鋼背竹景觀護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗研究

吳清高 周琪 吳霜

摘 ?要：竹材具有生長周期短、產(chǎn)量高、比強(qiáng)度大、環(huán)保及可再生等特點(diǎn)，可作為景觀護(hù)欄構(gòu)件的優(yōu)質(zhì)材料。竹材膠合板作為竹材的主要加工成品，易于切割和組裝，是景觀護(hù)欄優(yōu)選的型材。竹材膠合板比強(qiáng)度較高，但其抗拉強(qiáng)度和延伸率較低，不宜作為單獨(dú)的承力構(gòu)件。通過將竹材膠合板與型鋼構(gòu)件按一定方式組合和優(yōu)化，設(shè)計完成了一種鋼背竹景觀護(hù)欄，并對該護(hù)欄進(jìn)行了B級碰撞條件下的安全性能評價。結(jié)果表明，鋼背竹景觀護(hù)欄具有良好的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能，符合評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

關(guān)鍵詞：竹材膠合板 ?鋼背竹 ?景觀護(hù)欄 ?安全性能評價 ?實(shí)車碰撞試驗

中圖分類號：U417.1 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0063-05

護(hù)欄作為道路最主要的安全防護(hù)設(shè)施，其主要作用是防止車輛沖出路外或進(jìn)入對向車道，使車輛回復(fù)到正常行駛方向，最大限度地減少對乘員的傷害。在進(jìn)行護(hù)欄設(shè)計時，往往考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性兩方面，而較少地考慮景觀性能。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，道路使用者對護(hù)欄的功能要求也發(fā)生了變化。護(hù)欄不僅要是安全的，還要是美觀與環(huán)境友好的。基于這種需求，研究人員正著手景觀護(hù)欄的研究和開發(fā)。

目前，國外關(guān)于景觀護(hù)欄的研究比較成熟，但其景觀護(hù)欄的防撞等級較低且型式以鋼背木為主[1-2]。國內(nèi)對景觀護(hù)欄的研究相對較少，主要涉及常規(guī)混凝土護(hù)欄或鋼護(hù)欄的外觀設(shè)計[3-4]。綜合考慮護(hù)欄的安全、美觀和環(huán)境友好功能，優(yōu)選的景觀護(hù)欄是鋼背木護(hù)欄。鋼背木護(hù)欄的木材體積相對較大，而木材資源又相對缺少，大量地使用木材必然造成資源浪費(fèi)。竹材由于具有生長周期短、產(chǎn)量高、比強(qiáng)度高、環(huán)保及可再生等特點(diǎn)，可作為木材的替代品。因此，有必要選定一種竹材，研究開發(fā)一種景觀護(hù)欄，使其符合中國護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 ?竹材的選定

竹材膠合板是通過將竹條進(jìn)行橫向和縱向組坯，按一定的纖維排列方式和配比方式，經(jīng)過涂膠、片材組合、熱壓后制作而成，具有膠合性能好、強(qiáng)度高、耐老化、耐腐燭等特點(diǎn)，易于切割和組裝，是作為景觀護(hù)欄優(yōu)選的型材。竹材膠合板的比強(qiáng)度較高，甚至比低碳鋼還高，護(hù)欄設(shè)計時能否用其作為單獨(dú)的承力構(gòu)件需要進(jìn)一步分析。以往研究表明，竹材膠合板是一種正交各向異性材料，其順紋方向力學(xué)性能較好，其中順紋抗拉強(qiáng)度最高[5-7]。因此，該文首先對竹材膠合板試驗樣品進(jìn)行順紋抗拉試驗，以獲得順紋彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度、延伸率等信息。試驗樣品原材為毛竹，產(chǎn)自浙江省諸暨市?？紤]到現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中尚無對竹材膠合板受拉標(biāo)準(zhǔn)試件尺寸的規(guī)定，此次竹材膠合板試件標(biāo)準(zhǔn)尺寸參考《木材順紋抗拉強(qiáng)度試驗方法》（GB/T 1938-2009）[8]。試驗采用電子萬能材料試驗機(jī)（CSS44250）進(jìn)行勻速加載，加載速率為1mm/min，以保證試件在2min內(nèi)發(fā)生破壞。共完成3個試件的拉伸試驗，破壞形態(tài)如圖1所示。

根據(jù)試驗拉伸曲線，通過計算獲得試件的順紋抗拉彈性模量、順紋抗拉強(qiáng)度和延伸率，如表1所示。

根據(jù)圖1和表1可知，竹材膠合板試件在其順紋方向受到拉力作用時，延伸率在1%以內(nèi)，發(fā)生了脆性破壞，加之，竹材膠合板的順紋抗拉彈性模量和順紋抗拉強(qiáng)度相對較低，因此，該文選用的竹材膠合板不宜作為單獨(dú)的承力構(gòu)件，需將其與強(qiáng)度較高、韌性較好、使用較為普遍的鋼構(gòu)件按一定方式組合和優(yōu)化，設(shè)計一種鋼背竹景觀護(hù)欄。

2 ?設(shè)計目標(biāo)及試驗條件

目前，通往景區(qū)的道路對于景觀護(hù)欄的需求量最大，而景區(qū)道路以二級及以下道路為主。根據(jù)現(xiàn)行護(hù)欄設(shè)計規(guī)范JTG D81-2006的規(guī)定，二級及以下道路護(hù)欄設(shè)置的一般等級為B級[9]。因此，該文擬開發(fā)的鋼背竹景觀護(hù)欄的目標(biāo)設(shè)計等級為B級，碰撞能量需達(dá)到70kJ。

根據(jù)現(xiàn)行護(hù)欄設(shè)計規(guī)范的規(guī)定，采用新護(hù)欄產(chǎn)品之前，需按照現(xiàn)行《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的要求，對護(hù)欄進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗，并評價護(hù)欄的導(dǎo)向功能、阻擋功能和緩沖功能[10]。鋼背竹景觀護(hù)欄需進(jìn)行B級安全性能驗證，試驗碰撞條件如表2所示。

3 ?護(hù)欄方案設(shè)計

梁柱式護(hù)欄由于具有吸能好、重量輕、結(jié)構(gòu)型式靈活、占用面積小、通透性好等優(yōu)點(diǎn)，鋼背竹景觀護(hù)欄的結(jié)構(gòu)應(yīng)優(yōu)先選用梁柱式結(jié)構(gòu)，即主要承力構(gòu)件為立柱和橫梁?？紤]到設(shè)計護(hù)欄需同時滿足小型車和中型車的防護(hù)要求，護(hù)欄應(yīng)至少包括上下兩層橫梁。從節(jié)約和施工方便的角度，兩層橫梁為優(yōu)選。經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計，小型車輛的保險杠下翼緣高度不大于36cm、車頭高度一般小于80cm，為防止小型車輛下鉆護(hù)欄，下層橫梁中心高度為50cm比較合適。為防止大型車輛越出護(hù)欄或側(cè)翻，同時為避免失控車輛的乘員頭部直接撞擊護(hù)欄，上層橫梁中心高度為90cm比較合適。

立柱和橫梁宜采用易于獲取和加工方便的型材，如方管、矩形管、圓管等。由于竹材膠合板一般為平板，為了降低加工難度和減少竹材的浪費(fèi)，鋼構(gòu)件主要采用方鋼或矩形鋼，鋼構(gòu)件通過膠粘和螺栓連接方式與竹板進(jìn)行組合。立柱采用方鋼外包竹板，橫梁采用矩形鋼外包竹板。下層橫梁主要防護(hù)對象為小型車輛，為了增加與小型車輛碰撞時的接觸面積和控制材料成本，可通過增加橫梁寬度、減小鋼管厚度的方式來實(shí)現(xiàn)。上層橫梁主要防護(hù)對象為中型車輛，為了增加橫梁的剛度，可通過增加鋼管厚度來解決。立柱與橫梁之間不設(shè)防阻塊而直接相連，以保持護(hù)欄的美觀和協(xié)調(diào)。

考慮到二級及以下道路存在彎道較多，護(hù)欄單元長度不宜過長，2m較為合適。由于該類別道路路肩較窄、基礎(chǔ)條件不理想，護(hù)欄立柱在車輛碰撞下可能發(fā)生傾覆。因此，護(hù)欄立柱基礎(chǔ)可采用現(xiàn)澆連續(xù)式素混凝土型式，能較大地提高基礎(chǔ)的強(qiáng)度和可靠度，并使成本增加較少。

綜合考慮安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、加工方便性、美觀和適用性等因素，完成了鋼背竹景觀護(hù)欄的方案設(shè)計，如圖2所示。

4 ?碰撞試驗分析

4.1 計算機(jī)模擬碰撞試驗分析

目前，實(shí)車足尺寸碰撞試驗是評價護(hù)欄安全性能認(rèn)可度最高的方法，但其費(fèi)用較高。在護(hù)欄開發(fā)驗證過程中，通常采用計算機(jī)模擬碰撞試驗作為輔助手段對護(hù)欄的安全性能進(jìn)行初步驗證，并根據(jù)結(jié)果對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)鋼背竹景觀護(hù)欄的CAD模型、材料性能參數(shù)以及相關(guān)簡化假設(shè)，通過劃分網(wǎng)格、設(shè)定材料參數(shù)、設(shè)置邊界條件等工作，最終建立了護(hù)欄的有限元模型（如圖3所示），共有約43.0萬個節(jié)點(diǎn)、36.0萬個單元。在車輛碰撞過程中，竹板吸能效果相比鋼構(gòu)件要小很多，為了提高計算的效率，在碰撞點(diǎn)后6m、前14m區(qū)域內(nèi)的立柱和橫梁將鋼構(gòu)件和竹板進(jìn)行組合建模，其他區(qū)域僅對鋼構(gòu)件進(jìn)行建模。模型中矩形鋼、方鋼采用薄殼單元，其Q235鋼材料選用多線性、彈塑性、各向同性硬化材料進(jìn)行模擬，并通過Cowper-Symons模型考慮材料的應(yīng)變率硬化效應(yīng)。模型中竹板采用實(shí)體單元，材料簡化為雙線性彈塑性模型，通過定義塑性失效應(yīng)變和最大失效主應(yīng)力來模擬竹板的脆性斷裂。螺栓采用彈簧單元外包殼單元的方式處理，采用基于懲罰函數(shù)法的接觸算法解決接觸非線性問題。

根據(jù)表2實(shí)車碰撞試驗條件，采用國際上應(yīng)用廣泛的非線性顯式動力學(xué)有限元分析程序LS-DYNA對鋼背竹景觀護(hù)欄進(jìn)行了計算機(jī)模擬碰撞試驗，車輛導(dǎo)向后姿態(tài)和護(hù)欄變形如圖4所示。

小型客車、中型客車和大型客車碰撞護(hù)欄后，車輛均沒有穿越、翻越和騎跨護(hù)欄，行駛姿態(tài)正常并平穩(wěn)駛出，護(hù)欄發(fā)揮了較好的阻擋功能和導(dǎo)向功能。小型客車碰撞護(hù)欄后，乘員碰撞速度和乘員碰撞后加速度均滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

由鋼背竹景觀護(hù)欄的計算機(jī)模擬碰撞試驗結(jié)果可知，其安全性能的各項評價指標(biāo)均符合現(xiàn)行JTG B05-01標(biāo)準(zhǔn)的要求，但還需進(jìn)行實(shí)車碰撞試驗驗證，最終評價結(jié)論必須以實(shí)車碰撞試驗結(jié)果為準(zhǔn)。

4.2 實(shí)車碰撞試驗分析

根據(jù)現(xiàn)行JTG B05-01標(biāo)準(zhǔn)對公路B級防護(hù)等級護(hù)欄安全性能評價的要求，對鋼背竹景觀護(hù)欄進(jìn)行了實(shí)車碰撞試驗。實(shí)際碰撞小轎車質(zhì)量為1.47t，碰撞速度為60.11km/h，碰撞角度為20.3°;實(shí)際碰撞中型客車質(zhì)量為10.01t，碰撞速度為40.06km/h，碰撞角度為20.1°;實(shí)際碰撞中型貨車質(zhì)量為10.02t，碰撞速度為40.06km/h，碰撞角度為20.1°。碰撞試驗前護(hù)欄及車輛如圖5所示。

圖6的實(shí)車碰撞試驗過程表明，護(hù)欄有效地阻擋了碰撞車輛，沒有發(fā)生翻車、穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄等現(xiàn)象;中型客車和中型貨車碰撞后均保持正常的行駛姿態(tài)，平穩(wěn)駛離護(hù)欄，輛輪跡在駛離點(diǎn)后20m范圍內(nèi)沒有越過導(dǎo)向駛出框邊界線，滿足邊界要求（見圖7）;小型客車碰撞后盡管發(fā)生了一定的阻拌現(xiàn)象，但車輛最終停在碰撞區(qū)域，車輛輪跡在駛離點(diǎn)后10m范圍內(nèi)沒有越過導(dǎo)向駛出框邊界線，滿足邊界要求（見圖7）;車輛碰撞過程中，竹板和鋼構(gòu)件協(xié)調(diào)變形較好（見圖8），護(hù)欄構(gòu)件沒有侵入車輛乘員艙。因此，鋼背竹景觀護(hù)欄具有良好的阻擋功能和導(dǎo)向功能。

實(shí)車碰撞試驗中，在小型客車的重心位置安裝了加速度傳感器，用以測量車輛在碰撞過程中的加速度?；谶B枷空間模型（Flail Space Model），根據(jù)圖9車輛重心處縱向和橫向加速度時間歷程曲線，可以計算出乘員碰撞速度的縱向與橫向分量分別為9.5m/s和1.9m/s，均小于12m/s，符合評價標(biāo)準(zhǔn)要求。乘員碰撞后加速度縱向分量的10ms間隔最大值為103.88m/s2，乘員碰撞后加速度橫向分量的10ms間隔最大值為24.50m/s2，均小于200m/s2，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

作為輔助性評價指標(biāo)，在小型客車內(nèi)安裝了試驗假人用來測試假人頭部和胸部相關(guān)性能指標(biāo)[11]，其結(jié)果如表3所示。

小型客車碰撞時乘員碰撞速度、乘員碰撞后加速度、假人頭部性能指標(biāo)等結(jié)果表明，鋼背竹護(hù)欄具有良好的緩沖功能。

5 ?結(jié)論

（1）竹材膠合板具有較強(qiáng)的比強(qiáng)度，但其抗拉強(qiáng)度和延伸率較低，不宜作為單獨(dú)的護(hù)欄承力構(gòu)件。

（2）通過將竹材膠合板與鋼構(gòu)件按一定方式組合和優(yōu)化，綜合考慮安全性、可靠性、經(jīng)濟(jì)性、加工方便性、美觀和適用性等因素，設(shè)計完成了鋼背竹景觀護(hù)欄。

（3）按照《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的要求，對鋼背竹景觀護(hù)欄進(jìn)行了B級碰撞條件下的安全性能評價。結(jié)果表明，該護(hù)欄具有良好的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

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