高速公路中央分隔帶活動護(hù)欄設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究*

崔洪軍，邢江柯，李 霞，朱志強(qiáng)，武偉偉，楊懷軍

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，天津 300401；2.上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司天津分公司，天津 300401)

高速公路中央分隔帶活動護(hù)欄是為了車輛在特殊情況下能夠進(jìn)入反方向車道上行駛而設(shè)置的，因此活動護(hù)欄必須同時(shí)兼具便捷的移動性和較強(qiáng)的防撞能力。目前我國常用的活動護(hù)欄過多注重其移動性，在防撞性能方面存在明顯欠缺。一旦車輛遇到事故發(fā)生穿越時(shí)，極有可能與對向車輛相撞，從而引發(fā)重大的交通安全事故[1-3]。

混凝土護(hù)欄具有防撞能力強(qiáng)、導(dǎo)向功能好以及養(yǎng)護(hù)和維修工作量小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工程中被大量采用。但現(xiàn)有的混凝土活動護(hù)欄體積和重量過大，難以移動，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)，無法及時(shí)開口放行，可能會造成更為嚴(yán)重后果。因此，設(shè)計(jì)一種防撞性強(qiáng)且移動性好的新型混凝土活動護(hù)欄對提升高速公路行駛安全性及發(fā)生事故后的處理效率都有重大意義[4-8]。

筆者結(jié)合相關(guān)學(xué)者的研究成果[9-14]及JTG D 81—2006《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》[15]的相關(guān)規(guī)定，參照Am級F型混凝土護(hù)欄的構(gòu)造要求，在混凝土護(hù)欄內(nèi)部設(shè)計(jì)一套移動裝置，利用有限元軟件對裝置各部分部件進(jìn)行了受力模擬計(jì)算。針對移動裝置設(shè)計(jì)對護(hù)欄配筋進(jìn)行了設(shè)計(jì)，結(jié)合配筋設(shè)計(jì)了一種護(hù)欄的新型連接方式，并利用該連接方式設(shè)計(jì)護(hù)欄的抗傾覆方式。最終通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該型活動護(hù)欄具有活動性能好、抗撞能力強(qiáng)的優(yōu)勢。

1 移動裝置設(shè)計(jì)

混凝土實(shí)驗(yàn)護(hù)欄長2 m，底寬0.566 m，總重1.46 t。由于護(hù)欄自重很大，為保持護(hù)欄平衡，設(shè)計(jì)采用4個(gè)腳輪來支撐護(hù)欄移動，單個(gè)腳輪的承載力設(shè)計(jì)為600 kg。為使護(hù)欄具有更好地靈活性，將4個(gè)腳輪分為前后兩組且采用不同型式的腳輪，前輪采用萬向輪，后輪采用定向輪，尺寸均為6.67 cm。

整套移動裝置由手柄、螺桿、外套筒、底桿及腳輪這5部分組成。其中：底板、底桿和腳輪連接方式為一體式連接，并可嵌套于護(hù)欄外套筒內(nèi)。工作人員可通過旋轉(zhuǎn)手柄，實(shí)現(xiàn)外套筒內(nèi)壁與螺桿外壁螺紋的相互咬合，以達(dá)到混凝土護(hù)欄自由升降的目的，如圖1。

圖1 移動裝置整體示意Fig. 1 Overall schematic view of movable device

1.1 手柄設(shè)計(jì)

根據(jù)文獻(xiàn)[16] ，外套筒螺紋螺母手柄設(shè)計(jì)參數(shù)：鋼材型號為Q235；最大應(yīng)力為41 MPa；極限強(qiáng)度為235 MPa；手柄形狀為T型。

手柄上部橫桿長度是螺桿中心到人手施力點(diǎn)的距離，考慮到螺桿頭部尺寸及工人握手距離，手柄實(shí)際長度還應(yīng)加上(150～250) mm，此處取250 mm，則有式(1)：

(1)

式中：Lp為手柄長度；K為加于手柄上的臂力，根據(jù)實(shí)際情況，K=75 N；T為螺旋副間的摩擦阻力矩，T=45 N·m。

通過式(1)可獲得Lp的值為850 mm；考慮到外套筒以及螺桿的實(shí)際尺寸，將T型豎桿的長度取為350 mm，T型豎桿的直徑取為28 mm。

把手柄簡化成一個(gè)懸臂梁，按彎曲強(qiáng)度確定T型上部橫桿直徑dp，其強(qiáng)度條件如式(2)、(3)：

(2)

(3)

式中：[σ]為極限強(qiáng)度，[σ]=120 MPa；dp≥21.5 mm，由材料的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，將dp=24 mm。

手柄底端截面的設(shè)計(jì)尺寸如圖2，通過建立局部有限元模型對手柄接觸部分進(jìn)行受力分析，得到其應(yīng)力云圖和位移云圖如圖3。

圖2 一字突起截面Fig. 2 Section diagram of horizontal straight protuberance

圖3 一字突起仿真Fig. 3 Simulation nephograms of horizontal straight protuberance

1.2 螺桿設(shè)計(jì)

為滿足螺桿的耐磨性、強(qiáng)度、形狀要求，將螺桿中徑d2按式(4)要求選定，

(4)

式中：F為設(shè)計(jì)最大起重量，F(xiàn)=12 kN；Pp為螺紋副許用壓強(qiáng)，由于此例屬于鋼對鋼的低速轉(zhuǎn)動，Pp=10 MPa；Ψ為整體式螺母換算系數(shù)，Ψ=1.2。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)螺紋中徑的相關(guān)規(guī)定，由式(4)可求得，取d2=25.5 mm。由此獲得螺桿的螺紋規(guī)格及相關(guān)參數(shù)，如表1。

表1 螺桿設(shè)計(jì)參數(shù)Table 1 Design parameters of bolt

為讓各部件能協(xié)調(diào)工作，螺桿與手柄配合部位選用一字槽，其尺寸與手柄底端一字突起部分對應(yīng)，對螺桿接觸部分進(jìn)行受力分析，得到螺桿接觸部分的應(yīng)力云圖和位移云圖(圖4)。

圖4 一字槽仿真云圖Fig. 4 Simulation nephograms of horizontal straight groove

1.3 外套筒螺紋螺母設(shè)計(jì)

考慮到0.5 mm的安裝誤差，將外套筒螺紋螺母按表2的尺寸設(shè)計(jì)，外套筒如圖5。

表2 外套筒設(shè)計(jì)參數(shù)Table 2 Design parameters of outer sleeve

圖5 外套筒尺寸Fig. 5 Size of outer sleeve

1.4 鉸接軸、底桿、墊塊及底板設(shè)計(jì)

鉸接軸、底桿、墊塊及底板的材料均采用Q235鋼，為了與套筒良好配合，將底桿上部設(shè)置成圓柱體，直徑為28 mm。上端的凹槽與套筒上焊接的突起配合，以固定底桿，底桿中部用來完成正方體到圓柱體的過度，設(shè)計(jì)尺寸如圖6。

圖6 各部件尺寸Fig. 6 Size of component

針對部件的較脆弱、易損壞部位，通過有限元模型作靜力分析，可以得到底桿下端以及墊塊的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖7。

通過模擬各部件受力后的狀態(tài)得到了上述仿真云圖，統(tǒng)計(jì)重點(diǎn)接觸位置仿真結(jié)果，如表3。

圖7 底桿下端和墊塊仿真云圖Fig. 7 Simulation nephograms of lower end of the bottom bar and cushion block

危險(xiǎn)位置最大應(yīng)力/MPa材料強(qiáng)度極限/MPa最大位移/μm是否滿足設(shè)計(jì)使用要求手柄接觸部位(一字突起)93.82354.95滿足螺桿接觸部位(一字槽)82.13554.97滿足墊塊27.72351.19滿足底桿下端接觸部分31.42353.77滿足

2 連接方式設(shè)置

筆者結(jié)合以往護(hù)欄研發(fā)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，綜合考慮護(hù)欄受力整體性、拆裝方便性和地基錨固難易程度等3個(gè)方面，設(shè)計(jì)了一種縱向連接方式。并在配筋上采用一體式構(gòu)造方案，通過護(hù)欄外露弧形鋼筋交替外伸的方法，使兩護(hù)欄塊的外伸弧形鋼筋能夠交叉咬合，然后內(nèi)插鋼管實(shí)現(xiàn)相鄰混凝土單元有效連接。撞擊后，該裝置還可通過微調(diào)弧形鋼筋形狀、替換新鋼管的方式實(shí)現(xiàn)縱向連接快速還原，如圖8、9。

圖8 弧形鋼筋式連接Fig. 8 Connection mode of curved reinforcement

圖9 一體式鋼筋配筋示意Fig. 9 Reinforcement figure of integrated steel

3 抗傾覆設(shè)計(jì)

為保證護(hù)欄裝置在撞擊過程中抗傾覆要求，需合理設(shè)置埋深及鋼管尺寸，且應(yīng)滿足力學(xué)平衡條件，如式(5)：

(5)

鋼管埋深如式(6)：

(6)

式中：Fmax為護(hù)欄所受撞擊力，其值可由傳感器測得；H為護(hù)欄高；h為撞擊點(diǎn)到護(hù)欄頂距離；B為護(hù)欄底部寬度；G為護(hù)欄裝置總重量，單個(gè)護(hù)欄重量為1.46 t；n位鋼管數(shù)量。

由式(6)可獲得鋼管的埋深為38 cm，為充分保證護(hù)欄裝置的抗傾覆性能，d=40 cm；參考相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，將鋼管壁厚取為5 mm，直徑取為38 mm。

4 移動性驗(yàn)證

移動護(hù)欄之前，首先需要用手柄將護(hù)欄提升至指定高度。實(shí)際操作中，旋轉(zhuǎn)手柄力度不是很大，一般成年人可以完成，手柄每旋轉(zhuǎn)一周，混凝土護(hù)欄可升高0.5 cm，整體升高到4 cm約需要2 min，提升效果良好。

因混凝土護(hù)欄重量較大，啟動時(shí)需較大推動力，兩個(gè)成年人方可完成；移動中需推動力較小，一個(gè)人即可完成，推動速度可達(dá)0.4 m/s，方向控制也比較靈活，可做小角度旋轉(zhuǎn)，活動性能良好。

5 防撞能力驗(yàn)證

通過對多起相關(guān)交通事故調(diào)查，發(fā)生事故時(shí)，車輛通常會在慣性作用下連續(xù)碰撞幾跨護(hù)欄。筆者提出的撞擊試驗(yàn)主要針對單跨護(hù)欄，其吸收能量占總能量比值在相關(guān)文獻(xiàn)有具體規(guī)定[17]，可據(jù)此推算護(hù)欄裝置整體防撞能力。

筆者通過借鑒相關(guān)學(xué)者的研究成果[18-19]，利用重錘模擬汽車撞擊護(hù)欄試驗(yàn)，以驗(yàn)證新型護(hù)欄防撞能力，并根據(jù)實(shí)際情況對本次試驗(yàn)做如下假設(shè)：

1) 由于重錘質(zhì)量大，忽略其做單擺運(yùn)動過程的能量損失；

2) 因混凝土單元塊受撞擊面傾幅小，可將其看作垂直平面；

3) 重錘做單擺運(yùn)動過程中可能會產(chǎn)生輕微轉(zhuǎn)動，基于重錘的球冠面設(shè)計(jì)，可不計(jì)此影響。

5.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

在地面上每隔2.08 m打插桿孔，推動護(hù)欄至合適位置，使護(hù)欄底部套環(huán)與地面插桿孔對齊，將鋼管穿過套環(huán)并插入孔中，再次微調(diào)護(hù)欄，以確保護(hù)欄安裝合理。

架設(shè)高速攝像機(jī)系統(tǒng)，并連接控制器顯示裝置。為方便后期測距、測速，需在護(hù)欄旁邊設(shè)置比對標(biāo)尺，并在傳感器上方涂染顏料以作位置標(biāo)注。

利用質(zhì)點(diǎn)振動系統(tǒng)中的單擺運(yùn)動原理，預(yù)先通過吊車將重錘升起到指定位置，使重錘中心對準(zhǔn)傳感器。實(shí)驗(yàn)開始后，釋放重錘，讓其在重力作用下做單擺運(yùn)動，到達(dá)最低點(diǎn)時(shí)恰與護(hù)欄中央傳感器相撞。

5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1) 撞擊能力滿足要求。通過對碰撞視頻資料進(jìn)行測速，可得重錘撞向護(hù)欄的即時(shí)速度為5.9 m/s，重錘彈起的速度為0.9 m/s。本次試驗(yàn)重錘的質(zhì)量為3.141 t，根據(jù)速度變化，推算出護(hù)欄吸收能量為53.4 kJ，滿足文獻(xiàn)[20] 對護(hù)欄碰撞吸收能量的研究。

2) 從碰撞結(jié)果來看，該新型混凝土護(hù)欄有效阻擋了重錘沖擊，而且碰撞中未出現(xiàn)護(hù)欄傾倒、混凝土破碎、組件飛出等現(xiàn)象，證明該型護(hù)欄具有較強(qiáng)的防撞能力，如圖10。

圖10 護(hù)欄碰撞后損壞情況Fig. 10 Damage after guardrail collision

3) 高速攝像機(jī)攝錄的撞擊過程中4個(gè)瞬間，如圖11、12。

圖11 撞擊瞬間Fig. 11 Instant of collision

圖12 碰撞后細(xì)節(jié)Fig. 12 Detailed view after collision

由圖11可看出：6塊混凝土單元均有不同程度位移，其中：直接被撞擊的護(hù)欄位移明顯，最外側(cè)護(hù)欄位移偏小。這證明護(hù)欄間的連接方式有效，保障了護(hù)欄板整體受力，同時(shí)也將撞擊力傳遞給地基，并保證了護(hù)欄的穩(wěn)定性。

由圖12可知：受正面撞擊的混凝土護(hù)欄出現(xiàn)一條貫穿整個(gè)混凝土塊的細(xì)小裂縫，有一個(gè)套環(huán)發(fā)生撕裂(因施工人員讀錯圖紙，導(dǎo)致套環(huán)鋼筋直徑變小所致)，整套護(hù)欄裝置僅出現(xiàn)了輕微破壞。

4) 試驗(yàn)后護(hù)欄整體變形如圖13。通過對碰撞視頻資料進(jìn)行測距得到：護(hù)欄最大變形為423.9 mm，殘余變形224 mm，滿足高速公路安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖13 碰撞后護(hù)欄整體變形Fig. 13 Global deformation after guardrail collision

6 結(jié) 論

1) 筆者設(shè)計(jì)的新型混凝土活動護(hù)欄在保證具備足夠的防撞能力和隔離防護(hù)性能基礎(chǔ)上，能更加快捷、自如地移動，達(dá)到臨時(shí)開放的功能，更好地發(fā)揮其在中央分隔帶開口處的作用。文中提出的混凝土護(hù)欄連接方式，與現(xiàn)今常用連接方式相比，具有更好的力學(xué)傳導(dǎo)效果和增強(qiáng)混凝土護(hù)欄抗傾覆能力。同時(shí)對移動裝置設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了實(shí)例驗(yàn)證，滿足靈活移動的設(shè)計(jì)目的。

2) 筆者提出的沖擊試驗(yàn)主要針對單跨護(hù)欄，未考慮直接撞擊護(hù)欄單元塊連接縫時(shí)的安全性。在實(shí)際混凝土護(hù)欄施工中，針對護(hù)欄連接部分，需進(jìn)行偏安全驗(yàn)算，并通過采用高強(qiáng)度套環(huán)鋼筋、錨固鋼管及合理設(shè)置鋼管埋置深度等方式，以提高整套護(hù)欄裝置的安全、可靠性；該混凝土護(hù)欄縱向連接方式可能涉及到內(nèi)插鋼管防盜問題，在實(shí)際護(hù)欄施工中，可通過鋼管處橫向打孔及合理安裝橫向螺栓的方式予以解決。

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