組合式消能減速護(hù)欄實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)研究

賈 寧，閆書(shū)明，馬 亮，鄭 斌，安 宇，王益川

(1.北京中路安交通科技有限公司，北京 100071;2.四川雅西高速公路有限責(zé)任公司，成都 610041)

公路連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段行車(chē)安全問(wèn)題日益突出。國(guó)內(nèi)外大量事故資料證明，在連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段，載重汽車(chē)由于長(zhǎng)時(shí)間制動(dòng)易導(dǎo)致剎車(chē)失靈，如果受地形地貌限制沒(méi)有設(shè)置避險(xiǎn)車(chē)道，則失控車(chē)輛無(wú)法安全減速，很容易發(fā)生追尾及側(cè)翻等惡性交通事故。

除避險(xiǎn)車(chē)道之外，連續(xù)長(zhǎng)下坡路段安全治理的另一種工程措施是設(shè)置減速護(hù)欄。減速護(hù)欄在阻擋失控車(chē)輛翻越或穿越護(hù)欄駛出路外的同時(shí)，能夠通過(guò)駕駛員主動(dòng)貼靠摩擦護(hù)欄來(lái)吸收失控車(chē)輛的動(dòng)能，達(dá)到為車(chē)輛安全減速目的，因此具備防撞和減速的雙重功能。在國(guó)外研究資料中未見(jiàn)連續(xù)長(zhǎng)下坡路段應(yīng)用減速護(hù)欄的文獻(xiàn)資料，自上世紀(jì)90年代，我國(guó)對(duì)公路護(hù)欄進(jìn)行了大量研究，但這些護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮其防撞功能，沒(méi)有考慮其減速功能。目前，國(guó)內(nèi)有連續(xù)長(zhǎng)下坡路段采用混凝土減速護(hù)欄(圖1)，該護(hù)欄雖然具備良好的防撞和減速功能，但由于護(hù)欄高度較高，且為混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)小客車(chē)視線(xiàn)遮擋嚴(yán)重，使司乘人員有壓迫感，同時(shí)混凝土結(jié)構(gòu)吸收車(chē)輛動(dòng)能也有一定的局限性，因此需要在護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化和吸能構(gòu)件設(shè)計(jì)方面作進(jìn)一步研究。

圖1 混凝土減速護(hù)欄Fig.1 Concrete barrier for vehicle speed-reducing

基于以上研究背景，本文通過(guò)將鋼管構(gòu)件變形吸能原理應(yīng)用于護(hù)欄設(shè)計(jì)中，兼顧減速護(hù)欄的防撞功能、減速功能和景觀效果，設(shè)計(jì)出一種防撞等級(jí)達(dá)到SS級(jí)(520kJ)的組合式消能減速護(hù)欄。結(jié)合依托工程現(xiàn)場(chǎng)橋梁情況，進(jìn)行護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度驗(yàn)算及橋梁翼緣板加強(qiáng)處理，采用實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)方法進(jìn)行護(hù)欄安全性能以及基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度檢驗(yàn)。

1 護(hù)欄設(shè)計(jì)

橫向受壓鋼管是應(yīng)用較廣泛的能量吸收元件，其特點(diǎn)是構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本低，并且對(duì)荷載作用方向沒(méi)有嚴(yán)格要求［1-2］。另外，根據(jù)文獻(xiàn)［2］，鋼管的吸能能力因幾何尺寸、材料、荷載特性而異，動(dòng)載情況下的吸能能力高于靜載情況下的吸能能力;在鋼管變形量相同的情況下，材料屈服強(qiáng)度高者吸能較多。由此可以推論，若將鋼管構(gòu)件設(shè)置于護(hù)欄的迎撞面，在車(chē)輛碰撞貼靠壓扁的過(guò)程中，可以起到消耗車(chē)輛動(dòng)能的作用;而且，車(chē)輛碰撞護(hù)欄屬動(dòng)態(tài)高速?zèng)_擊過(guò)程，這種情況下更適于采用鋼管作為減速護(hù)欄吸能構(gòu)件。

橋梁護(hù)欄主要有混凝土墻體式、組合式和金屬梁柱式三種類(lèi)型。其中組合式護(hù)欄兼具混凝土墻體式護(hù)欄材料用量省、防撞能力高以及金屬梁柱式護(hù)欄景觀效果好的優(yōu)點(diǎn)，因此，確定在組合式護(hù)欄的橫梁上設(shè)置吸能鋼管形成減速護(hù)欄，吸能鋼管和護(hù)欄橫梁通過(guò)螺栓連接。減速護(hù)欄的吸能鋼管外邊緣與混凝土墻體迎撞面豎向平齊，使其較易與車(chē)輛發(fā)生貼靠;吸能鋼管截面應(yīng)有一定的寬度，使其有足夠的變形空間，從而對(duì)橫梁起到保護(hù)作用;吸能鋼管的設(shè)置高度應(yīng)考慮其迎撞面能與大貨車(chē)的合理部位貼靠摩擦，以達(dá)到減速效果;吸能鋼管之間采用搭接方式(圖2)，以方便安裝和拆卸。

圖2 吸能鋼管搭接示意圖Fig.2 Overlap of energy-absorbing steel pipe

綜上所述，確定設(shè)置鋼管的減速護(hù)欄設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

圖3 減速護(hù)欄設(shè)計(jì)方案(尺寸單位:mm)Fig.3 Design of barrier for vehicle speed-reducing

2 護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中關(guān)于護(hù)欄碰撞力計(jì)算的相關(guān)規(guī)定，參考文獻(xiàn)［4］中鋼筋混凝土構(gòu)件承載力計(jì)算方法，進(jìn)行護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度驗(yàn)算。

2.1 碰撞荷載計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［3］，最大橫向碰撞力計(jì)算公式為:

對(duì)于SS級(jí)(520kJ)的防撞等級(jí)，各參數(shù)的取值為:m=18 000 kg，v1=22.2 m/s，θ=20°，C=5.5 m，b=2.5 m，Z=0 m，則Fmax=472 kN。

如圖4所示，以I-I截面為驗(yàn)算截面，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，組合式護(hù)欄梁柱式結(jié)構(gòu)和砼墻體承擔(dān)的碰撞力大小均為Fmax/2，則碰撞力產(chǎn)生的I-I截面總彎矩為:

圖4 護(hù)欄受力簡(jiǎn)圖(尺寸單位:mm)Fig.4 Barrier load(unit:mm)

碰撞力在橋梁翼緣板上的有效分布寬度為:

式中:H為下部鋼筋混凝土墻體的高度，取H=1.2 m;D為下部鋼筋混凝土墻體所受碰撞荷載的分布寬度，根據(jù)文獻(xiàn)［3］，取D=5 m，則:

碰撞力在I-I截面單位寬度產(chǎn)生的彎矩為:

2.2 翼緣板強(qiáng)度驗(yàn)算

根據(jù)依托工程現(xiàn)場(chǎng)橋梁設(shè)計(jì)圖紙，按最不利情況計(jì)算，I-I截面配筋如圖5所示。

圖5 單位寬度翼緣板尺寸配筋Fig.5 Size and steel of flange slab for unit width

單位寬度產(chǎn)生的彎矩包括:① 碰撞力產(chǎn)生的彎矩:83 kNm;② 護(hù)欄自重產(chǎn)生的彎矩:12.4×0.25=3.1 kNm;③ 翼緣板自重產(chǎn)生的彎矩:1.79 ×0.25=0.5 kNm

故I-I截面單位寬度的總彎矩為:

按雙筋矩形截面進(jìn)行承載力驗(yàn)算，A's=565 mm2，As=565 mm2，b=1 000 mm，h=150 mm，a'=36 mm，a=26 mm。

fcbx+f'yA's=fyAs，則x=0 ＜2a'，說(shuō)明受壓區(qū)鋼筋不會(huì)達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為:

而不考慮受壓鋼筋(單筋截面)時(shí)計(jì)算的抗彎承載力:

由于Mu2＞Mu1，故計(jì)算截面的抗彎承載力為:

不滿(mǎn)足要求。

2.3 加強(qiáng)措施

綜上所述，原設(shè)計(jì)橋梁翼緣板配筋不滿(mǎn)足護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度要求。如圖6所示，通過(guò)在橋面現(xiàn)澆層增設(shè)延伸至護(hù)欄墻體的鋼筋進(jìn)行翼緣板加強(qiáng)。在橋面現(xiàn)澆層增設(shè)直徑14 mm(⑤號(hào)鋼筋)和直徑16 mm(⑥號(hào)鋼筋)Ⅱ級(jí)鋼筋，鋼筋間距150 mm，增設(shè)鋼筋延伸至護(hù)欄墻體內(nèi)，與護(hù)欄墻體內(nèi)縱向和橫向受力鋼筋焊接或綁扎，在護(hù)欄內(nèi)側(cè)方向，增設(shè)鋼筋應(yīng)穿過(guò)翼緣板根部并向內(nèi)延伸，延伸距離按鋼筋錨固長(zhǎng)度要求確定。

圖6 橋面現(xiàn)澆層增設(shè)鋼筋示意(尺寸單位:mm)Fig.6 Additional steel in deck(unit:mm)

3 護(hù)欄實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

按照文獻(xiàn)［5］規(guī)定的防撞等級(jí)SS級(jí)護(hù)欄碰撞試驗(yàn)條件和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行護(hù)欄安全性能實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證［6，9］，同時(shí)要求吸能鋼管能夠按照設(shè)計(jì)要求變形吸能，且不能對(duì)護(hù)欄防撞、緩沖和導(dǎo)向性能造成不利影響。

3.1 試驗(yàn)車(chē)輛

試驗(yàn)小客車(chē)如圖7所示，小客車(chē)整備質(zhì)量為1 271 kg，車(chē)輛總質(zhì)量為1 492 kg，重心高度為距地面558 mm。試驗(yàn)大客車(chē)如圖8所示，大客車(chē)整備質(zhì)量為11 414 kg，車(chē)輛總質(zhì)量為17 902 kg，重心高度為距地面1 233 mm。

圖7 試驗(yàn)小客車(chē)Fig.7 Test car

圖8 試驗(yàn)大客車(chē)Fig.8 Test bus

3.2 試驗(yàn)護(hù)欄

試驗(yàn)護(hù)欄整體如圖9所示，立柱和橫梁的連接以及吸能鋼管的搭接如圖10和圖11所示。

圖9 試驗(yàn)護(hù)欄Fig.9 Test barrier

為檢驗(yàn)護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度，試驗(yàn)護(hù)欄施工中模擬修建橋梁翼緣板(圖12)，其截面尺寸及配筋與依托工程現(xiàn)場(chǎng)設(shè)計(jì)圖紙相同，按圖6所示的加強(qiáng)處理措施在橋面現(xiàn)澆層設(shè)置加強(qiáng)鋼筋(圖13)。

圖10 立柱和橫梁的連接Fig.10 Connection of post and beam

圖11 吸能鋼管的搭接Fig.11 Overlap of steel pipe

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

3.3.1 小客車(chē)碰撞

圖14為小客車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程的行駛軌跡圖，可見(jiàn)小客車(chē)碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒(méi)有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭、翻車(chē)現(xiàn)象，駛出角度為1.2°。

圖12 模擬修建橋梁翼緣板Fig.12 Simulation of flange slab

圖13 橋面現(xiàn)澆層加強(qiáng)鋼筋Fig.13 Additional steel in deck

圖14 小客車(chē)行駛軌跡Fig.14 Car Track

如圖15所示，小客車(chē)碰撞護(hù)欄后，護(hù)欄結(jié)構(gòu)沒(méi)有損壞，主要部件沒(méi)有脫落，僅在碰撞區(qū)域混凝土墻體局部和吸能鋼管下緣有劃痕。

圖15 碰撞后護(hù)欄Fig.15 Barrier after Test

圖16 小客車(chē)損壞Fig.16 Car after test

如圖16所示，車(chē)輛左側(cè)前輪爆胎，車(chē)體左前角凹進(jìn)，車(chē)架縱梁、后橋、車(chē)頂棚以及制動(dòng)系統(tǒng)完好，車(chē)輛內(nèi)部座椅以及配載等沒(méi)有破壞，左前方車(chē)門(mén)打不開(kāi)，其余車(chē)門(mén)可以正常打開(kāi)，駕駛室變形小。

小客車(chē)碰撞的乘員風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值如表1所示，能夠?qū)Τ藛T形成良好保護(hù)。

表1 乘員風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)值Tab.1 Evaluation Index of Occupant Risk

綜上所述，小客車(chē)碰撞護(hù)欄結(jié)果滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.3.2 大客車(chē)碰撞

如圖17和圖18所示，大客車(chē)碰撞護(hù)欄后，護(hù)欄下部混凝土墻體沒(méi)有明顯損壞，只在碰撞區(qū)域局部有少量劃痕，碰撞區(qū)域的吸能鋼管壓扁變形，變形范圍約為8 m，方管橫梁幾乎沒(méi)有變形。

圖17 吸能鋼管變形Fig.17 Deformation of steel pipe

圖19為大客車(chē)碰撞護(hù)欄過(guò)程的行駛軌跡圖，可見(jiàn)大客車(chē)碰撞護(hù)欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒(méi)有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、調(diào)頭、翻車(chē)現(xiàn)象，駛出角度為 3.9°。

綜上所述，大客車(chē)碰撞護(hù)欄結(jié)果滿(mǎn)足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖18 方管橫梁沒(méi)有變形Fig.18 Little deformation of squire-tube

圖19 大客車(chē)行駛軌跡Fig.19 Bus track

3.3.3 鋼筋應(yīng)變

橋面現(xiàn)澆層加強(qiáng)鋼筋(⑤、⑥號(hào)鋼筋)和翼緣板鋼筋(1號(hào)鋼筋)應(yīng)變片布置如圖20所示，應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)如表2～表4所示，行車(chē)方向?yàn)椤扒啊?，表中“—”表示沒(méi)有測(cè)到應(yīng)變數(shù)據(jù)，由于橋梁翼緣板澆筑完畢至試驗(yàn)的間隔時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致翼緣板中1號(hào)鋼筋的應(yīng)變片失效較多。

圖20 鋼筋應(yīng)變片布置Fig.20 Strain gauge settlement of steel

表2 ⑥號(hào)鋼筋最大應(yīng)變(單位:微應(yīng)變)Tab.2 Strain Maximum in Steel⑥(uint:micro－strain)

表3 ⑤號(hào)鋼筋最大應(yīng)變(單位:微應(yīng)變)Tab.3 Strain Maximum in Steel⑤(uint:micro－strain)

表41 號(hào)鋼筋最大應(yīng)變(單位:微應(yīng)變)Tab.4 Strain Maximum in Steel 1(uint:micro －strain)

根據(jù)表2～表4的鋼筋最大應(yīng)變數(shù)據(jù)，可得出如下結(jié)論:

(1)⑥號(hào)鋼筋從5號(hào)應(yīng)變片至1號(hào)應(yīng)變片的最大應(yīng)變值逐漸減小，碰撞點(diǎn)后0.075m鋼筋1的①號(hào)應(yīng)變片比②號(hào)應(yīng)變片的應(yīng)變值大，證明護(hù)欄迎撞面根部對(duì)應(yīng)的翼緣板截面鋼筋應(yīng)變值最大。

(2)雖然⑤號(hào)鋼筋和⑥號(hào)鋼筋并置，由于⑤號(hào)鋼筋的直徑比⑥號(hào)鋼筋小，因此應(yīng)變片位置相同時(shí)，⑤號(hào)鋼筋的應(yīng)變值偏大。

(3)橋面現(xiàn)澆層加強(qiáng)鋼筋(⑤號(hào)鋼筋和⑥號(hào)鋼筋)和翼緣板鋼筋1的應(yīng)變值數(shù)量級(jí)大致相當(dāng)，證明在橋面現(xiàn)澆層配筋這種加強(qiáng)方式可以起到協(xié)助翼緣板承擔(dān)碰撞荷載的作用。

(4)在12 m/s沖擊速度下，Q345鋼材(II級(jí)鋼筋)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)如圖21所示，屈服微應(yīng)變?cè)? 500左右，由于試驗(yàn)測(cè)試的最大微應(yīng)變4 207小于屈服微應(yīng)變，因此鋼筋沒(méi)有屈服，橋梁翼緣板配筋及加強(qiáng)措施可以滿(mǎn)足護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度要求。

圖21 沖擊載荷下，Q345應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)Fig.21 Curve of Stress-strain for Steel Q345 under Impact Load

4 結(jié)論

本文通過(guò)在組合式護(hù)欄上部橫梁上設(shè)置吸能鋼管，設(shè)計(jì)出一種組合式減速護(hù)欄結(jié)構(gòu)，并采用在橋面現(xiàn)澆層增設(shè)鋼筋的方式進(jìn)行翼緣板加強(qiáng)，采用實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)方法進(jìn)行護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可知:組合式減速護(hù)欄防撞等級(jí)可達(dá)到SS級(jí);車(chē)輛貼靠碰撞減速護(hù)欄時(shí)吸能鋼管壓扁變形，使車(chē)輛的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為吸能鋼管的內(nèi)能，有效降低車(chē)速;吸能鋼管的設(shè)置沒(méi)有對(duì)車(chē)輛碰撞護(hù)欄過(guò)程的行駛姿態(tài)造成不利影響，也沒(méi)有導(dǎo)致車(chē)輛絆阻;由于吸能鋼管的壓扁變形，使方管橫梁幾乎沒(méi)有變形，減小了護(hù)欄碰撞后的維護(hù)工作量;根據(jù)鋼筋應(yīng)變測(cè)試數(shù)據(jù)可知，護(hù)欄迎撞面根部對(duì)應(yīng)的翼緣板截面鋼筋應(yīng)變值最大，橋面現(xiàn)澆層加強(qiáng)鋼筋可以有效分擔(dān)碰撞荷載，翼緣板加強(qiáng)措施可以滿(mǎn)足護(hù)欄基礎(chǔ)錨固強(qiáng)度要求。

組合式減速護(hù)欄的研發(fā)成功拓展了護(hù)欄研究開(kāi)發(fā)的思路，也為連續(xù)長(zhǎng)下坡路段的安全治理提供了一種新型措施，對(duì)于提高我國(guó)山區(qū)高速公路連續(xù)長(zhǎng)大下坡路段的交通安全水平具有重要意義。

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