SS級橋側(cè)混凝土護欄設(shè)計優(yōu)化及安全性和經(jīng)濟性分析

莊明融，王 新，亢寒晶

(1.廣東省公路學(xué)會,廣州 510100；2.北京華路安交通科技有限公司,北京 100070)

0 引言

橋梁護欄防撞能力的高低在大橋運營期對過往車輛的安全防護性起著決定性的作用，而護欄的造價也是橋梁投資建設(shè)工程造價的重要組成部分。如果設(shè)計的護欄防撞能力不足，那么車輛碰撞護欄后可能會沖出橋面發(fā)生墜橋事故；如果護欄設(shè)計防護性能過大，將會造成橋梁的建設(shè)投資增大和養(yǎng)護成本過高，引起資源和人力的浪費。因此，在滿足設(shè)計目標(biāo)安全等級的情況下，對護欄進行合理優(yōu)化設(shè)計，以使工程建設(shè)既滿足安全要求，又具有良好的經(jīng)濟性，是十分必要的。

本文介紹采用實車足尺試驗校核原設(shè)計護欄是否滿足目標(biāo)設(shè)計安全等級，按照等效強度原則對原設(shè)計配筋方案進行優(yōu)化設(shè)計，然后通過計算機仿真分析方法對優(yōu)化后的護欄做安全分析，最后對原設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計的經(jīng)濟性進行比較分析。

1 碰撞條件和評價標(biāo)準(zhǔn)

護欄設(shè)計目標(biāo)防撞等級為SS級(520kJ)，根據(jù)規(guī)范[1]可以確定該級護欄碰撞試驗條件(表1)。

表1 碰撞條件

根據(jù)美國的NCHRP350和歐盟的EN1317并結(jié)合我國實際道路情況編寫的《高速公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》，對護欄的防護性能提出了明確的要求。具體的護欄評價標(biāo)準(zhǔn)可歸納為：

(1)車輛碰撞護欄過程中不發(fā)生騎跨、穿越、翻越護欄等現(xiàn)象，碰撞過程中護欄脫離組件及碎片不能侵入駕駛室內(nèi)，阻擋駕駛員視線。

(2)車輛駛出角應(yīng)小于碰撞角的60%，碰撞后車輛恢復(fù)正常的行駛姿態(tài)，不得發(fā)生橫轉(zhuǎn)和掉頭等現(xiàn)象。

(3)小客車車體重心處10ms平均加速度的最大值不超過20g。

(4)護欄最大動態(tài)變形量≤50cm。

2 原設(shè)計試驗校核

原設(shè)計護欄結(jié)構(gòu)為：混凝土護欄坡面形式選用加強型護欄的標(biāo)準(zhǔn)坡面，路面以上有效高度為1.1m，頂寬25.2cm，底寬50cm。墻體橫斷面鋼筋選用HRB335，直徑為10mm、12mm；縱向鋼筋選用HRB335，直徑為10mm；預(yù)埋筋采用HRB335，直徑為16mm；設(shè)置間距均為100mm。施工工藝為現(xiàn)澆。原設(shè)計橋側(cè)護欄截面和配筋如圖1所示。

根據(jù)表1的碰撞條件組織易造成重大人員傷亡的小客車和大客車進行足尺實驗，校核原設(shè)計護欄是否滿足設(shè)計目標(biāo)防護等級要求。實車碰撞試驗結(jié)果如圖2～圖4所示。

圖1 原設(shè)計截面和配筋(單位：mm)

圖2 小客車碰撞結(jié)果

圖3 大客車碰撞結(jié)果

圖4 護欄碰撞結(jié)果

通過實車試驗，可以看到車輛與護欄碰撞后整體結(jié)構(gòu)完好，車體變形不嚴(yán)重，造成的破壞較??；碰撞后的護欄變形較小，僅護欄頂部的混凝土部分脫落。碰撞試驗表明，原護欄設(shè)計達到目標(biāo)防護等級，能起到安全防護的作用，因此針對原護欄的優(yōu)化設(shè)計就主要集中于優(yōu)化改進配筋方案，以提高護欄的經(jīng)濟性指標(biāo)。

3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化與仿真校核

3.1 護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

原護欄根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》(JTG D81-2006)和《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》(JTG/T D81-2006)設(shè)計，但護欄墻體配筋設(shè)計與已有研究成果相比較為保守，具有一定的優(yōu)化空間。

優(yōu)化方案用HRB400鋼筋替換原設(shè)計中的HRB335鋼筋。從安全性、經(jīng)濟性和規(guī)范符合性角度出發(fā)，依據(jù)“等強原則”對護欄墻體配筋形式及鋼筋型號進行合理優(yōu)化。主要優(yōu)化結(jié)果為：墻體鋼筋型號由HRB335，直徑10mm、12mm、16mm優(yōu)化為HRB400，直徑10mm、12mm、16mm；單側(cè)縱向鋼筋數(shù)量由22根優(yōu)化為16根，豎向鋼筋設(shè)置間距由100mm優(yōu)化為200mm；原設(shè)計翼緣板預(yù)埋鋼筋型號為HRB335，直徑16mm改為HRB400，直徑16mm，預(yù)埋鋼筋間距由100mm優(yōu)化為200mm。優(yōu)化后的配筋如圖5所示。

圖5 優(yōu)化后橋側(cè)配筋

3.2 計算機仿真安全評價

采用經(jīng)實車碰撞試驗校核驗證的仿真模型參數(shù)[5]，建立小客車、大客車和大貨車碰撞護欄仿真模型，按照表1中的碰撞條件對優(yōu)化后的護欄安全性能進行評價。主要模擬各種車輛的行駛姿態(tài)、行駛軌跡，特別是對小客車重心的x-y方向10ms平均加速度的變化過程進行計算。參考歐盟BSEN1317標(biāo)準(zhǔn)在計算車輛軌跡中采用車輛軌跡框來評價：車輛在距碰撞駛離點后W距離內(nèi)應(yīng)不越過與護欄距離為E的平行線。車輛碰撞軌跡框的具體選取方法如圖6所示。

圖6 車輛行駛軌跡框

E的計算表達式為：

E=A+車寬+車長×0.16

(1)

其中：對于小型客車，參數(shù)A=2.2m，W=10m；對于其他車輛，參數(shù)A=4.4m，W=20m。仿真模擬中各車輛的軌跡框參數(shù)見表2。

表2 各型車輛的E和W (單位：m)

圖7 小客車碰撞優(yōu)化后橋側(cè)混凝土護欄仿真結(jié)果

從圖7的仿真結(jié)果可以看出，小客車碰撞后行駛姿態(tài)平穩(wěn)，護欄變形很?。恍】蛙嚨男旭傑壽E能通過導(dǎo)向駛出框試驗；小客車重心的x-y方向10ms平均最大加速度值遠小于20g。

圖8 大客車碰撞優(yōu)化后橋側(cè)混凝土護欄仿真結(jié)果

通過數(shù)值仿真可以看到：大客車按照碰撞條件撞擊護欄后，會發(fā)生一定程度的側(cè)傾，但行駛姿態(tài)能保持平穩(wěn)，且行駛軌跡能通過導(dǎo)向駛出框試驗。

通過數(shù)值仿真可以看到：大貨車按照碰撞條件撞擊護欄后，右后輪騰空，發(fā)生一定程度的側(cè)傾，但總體行駛姿態(tài)依然能夠保持平穩(wěn)，且行駛軌跡能通過導(dǎo)向駛出框試驗。

在本節(jié)中采用經(jīng)過校核的有限元模型，對優(yōu)化改進后的護欄的安全性進行了分析。分別計算模擬小客車、大客車和大貨車與優(yōu)化后的橋側(cè)護欄發(fā)生碰撞后的行駛姿態(tài)、行駛軌跡等指標(biāo)。對模擬結(jié)果進行分析可以看出，優(yōu)化改進后的護欄能起到很好的防護作用，護欄達到了原設(shè)計的目標(biāo)等級。同時，該護欄優(yōu)化成果已在潮惠高速公路橋梁橋側(cè)位置進行了應(yīng)用，綜合使用效果良好。

4 經(jīng)濟性分析

對橋側(cè)護欄設(shè)計在滿足安全性的條件下，優(yōu)化改進最重要的是要能降低工程投資建設(shè)的成本，提高工程的經(jīng)濟性指標(biāo)。在工程建設(shè)成本中，建筑材料的消耗，特別是鋼材的消耗量占了很大的比重，因此針對原設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計方案的工程材料用量作比較，見表3。

表3 護欄每km材料用量比較

從表3可以看到，由于護欄截面保持不變，混凝土的用量也不發(fā)生變化，但通過優(yōu)化配筋方案后每km護欄設(shè)計方案能比原方案節(jié)省鋼材多達34.35t(約原設(shè)計的37.42%)，若鋼材價格按4 000元/t計，僅是單側(cè)護欄每km就能降低造價13.7萬元，可見通過優(yōu)化設(shè)計后的護欄能創(chuàng)造良好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

按照規(guī)范要求設(shè)計的護欄雖然能夠滿足相應(yīng)防撞等級的要求，達到安全標(biāo)準(zhǔn)，但同時未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的護欄冗余過大，鋼材用料不經(jīng)濟。

本文通過等效強度原理，對護欄的配筋方案作了一定的優(yōu)化改進，并通過有限元仿真方法對優(yōu)化方案的安全性進行了試驗。通過計算對比，本文中優(yōu)化改進后的配筋方案在滿足安全防護性能的條件下，節(jié)約鋼材用量達37%，具有良好的經(jīng)濟性。