高速公路單波形梁鋼護(hù)欄創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

何亞琪等

摘 要：該文針對(duì)我國(guó)高速公路傳統(tǒng)護(hù)欄防撞能力低、緩沖與導(dǎo)向功能差且外形不美觀的缺陷問(wèn)題，論述了通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)創(chuàng)新解決兼顧大型車(chē)和小型車(chē)的不同防撞需求的問(wèn)題，經(jīng)過(guò)實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新型護(hù)欄具有防撞能力高、緩沖與導(dǎo)向功能好的特點(diǎn)，能夠有效提高高速公路的整體安全防護(hù)能力和景觀設(shè)置水平。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)尾?護(hù)欄 碰撞 事故

中圖分類(lèi)號(hào)：U417.12 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）03（b）-0011-03

Highway Single-wave Beam Guardrail Innovative Design and Experiment Research

He Yaqi1 Zheng Li bao1 Wang Ping1 Li Jianwei2

（1.Henan Zhongyuan Expressway Co .LTD，zhengzhou HeNan，450046，China；2.Beijing China Communications Success Road Technology Co. LTD，Beijing，100083，China）

Abstract：Aiming at the capacity of the current crash barriers for highway anti-collision was low、buffer and the orientation function were poor and the defects in shape with unsightly appearance， Innovation through the structure design is discussed in order to meet the different needs for both large cars and small cars of different collision，Simulation and experiment show that the crash barriers has high anti-collision、buffer and the orientation function are well， it can improve the overall protection capability and the level of the highway landscape.

Key Words：Single-Wave Beam；Barriers；Collision；Accident

隨著我國(guó)高速公路的快速發(fā)展，高速公路交通事故呈現(xiàn)出數(shù)量增多和多數(shù)事故與護(hù)欄有關(guān)的特點(diǎn)。目前我國(guó)高速公路護(hù)欄一般為兩波形梁鋼護(hù)欄（防撞A級(jí)160kj見(jiàn)圖1）和三波梁鋼護(hù)欄的配合使用，個(gè)別路段使用纜索護(hù)欄（見(jiàn)圖2）。防撞護(hù)欄防護(hù)小車(chē)時(shí)需要柔性設(shè)置，防護(hù)大車(chē)時(shí)需要?jiǎng)傂栽O(shè)置，而傳統(tǒng)的以?xún)刹ㄐ瘟轰撟o(hù)欄為代表的半剛性防撞護(hù)欄，對(duì)大車(chē)來(lái)說(shuō)防護(hù)等級(jí)偏低（達(dá)不到規(guī)范要求的A級(jí)160kj），而對(duì)小車(chē)來(lái)說(shuō)防護(hù)等級(jí)又偏高，沒(méi)有足夠的緩沖功能，甚至常發(fā)生小車(chē)下鉆護(hù)欄卡死乘員的事故（見(jiàn)圖3）。由此導(dǎo)致小車(chē)事故死亡率高，大車(chē)沖出路面或沖到對(duì)面而造成生命財(cái)產(chǎn)損失慘重（見(jiàn)圖4）。因此，有必要本著“尊重規(guī)范，滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)，注重創(chuàng)新”的原則設(shè)計(jì)一種新型半剛性護(hù)欄以解決小型車(chē)和大型車(chē)對(duì)護(hù)欄不同防撞要求的矛盾。

1 高速公路單波形梁鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高速公路A級(jí)單波形梁鋼護(hù)欄由橫梁、立柱、防阻塊、螺栓等組成。橫梁形式：?jiǎn)闻艡M梁和兩排橫梁；護(hù)欄立柱形式：圓管立柱和緩沖立柱。與兩波形梁鋼護(hù)欄相比有其自身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)：外形美觀，緩沖能力強(qiáng)，但需要安全性和經(jīng)濟(jì)性全部達(dá)到統(tǒng)一要求[1]。

1.1 橫梁形式選擇

設(shè)置單排橫梁的優(yōu)勢(shì)：與兩排橫梁相比，同樣鋼材用量時(shí)單排橫梁剛度大；施工工藝簡(jiǎn)便，安裝費(fèi)用低；使用熱鍍鋅防腐工藝時(shí)費(fèi)用低，圓環(huán)內(nèi)余鋅少；設(shè)置單排橫梁的劣勢(shì)：小車(chē)下鉆問(wèn)題難以消除；與目前的圓管立柱和緩沖立柱的配合難以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)。由計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)結(jié)果可知（見(jiàn)計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)圖5），圖中4 mm的橫梁與直徑140圓管立柱4米間距的組合試驗(yàn)結(jié)果為未通過(guò)，同樣2 M間距立柱沒(méi)有更大改觀[2-3]。

設(shè)置兩排橫梁的優(yōu)勢(shì)：上、下分排設(shè)置，更有利于小車(chē)的行車(chē)安全：下排橫梁的設(shè)置消除了小車(chē)下鉆事故發(fā)生的情況；上排橫梁作用為攔阻小車(chē)翻越，同時(shí)引導(dǎo)小車(chē)向前方滑行；防護(hù)中型車(chē)輛時(shí)護(hù)欄上橫梁攔阻車(chē)身，下橫梁阻擋車(chē)輪；防護(hù)大型車(chē)時(shí)上、下橫梁同時(shí)起攔阻作用。因而小車(chē)事故呈現(xiàn)柔性護(hù)欄的特征，大車(chē)事故則呈現(xiàn)半剛性護(hù)欄的特征，這意味著新型護(hù)欄有著柔性護(hù)欄和半剛性護(hù)欄的雙重特征，對(duì)于不同的事故有著不同的變形過(guò)程，對(duì)于減少事故和減輕事故的嚴(yán)重程度尤其是降低事故死亡率都有著重要的意義。另外，兩排設(shè)置整體通透，景觀效果明顯。設(shè)置兩排橫梁的劣勢(shì)：鋼材用量稍大。

綜合以上對(duì)比分析，結(jié)合模擬試驗(yàn)結(jié)果，橫梁采用兩排設(shè)置可行性較好。

1.2 立柱形式選擇

采用圓管立柱的優(yōu)勢(shì)：圓管立柱是目前我國(guó)高速公路的通用立柱，有利于改擴(kuò)建工程重復(fù)使用從而降低工程造價(jià)；普通型材有利于采購(gòu)加工，費(fèi)用低；改變壁厚就可以調(diào)整剛度，提高實(shí)驗(yàn)成功率。采用圓管立柱的劣勢(shì)：緩沖功能一般，倒伏后完全喪失反彈力，影響結(jié)構(gòu)整體創(chuàng)新。

采用緩沖立柱的優(yōu)勢(shì)：緩沖功效好；有新穎性。采用緩沖立柱的劣勢(shì)：加工成本高，不利于推廣應(yīng)用；一次不成功時(shí)剛度調(diào)整周期長(zhǎng)，不利于完成實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)性?xún)r(jià)比分析，鋼材用量一定時(shí)緩沖立柱比圓管立柱優(yōu)勢(shì)有限，因而采用圓管立柱。

1.3 防阻塊設(shè)計(jì)與改進(jìn)

高速公路與兩波形梁匹配的防阻塊是六角形（見(jiàn)圖5）。

其優(yōu)勢(shì)為碰撞發(fā)生時(shí)從橫梁傳力到立柱時(shí)間迅速，缺點(diǎn)是自身六角形對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)極易扁平化，反彈能力弱不利于防阻功能的實(shí)現(xiàn)。傳統(tǒng)的和創(chuàng)新設(shè)計(jì)的防阻塊安裝后的護(hù)欄圖片如下。

綜上所述，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)：一是上、下橫梁如何節(jié)段連接成一體（橫梁斷面及連接形式改進(jìn)見(jiàn)圖6）；二是防阻塊如何在碰撞過(guò)程中與護(hù)欄順利脫開(kāi)，這樣不降低橫梁的高度；三是防阻塊能否創(chuàng)新設(shè)計(jì)能夠使碰撞后的橫梁高度保持或提升；四是立柱剛度與橫梁剛度配合為整體防護(hù)最佳，使得車(chē)輛能順利導(dǎo)出。

2 計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)與實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)與優(yōu)化列出試驗(yàn)計(jì)劃，做過(guò)計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)后進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)，因車(chē)輛參數(shù)、護(hù)欄尺寸和鋼材質(zhì)量、安裝誤差等諸多因素的存在，模擬試驗(yàn)與實(shí)際實(shí)驗(yàn)之間存在一定差距，所以每次模擬試驗(yàn)的成功只作為實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)的預(yù)演。如一次實(shí)驗(yàn)沒(méi)有成功則需要分析車(chē)輛運(yùn)行軌跡和護(hù)欄變形形態(tài)后對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化或調(diào)整。實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果是方案1失敗，方案2成功（見(jiàn)圖7和圖8）。

小客車(chē)以20度角撞擊護(hù)欄，雙向加速度分別為8.18g和13.51g，完成后小車(chē)前部只有保險(xiǎn)杠處發(fā)生輕微損壞，不會(huì)對(duì)司乘人員造成傷害。碰撞完成后小車(chē)駛出角5.7度，駛?cè)朐瓉?lái)運(yùn)行軌跡。整個(gè)過(guò)程中小車(chē)最大加速度沒(méi)有超過(guò)規(guī)定的20 g。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在碰撞過(guò)程中護(hù)欄碰撞段橫梁發(fā)生了較大變形，但保持原來(lái)結(jié)構(gòu)，緩沖效果明顯，起到了防止下鉆和充分緩沖的保護(hù)作用。

大客車(chē)以20度角撞擊護(hù)欄，完成后前部發(fā)生輕微損壞。碰撞完成后駛出角7.6度，駛?cè)朐瓉?lái)運(yùn)行軌跡。整個(gè)過(guò)程中小車(chē)最大加速度沒(méi)有超過(guò)規(guī)定的20 g。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出在碰撞過(guò)程中護(hù)欄碰撞段橫梁沒(méi)有斷裂，攔阻作用明顯。

經(jīng)實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該護(hù)欄防護(hù)系統(tǒng)符合JTG B05-01-2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》[4]和JTGD81-2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》要求[5]，從而實(shí)現(xiàn)了防護(hù)小車(chē)時(shí)緩沖功能好，防護(hù)大車(chē)時(shí)攔阻效果明顯的雙重目標(biāo)，有著廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 王松巖，焦紅.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007：16-36.

[2] 雷正保.汽車(chē)縱向碰撞控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論與方法[M].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)出版社，2001：23-62.

[3] 黃世霖，張金換.汽車(chē)碰撞與安全[M].北京：清華大學(xué)出版社，2000：66-108.

[4] 北京深華達(dá)交通工程檢測(cè)有限公司主編，公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（JTG B05-01-2013）[S]，北京：人民交通出版社，2013：5-18.

[5] 劉會(huì)學(xué)，李?lèi)?ài)民，楊九齡.公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，2006：7-9.