 000元/t，而不銹鋼和鋁合金的回收價(jià)格在5 000元/t左右，回收方式是由政府招標(biāo)出售給價(jià)格優(yōu)勢(shì)方，一般為大型鋼鐵企業(yè)。綜合考慮再生護(hù)欄在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的替代比例和平均節(jié)約的板材用量，羅杜波分析HS項(xiàng)目再生護(hù)欄產(chǎn)品的投資利潤(rùn)率為34.57%，可以看出同類型護(hù)欄回收再生項(xiàng)目具有較高的盈利能力。按一條高速路為一個(gè)項(xiàng)目，若再生全壽命周期經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的預(yù)期收益不抵廢鐵回收，則會(huì)降低企業(yè)對(duì)經(jīng)營(yíng)再生項(xiàng)目的意愿。

1.3.3 符合再生要求類

基于企業(yè)指導(dǎo)流水線工人和機(jī)器設(shè)備有序開展回收再生工作的需求，對(duì)已符合再生要求的橫梁再分出“優(yōu)、良、中、次”等四個(gè)層次，其中“優(yōu)”層次橫梁外觀良好，結(jié)構(gòu)完整，服役時(shí)間短，沒有暗傷的風(fēng)險(xiǎn)，不經(jīng)過復(fù)雜處理就可以直接使用；“良”層次橫梁涂料無(wú)鼓包，鋼體無(wú)大面積銹蝕，重新打磨噴漆后即可使用，性能預(yù)期劣化程度較??；“中”層次橫梁涂料有磨損，表面有銹蝕，或經(jīng)碰撞后輕微變形，整形和噴涂后仍需抽樣評(píng)定性能，需加固后才能使用；“次”層次橫梁出現(xiàn)較大面積的生銹，漆料塊狀脫落，整體需要改造，一般需要降級(jí)且不按照原結(jié)構(gòu)使用。

2 護(hù)欄降級(jí)使用方案

綜合參照來(lái)自《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中路基護(hù)欄防護(hù)等級(jí)的選取表格，以及部分波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)的構(gòu)造和尺寸表格，以路側(cè)護(hù)欄為分析對(duì)象，高速公路在事故嚴(yán)重程度下的劃分等級(jí)（三級(jí)～六級(jí)）高于鄉(xiāng)村公路（三級(jí)～四級(jí)），而高速公路護(hù)欄波形橫梁板長(zhǎng)506 mm、高85 mm、厚4 mm的標(biāo)準(zhǔn)也都高于鄉(xiāng)村公路，這表明高等級(jí)橫梁板材有向低等級(jí)改造和降級(jí)使用的可能[5]。部分波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1所示：

2.1 橫梁基礎(chǔ)參數(shù)改造

防護(hù)等級(jí)三（A）級(jí)的波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)使用3 mm、4 mm厚的三波形板材和4 mm厚的兩波形板材，三級(jí)以上的三波護(hù)欄板材參數(shù)相同。不考慮新結(jié)構(gòu)，高速公路防護(hù)等級(jí)為四級(jí)～六級(jí)的三波護(hù)欄板再生評(píng)價(jià)等級(jí)在“中”層次以上的，可以直接替換三級(jí)三波護(hù)欄板使用，其在基礎(chǔ)參數(shù)方面不需要進(jìn)行改動(dòng)。防護(hù)等級(jí)一（C）級(jí)、二（B）級(jí)的波形護(hù)欄結(jié)構(gòu)分別使用2.5 mm、3 mm厚的兩波形板材，其長(zhǎng)度310 mm也比三（A）級(jí)以上的護(hù)欄板更短，可以通過機(jī)械切割再生評(píng)價(jià)等級(jí)“中”層次以上的三（A）級(jí)兩波形板得到替換板材。

2.2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)改造

三波形板材的設(shè)計(jì)防護(hù)性能優(yōu)于兩波形，因此鄉(xiāng)村公路的兩波護(hù)欄可由高速公路高防護(hù)等級(jí)的三波護(hù)欄改短以實(shí)現(xiàn)增加波形的結(jié)構(gòu)改造。組合結(jié)構(gòu)的優(yōu)化針對(duì)防撞性能的提升，通過觀察研究的眾多創(chuàng)新結(jié)構(gòu)可以總結(jié)出加高護(hù)欄整體高度的思路，那就是保持下層橫梁高度不變，通過套管增加一排護(hù)欄板的結(jié)構(gòu)改造，以提高護(hù)欄整體高度。該方案下層和上層板材均可以是再生來(lái)源，推薦其使用在鄉(xiāng)村公路事故高發(fā)或易發(fā)生嚴(yán)重事故的路段。在需要加密立柱以增強(qiáng)防護(hù)強(qiáng)度的路段，波形橫梁與立柱之間應(yīng)增加對(duì)應(yīng)數(shù)量的防阻塊和螺栓結(jié)構(gòu)。

3 護(hù)欄性能評(píng)價(jià)方法

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》，在確定護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式時(shí)應(yīng)考慮足尺碰撞試驗(yàn)成果和經(jīng)濟(jì)條件等，有限元仿真模擬方法經(jīng)過美國(guó)、日本及國(guó)內(nèi)專家學(xué)者的驗(yàn)證，能夠體現(xiàn)和實(shí)車足尺碰撞相當(dāng)?shù)臏?zhǔn)確性，在車企和安全設(shè)施設(shè)計(jì)單位中都有廣泛運(yùn)用。眾多研究側(cè)重于經(jīng)濟(jì)性，采取有限元方法在軟件中還原車輛和護(hù)欄的尺寸和性質(zhì)，最大限度地仿真車撞護(hù)欄過程的相關(guān)功能，并獲取單元指標(biāo)以用于評(píng)價(jià)其性能。待確定了仿真模擬的可信度，設(shè)置好參數(shù)和工況，該類CAE軟件就可以在短時(shí)間內(nèi)計(jì)算得到大量數(shù)據(jù)，通過面板即可實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)的重復(fù)和細(xì)節(jié)的調(diào)整。

結(jié)合研究對(duì)象和開發(fā)經(jīng)驗(yàn)積累，企業(yè)可以從ABAQUS、Ansys、LS-DYNA等眾多功能強(qiáng)大的有限元分析軟件進(jìn)行選擇，但它們的仿真與求解過程相似，可以大致歸類為前處理和后處理[6]。

3.1 仿真模擬試驗(yàn)前處理

汽車模型構(gòu)建難度大，通常需要多個(gè)專業(yè)團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)，因此該文討論方案使用的車型來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)下載能夠獲取的通用小客車（轎車）、大客車、貨車模型。護(hù)欄模型依據(jù)高速公路和農(nóng)村公路波形護(hù)欄各等級(jí)和技術(shù)參數(shù)，構(gòu)件長(zhǎng)度、高度、厚度及改進(jìn)結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)，在材料剛性方面選擇軟件中與護(hù)欄通常使用的Q235牌號(hào)鋼性能最接近的預(yù)設(shè)模板。

3.1.1 模型簡(jiǎn)化

下載的車輛模型過于精細(xì)，車輛內(nèi)部小零件會(huì)嚴(yán)重降低軟件的計(jì)算速度，減少這部分的計(jì)算單元或直接刪除其結(jié)構(gòu)能夠有效減少整體運(yùn)算時(shí)間。針對(duì)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，主要體現(xiàn)在根據(jù)模型中拼接螺栓是否斷裂，采用適用接觸類型是否變化的共節(jié)點(diǎn)法，節(jié)約了螺栓配套的螺母、墊圈、墊片等小構(gòu)件的建模和計(jì)算成本。立柱與路基接觸的簡(jiǎn)化全約束位置，設(shè)置在最大彎矩出現(xiàn)的位置即立柱埋入地面以下40 cm處[7]。立柱與地面接觸簡(jiǎn)化圖如圖1所示，護(hù)欄螺栓結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖如圖2所示。

3.1.2 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格劃分的細(xì)致程度是模型計(jì)算準(zhǔn)確的關(guān)鍵，在對(duì)面單元、殼單元進(jìn)行劃分的時(shí)候應(yīng)遵守一定的劃分技巧，不同精度對(duì)網(wǎng)格尺寸、混合形狀占比、節(jié)點(diǎn)數(shù)量等均有相應(yīng)要求，同時(shí)設(shè)置好網(wǎng)格間的接觸類型和邊界條件，使單元上的力和力矩通過節(jié)點(diǎn)傳遞，避免出現(xiàn)單元坍縮和大面積的失效。模型計(jì)算應(yīng)檢驗(yàn)沙漏能量在總能量中的占比，研究中所指的沙漏現(xiàn)象是軟件中由于積分有限元數(shù)量的設(shè)置不可避免地產(chǎn)生的無(wú)應(yīng)力和應(yīng)變的塌陷形變，應(yīng)選取合適的計(jì)算單元，一般將沙漏能量限制在5%以下，這說(shuō)明計(jì)算模型具有較高的可信度。

3.1.3 碰撞條件設(shè)置

該文降級(jí)使用的護(hù)欄應(yīng)用場(chǎng)景為農(nóng)村公路，一般采用二級(jí)公路以下標(biāo)準(zhǔn)，其中三級(jí)、四級(jí)公路路基護(hù)欄防護(hù)等級(jí)最高選取三（A）級(jí)，設(shè)計(jì)速度分別為40 km/h和30 km/h，低于《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）中對(duì)護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段的碰撞試驗(yàn)設(shè)置（其中小型客車、中型客車、中型貨車的碰撞速度分別為100 km/h、60 km/h、60 km/h），考慮道路安全問題的嚴(yán)肅性，企業(yè)在設(shè)置碰撞速度時(shí)宜采用性能要求更高的標(biāo)準(zhǔn)。整個(gè)碰撞過程動(dòng)態(tài)時(shí)間短，設(shè)置合適的時(shí)間步長(zhǎng)能夠準(zhǔn)確計(jì)算速度和加速度等參數(shù)的細(xì)微變化，這是提高試驗(yàn)結(jié)果精度和效率的重要步驟。

3.2 仿真模擬后處理

短時(shí)間內(nèi)眾多單元發(fā)生復(fù)雜的力學(xué)特征變化，顯示有限元仿真計(jì)算的結(jié)果，可在軟件內(nèi)通過工具實(shí)現(xiàn)可視化。護(hù)欄碰撞能夠通過云圖、等值線圖、動(dòng)畫關(guān)注形變和位移等信息進(jìn)行直觀的評(píng)價(jià)，也可以通過數(shù)值坐標(biāo)曲線對(duì)能量轉(zhuǎn)移、速度與加速度等信息進(jìn)行解釋。該方案討論的再生護(hù)欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣，能夠通過設(shè)置敏感因素及評(píng)價(jià)方法進(jìn)行辨析。常見的評(píng)價(jià)方案關(guān)注護(hù)欄防穿越性能、安全性能、導(dǎo)向性能等，在層次分析法、熵權(quán)法、TOPSIS法框架中設(shè)置指標(biāo)層次，即可通過后處理多項(xiàng)碰撞結(jié)果參數(shù)進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。模型簡(jiǎn)化、網(wǎng)格劃分、邊界條件、接觸類型等的設(shè)置，應(yīng)視試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)而定并非固定不變，開發(fā)工程師的水平和經(jīng)驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)的準(zhǔn)確性起到主要作用，前處理的流程需要高水準(zhǔn)后處理團(tuán)隊(duì)的補(bǔ)充和改進(jìn)，以減少計(jì)算誤差，1∶1還原真實(shí)力學(xué)問題是使用有限元仿真軟件的最終目標(biāo)。

4 結(jié)論

再生波形護(hù)欄作為一種新型的道路安全設(shè)施，其在農(nóng)村公路上的降級(jí)使用方案研究，旨在探索如何在保證道路安全的前提下，降低建設(shè)和維護(hù)成本，提升護(hù)欄的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。除了技術(shù)研究和方案設(shè)計(jì)外，還需要政府部門、道路管理者及其他利益相關(guān)者的積極參與和支持。特別是在資金投入、政策支持和技術(shù)推廣方面，需要建立起多層次、多方位的合作機(jī)制，共同推動(dòng)再生波形護(hù)欄在農(nóng)村公路上的廣泛應(yīng)用和推廣。只有這樣，才能真正實(shí)現(xiàn)農(nóng)村公路交通安全設(shè)施的現(xiàn)代化和智能化，為廣大農(nóng)村居民的出行安全保駕護(hù)航。

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收稿日期：2024-08-27

作者簡(jiǎn)介：馬力（2000—），男，碩士研究生在讀，研究方向：交通運(yùn)輸。

通訊作者：徐旭（1978—），男，本科，高級(jí)工程師，研究方向：交通安全。

基金項(xiàng)目：新疆維吾爾自治區(qū)十二師科技計(jì)劃項(xiàng)目“新疆干線公路波形梁護(hù)欄再利用技術(shù)研究與應(yīng)用”（SRS2023006）。