波形護欄立柱接樁參數(shù)的研究

喬建剛， 張程程

(1.河北工業(yè)大學 土木工程學院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心， 天津 300401)

波形護欄立柱接樁參數(shù)的研究

喬建剛1,2， 張程程1

(1.河北工業(yè)大學 土木工程學院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心， 天津 300401)

高速公路護欄是機動車駕駛員生命保障工程設施，但是由于路面養(yǎng)護使路面標高提高，護欄的高度就不能滿足安全的要求，為了提高高速公路的安全性，通過實際調(diào)研，結(jié)合交通工程學、工程力學等理論，分析護欄立柱的在荷載作用下的變形和應力情況，通過平行試驗法確定了護欄立柱加高段的設計參數(shù)，并實際驗證了其合理性，為高速公路養(yǎng)護帶來的設施改造提出一種新的思路。

波形護欄； 立柱； 受力分析； 接樁參數(shù)

0 引言

隨著我國高速公路建設市場蓬勃發(fā)展，并且隨著交通量以及道路使用年限的增長，原有路面遭到破壞而不能滿足現(xiàn)有通行能力范圍內(nèi)的使用，新一輪的改建、擴建公路工程項目也悄然興起，但是大修后造成路面標高提升，致使原有護欄與路面的相對高度減小，已不能滿足規(guī)范要求[1，2]，給交通流造成較大安全隱患。根據(jù)交通事故原因的調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在高速公路上的約30%是汽車與路邊設施相撞造成的[3]，這個數(shù)據(jù)說明了路側(cè)護欄在人員傷亡等嚴重的交通事故中起著很重要的作用。2008年馬秀君等人在石安高速公路護欄改造研究中提出了內(nèi)套管的護欄改造方案，并進行了驗證[4]；2010年崔洪軍等人根據(jù)規(guī)范規(guī)定的高速公路護欄高度，從安全、經(jīng)濟、視覺等角度提出了高度可調(diào)節(jié)新型護欄[5]；國外究關于波形梁接樁工藝參數(shù)的研究還未見報道，主要是因為國外發(fā)達國家大部分道路采用長壽命的設計理念，使得路面使用壽命較長，在使用期間內(nèi)道路增高幅度不大，所以護欄高度不足問題并不突出[6-8]。波形護欄立柱的接樁工藝，使原有舊護欄立柱能夠最大可能的進行循環(huán)利用，體現(xiàn)了節(jié)能減排、保護環(huán)境的思想[7]。結(jié)合研究目的，本文對波形梁護欄接樁工藝進行了研究，并確定了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，使得原有立柱能夠循環(huán)利用，從而達到減少因護欄而引發(fā)的高速公路交通事故。

1 接樁立柱的力學分析

對加高套管立柱的加高部分作受力分析如圖1所示。其中，P為10 t的大貨車以15度的碰撞角度進行碰撞時對護欄立柱產(chǎn)生的撞擊力，通過力學求解器求得P=125.01 kN；已知距離L=100 mm；F和F1為車輛碰撞護欄時，原有立柱對套筒產(chǎn)生的作用力；X為加高套管的外徑；Y為套管伸入原有立柱的長度。

圖1 受力分析圖Figure 1 The stress analysis diagram

根據(jù)圖1，由二力平衡理論和力矩平衡理論可得到式：

P+F=F1

(1)

PL=FY

(2)

依據(jù)《公路交通安全設施設計細則》(JTG/TD 81 — 2006)對碰撞條件的規(guī)定：碰撞實驗使用重為10 t的貨車以60 km/h的碰撞速度，以15°的碰撞角度進行碰撞。因為所產(chǎn)生的能量的計算公式如下：

式中： E為碰撞動能，J；m為碰撞車輛的質(zhì)量,kg；v為車輛的碰撞速度,m/s；θ為車輛的碰撞角,(°)。

其計算結(jié)果如表1所示。

1.1 彎曲變形

根據(jù)《材料力學教程》[9]中： 在一對大小相等、轉(zhuǎn)向相反、作用面位于包含桿軸線的縱向平面內(nèi)的力偶作用下，桿件的軸線變?yōu)榍€，這種變形稱為彎曲變形。

因此，對于套筒的F1截面，受到一對大小相等、轉(zhuǎn)向相反的力偶作用，將產(chǎn)生彎曲變形，產(chǎn)生的強度是屈服強度，受力公式為：

(3)

1.2 剪切變形

此外，同樣根據(jù)《材料力學教程》[9]中：在一對大小相等、方向相反、作用線相距很近的橫向力作用下，桿件的橫截面將沿外力作用方向發(fā)生相對錯動，這種變形稱為剪切變形。

因此，對于原立柱與套筒相接觸的F截面，因為相互作用力產(chǎn)生力F1和反向作用力F2，有F1=F2，因此，該截面受到大小相等、方向相反的橫向作用力，將產(chǎn)生剪切變形，產(chǎn)生的強度是剪切強度，受力公式為：

(4)

2 接樁參數(shù)的確定

通過對原有立柱和加高立柱進行的力學性能材料檢測試驗得知立柱的屈服強度是大于等于235MPa，而剪切強度是屈服強度的0.6～0.8倍，所以剪切強度應該大于等于141 MPa。

經(jīng)過整理式(3)可得到公式：

(5)

將P=125.01 kN，L=100 mm帶入式(5)得到：X≥126 mm，而140-4.5×2=131 mm，所以126 mm≤X<131 mm。

此外，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(4)，整理得到公式：

(6)

經(jīng)過計算，當X=131 mm時，解得Y≥98 mm，所以當X在126～130 mm之間取值時，Y取大于98 mm的值都滿足強度要求，但是根據(jù)原來立柱螺栓孔到立柱頂端的的距離是150 mm，而將加高套管與原立柱固定時，由于螺栓帽還有墊片的尺寸，所以要求伸入的長度Y要大于160 mm。因此，加高套管外徑X可以取值126、127、128、129、130 mm；鑒于節(jié)省材料和安全考慮，伸入長度Y可以取值170、180、190、200、210、220 mm。

因此，有不同的X、不同的Y對應不同的強度，如表2所示。

表2 不同X、Y值下相應的強度值Table2 ThecorrespondingintensityvaluesunderdifferentXandYvalues外徑X剪切面積S伸入長度Y碰撞力P距離L力F力F1剪切強度17012501010073535198545112180125010100694501944601101301773190125010100657951908051082001250101006250518751510621012501010059529184539104220125010100568231818331031701250101007353519854511318012501010069450194460111129175919012501010065795190805108200125010100625051875151072101250101005952918453910522012501010056823181833103170125010100735351985451141801250101006945019446011112817451901250101006579519080510920012501010062505187515107210125010100595291845391062201250101005682318183310417012501010073535198545115180125010100694501944601121271731190125010100657951908051102001250101006250518751510821012501010059529184539107220125010100568231818331051701250101007353519854511618012501010069450194460113126171719012501010065795190805111200125010100625051875151092101250101005952918453910722012501010056823181833106

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，其相關折線圖如圖2所示。

圖2 不同X值下強度的對比圖Figure 2 The strength contrast figure under different X

根據(jù)圖2，通過分析圖中5條折線，不難看出這些折線在不同的Y值下存在不同的波動現(xiàn)象，使得在滿足強度要求的情況下，考慮盡量節(jié)省材料及安全的原則，因此依據(jù)平行試驗法，從而確定X=129 mm，Y=190 mm，即內(nèi)套管的外徑是129 mm，伸入原有立柱的長度是190 mm。

3 靜力實驗驗證

根據(jù)前兩章節(jié)的分析確定了波形護欄接樁工藝的結(jié)構(gòu)尺寸，本章通過對原有立柱和加高立柱進行靜力實驗，來驗證加高立柱的力學性能。

3.1 實驗設計

靜力加載試驗采用靜力頂推方法[10]，實驗中采用原有Φ140×4.5×1800立柱與加高后的護欄立柱各3根組成實驗樣本總體，經(jīng)過靜力加載實驗后，對比其最大荷載及對應的撓度值。在實驗場地內(nèi)，護欄立柱一端通過固定支架固結(jié)，采用油壓千斤頂對立柱按照1.0 kN/級逐級加載，結(jié)合以往研究結(jié)果，其加載位置選擇在測試立柱的自由端(離固定面600 mm處)，如圖3所示。

3.2 實驗結(jié)果

在護欄立柱實驗過程中，立柱在外加荷載的作用下發(fā)生彎曲變形，最終在立柱固定面附近發(fā)生彎曲。繪制原有立柱和加高立柱的荷載—時間和位移—荷載曲線，如圖4、圖5所示。

圖3 實驗裝置圖

圖4 荷載—時間曲線Figure 4 The curve of Load-time

圖5 位移—荷載曲線Figure 5 The curve of displace-load

對結(jié)果進行分析，可以得出：加高后的立柱的破壞位置與原立柱相同，均在固結(jié)處發(fā)生屈服，立柱套管處未出現(xiàn)損壞跡象；原立柱所能承受的最大荷載為52.043 kN，在最大載荷作用下產(chǎn)生的撓度值為60 mm，而加高后的立柱所能承受的最大載荷為61.198 kN，在最大載荷作用下產(chǎn)生的撓度值為80 mm，二者相差不大，因此，立柱套管加高的立柱與原立柱的力學性能基本相同。

4 結(jié)論

高速公路波形護欄接樁工藝的研發(fā)是針對高速公路養(yǎng)護工程設計，特別是針對改、擴建高速公路中波形護欄在接樁中出現(xiàn)的問題和矛盾，通過對高速公路波形護欄接樁工藝參數(shù)的研究，確定了接樁工藝加高套管的外徑尺寸以及伸入原立柱的長度，并進行了驗證，從總體上、系統(tǒng)上予以考慮和解決，對高速公路行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實意義。

[1] 邰永剛.高防護等級鋼護欄改造方案研究[J].公路工程，2009(2).

[2] JTG D81-2006,公路交通安全設施設計規(guī)范[S].

[3] 高速公路叢書編委.高速公路交通工程及沿線設施[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 馬秀君.石安高速公路護欄改造設計研究[J].公路，2008(12).

[5] 劉孔杰，崔洪軍.高速公路雙波梁鋼護欄改造方案碰撞試驗研究[J].交通世界，2010(5).

[6] Texas Department of Transportation. Bridge Railing Manual[S].2006.

[7] Evaluation of Rail Height Effects on the Safety Performance of W-Beam Barriers(NCAC2007-R-003).National Crash Analysis Center，2007.

[8] 王辰.基于PC-CRASH的汽車——護欄事故再現(xiàn)研究[D].長春:吉林大學,2014，04.

[9] 范慕輝，焦永樹.材料力學教程[M].上海：機械工業(yè)出版社，2010.

[10] 陳玲.基于車輛碰撞試驗的波形梁剛護欄改造方案研究[D].廣州:華南理工大學，2007.

Study on the W-beam Guardrail Post Pile Extension Parameters

QIAO Jiangang1,2, ZHANG Chengcheng1

(1.College of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401， China； 2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Tianjin 300401，China)

Highway guardrail is motor vehicle driver life support facilities,but because the pavement maintenance to improve pavement elevation,the height of the fence can not satisfy the safety requirements,in order to improve highway safety,through the actual investigation,combined with the project of traffic engineering、capacity theory analysis under loaddeformation and the stress of the guardrail post through the parallel test method,the design parameters of guardrail posts a heightening segment was determined,and the actual verified the rationality,the reconstruction of facilities bring to expressway maintenance of a new train of thought.

w-beam guardrail； columm； stress analysis； extension parameters

2015 — 03 — 20

河北省交通廳科技項目(20161008)。

喬建剛(1963 — )，男，山西太谷人，教授，博士，研究方向：交通工程。

U 417.1+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0063 — 03