高速公路波形梁護欄端部錨固敏感因素研究

簡注清

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

在高速公路建設(shè)早期，由于車輛組成較為單一，行駛速度較低，波形梁護欄端部的設(shè)置適應(yīng)當(dāng)時的交通流特性，起到了較好的安全防護作用。但隨著交通組成的復(fù)雜化、車輛的大型化和運行速度的提升，護欄端部已不能適應(yīng)日益變化的交通流特性，安全防護能力的不足逐漸體現(xiàn)出來。新規(guī)范對公路路側(cè)波形梁護欄端頭的設(shè)置進行了細致規(guī)定，可有效消除或降低路側(cè)護欄端頭的安全隱患[1-2]。以A級三波形梁護欄為例，經(jīng)實車碰撞試驗驗證，A級波形梁護欄的各項評價指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)[3]，但實際應(yīng)用條件與試驗場地條件有較大區(qū)別，主要體現(xiàn)在波形梁護欄端部的處理方面，因此需對波形梁護欄的應(yīng)用性進行研究。

基于A級三波形梁護欄結(jié)構(gòu)，采用經(jīng)過驗證的計算機仿真技術(shù)[4-8]，對護欄端部的錨固敏感因素進行研究分析，給出推薦的錨固結(jié)構(gòu)，為以后規(guī)范修訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。

1 A級波形梁護欄

A級波形梁護欄結(jié)構(gòu)為：波形梁板為3 mm厚的三波，梁板高度697 mm，立柱外徑為Φ140 mm，厚4.5 mm，設(shè)置間距為4 m，路面以下立柱埋入土中深度為1.4 m，立柱和防阻塊通過M16六角頭高強螺栓連接，三波形梁板和六角防阻塊通過M16高強螺栓連接，護欄結(jié)構(gòu)如圖1所示[1-2]。

單位：mm

2 波形梁護欄端部錨固

2.1 端部錨固必要性分析

為驗證波形梁護欄端部錨固對護欄標(biāo)準(zhǔn)段防護效果的影響，將A級波形梁護欄端部錨固狀況分為2種工況，分別是端部錨固和不錨固，采用經(jīng)過實車碰撞驗證的計算機仿真模型，建立車輛和A級波形梁護欄模型。按照J(rèn)TG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的A級護欄碰撞條件，如表1所示，設(shè)置碰撞速度、碰撞角度、接觸以及調(diào)整碰撞點等工作，形成車輛碰撞護欄的有限元模型，模型中的A級波形梁護欄縱向設(shè)置長度為72 m。

表1 A級護欄碰撞條件

中型客車和中型貨車碰撞A級波形梁護欄端部錨固與不錨固仿真碰撞過程對比如表2所示。由表2可見，當(dāng)A級波形梁護欄端部沒有錨固時，在碰撞荷載的作用下使防阻塊產(chǎn)生了較大變形，護欄端部產(chǎn)生了較大位移，中型客車和中型貨車均出現(xiàn)了騎跨護欄現(xiàn)象。根據(jù)仿真分析，六角防阻塊的結(jié)構(gòu)特性是導(dǎo)致產(chǎn)生以上結(jié)果的主要原因。六角防阻塊結(jié)構(gòu)較軟，可緩沖并吸收車輛動能，并且能有效分散車輛碰撞波形梁護欄的力，而這種較軟的防阻塊也加大了護欄安全防護性能對端部錨固的依賴性；而當(dāng)護欄端部剛性錨固時，車輛順利導(dǎo)出且行駛姿態(tài)較好，對車輛形成了有效防護。因此，為了使波形梁護欄的標(biāo)準(zhǔn)段具備足夠的防護性能，必須對護欄的端部進行錨固[9]。

表2 碰撞端部錨固與不錨固護欄的對比分析

2.2 端部錨固合理參數(shù)分析

2.2.1 端部錨固高度分析

公路上常見的路側(cè)波形梁護欄端部結(jié)構(gòu)形式為圓頭式和地錨式，其護欄端部形式及事故形態(tài)如圖2所示[10]。

(a)圓頭式及事故形態(tài)

波形梁護欄端頭高度一般和護欄標(biāo)準(zhǔn)段高度相同，大部分在1 m左右[11]，由于小型車速度快，且車內(nèi)乘員所在的高度與波形梁護欄端頭高度接近，碰撞波形梁護欄端頭后更易對車內(nèi)的乘員形成傷害；而大型車的速度相對較慢，且車內(nèi)乘員的位置高度一般比波形梁護欄端部位置高，碰撞波形梁護欄端頭后對車內(nèi)乘員形成的直接傷害概率較小型車要小得多。

小型車輛碰撞的護欄端部為圓頭式端頭時，若端頭的面積和剛度較大，車體就會產(chǎn)生較大變形，司乘人員會受到嚴(yán)重沖擊，甚至危及生存空間；若端頭的面積較小，相對于車體來說，波形梁護欄端頭就像是釘子一樣尖銳，很容易就能插入小型車車體，對車內(nèi)乘員形成直接傷害，如圖2(a)所示。小型車輛碰撞的護欄端部為地錨式端頭時，小型車會沿地錨的坡面進行快速爬升，極易發(fā)生翻車事故[12-14]，如圖2(b)所示。

大型車碰撞波形梁護欄端頭的事故較少，這與大型車行駛速度較慢有一定關(guān)系，同時大型車碰撞波形梁護欄端部多為騎跨，如圖3(a)所示，插入客車車體事故較為罕見，如圖3(b)所示。

編制企業(yè)定額之前首先要明確它的性質(zhì)。首先，《貴冶土建定額》屬于預(yù)算定額。建設(shè)項目建設(shè)期費用構(gòu)成分：估算、設(shè)計概算、工程圖預(yù)算、項目最終結(jié)算，財務(wù)決算等［1］。該定額主要用于全廠范圍內(nèi)的生產(chǎn)檢修項目的招投標(biāo)及預(yù)結(jié)算階段。所以定性它為工程計價定額中的預(yù)算定額。

(a)中型貨車碰撞護欄端頭

2.2.2 端部錨固結(jié)構(gòu)設(shè)置方式分析

為減少或避免車輛碰撞護欄端部后造成重大傷亡，按照現(xiàn)行規(guī)范中對護欄端部處理結(jié)構(gòu)的規(guī)定，對端部進行有效錨固。根據(jù)規(guī)范規(guī)定的護欄端部外展斜率，將波形梁護欄端部進行外展，且將端部外展12 m以上，并加密端部立柱，端部外展斜率如表3所示[1-2]。

表3 上游護欄端頭外展斜率

外展可有效避免車輛碰撞端頭位置，規(guī)范對護欄外展斜率的規(guī)定為最大外展斜率，當(dāng)波形梁護欄距離車行道越近時，外展應(yīng)越平緩。

2.2.3 端部錨固結(jié)構(gòu)形式分析

JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》[2]中規(guī)定：路側(cè)波形梁護欄的起、訖點應(yīng)進行端頭處理，其行車方向的上游端頭宜設(shè)置為外展圓頭式、外展地錨式，下游端頭可采用圓頭式。外展圓頭式及外展地錨式結(jié)構(gòu)實際應(yīng)用如圖4所示。

(a)圓頭式

3 端部處理推薦結(jié)構(gòu)

路側(cè)波形梁護欄外展端頭形式分為外展圓頭式和外展地錨式，以端部外展圓頭式為基礎(chǔ)，根據(jù)對護欄端部的錨固分析，給出以下幾種護欄端部處理結(jié)構(gòu)[15]。

3.1 立柱錨固外展圓頭式護欄端部結(jié)構(gòu)

以外展圓頭式端部為基礎(chǔ)，將端部末端的5根立柱與波形梁板間的防阻塊去掉，直接通過螺栓連接，且端部末端5根立柱采用Φ600 mm的混凝土基礎(chǔ)，具體外展圓頭式護欄端部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

(a)立面

中型客車和中型貨車按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級碰撞條件進行仿真碰撞，波形梁護欄設(shè)置長度72 m，碰撞點位于外展段與標(biāo)準(zhǔn)段過渡位置，建立的A級波形梁護欄外展圓頭式端部碰撞仿真模型如圖6(a)所示。

車輛碰撞仿真過程如圖6(b)所示。由圖6(b)可知，中型客車和中型貨車碰撞立柱錨固外展圓頭式波形梁護欄端部的過程中，車輛運行姿態(tài)良好，該種波形梁護欄端部錨固結(jié)構(gòu)安全性能滿足規(guī)范要求。

(1)中型客車

3.2 外展地錨式護欄端部結(jié)構(gòu)

外展地錨式護欄端部的末端波形梁護欄板及斜向插入路面下矩形混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，與該板連接的立柱也插入該矩形混凝土基礎(chǔ)內(nèi)，末端2根立柱采用Φ600 mm的混凝土基礎(chǔ)，具體外展地錨式護欄端部結(jié)構(gòu)如圖7所示。

(a)立面

中型客車和中型貨車按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級碰撞條件進行仿真碰撞，護欄設(shè)置長度72 m，碰撞點位于外展段與標(biāo)準(zhǔn)段過渡處，建立的A級波形梁護欄外展地錨式端部碰撞仿真模型如圖8(a)所示。

車輛碰撞仿真過程如圖8(b)所示。由圖8(b)可知，中型客車和中型貨車碰撞波形梁護欄外展地錨式端部的過程中，車輛運行姿態(tài)良好，該種波形梁護欄端部錨固結(jié)構(gòu)安全性能滿足規(guī)范要求。

(1)中型客車

在護欄實際建設(shè)中，可在地錨式端部埋于混凝土基礎(chǔ)內(nèi)的波形梁板上焊接幾根錨固鋼筋，防止車輛碰撞時波形梁板輕易與混凝土基礎(chǔ)分離。

3.3 鋼絲繩錨固外展圓頭式護欄端部結(jié)構(gòu)

以外展圓頭式端部為基礎(chǔ)，末端3根立柱采用Φ600 mm的混凝土基礎(chǔ)，在端部末端4 m內(nèi)，通過在波形梁護欄端部連接2根鋼絲繩來進行錨固，每根鋼絲繩的一端錨固在末端波形梁板上，另一端分別錨固在末端2根立柱根部，鋼絲繩為Φ18型號、強度1 670 MPa，具體鋼絲繩錨固外展圓頭式護欄端部結(jié)構(gòu)如圖9所示。

(a)立面

中型客車和中型貨車按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的A級碰撞條件進行仿真碰撞，波形梁護欄設(shè)置長度72 m，碰撞點位于外展段與標(biāo)準(zhǔn)段過渡位置，建立的A級波形梁護欄鋼絲繩錨固外展圓頭式端部碰撞仿真模型如圖10(a)所示。

車輛碰撞仿真過程如圖10(b)所示。由圖10(b)可知，中型客車和中型貨車碰撞波形梁護欄鋼絲繩錨固外展圓頭式護欄端部的過程中，車輛運行姿態(tài)良好，該種波形梁護欄端部錨固結(jié)構(gòu)安全性能滿足規(guī)范要求。

(1)中型客車

通過仿真計算得到鋼絲繩錨固力計算結(jié)果，如表4所示。由表4可知，鋼絲繩錨固力最大為170 kN，而強度為1 670 MPa的Φ18型號鋼絲繩設(shè)計承載力為179 kN，可見鋼絲繩錨固力滿足要求。

表4 鋼絲繩錨固力

4 結(jié)論

本文采用計算仿真模擬的方法對我國使用最廣泛的A級波形梁護欄端部錨固敏感因素進行了研究，認(rèn)識如下：

1)影響波形梁護欄端部安全性能的關(guān)鍵因素為護欄端部結(jié)構(gòu)形式、高度、是否錨固、設(shè)置方式等。

2)波形梁護欄端部一定要錨固才能保障標(biāo)準(zhǔn)段護欄的正常防護能力。

3)護欄端部結(jié)構(gòu)必須外展才能有效降低護欄刺穿車身的事故概率。

4)端部錨固結(jié)構(gòu)可為標(biāo)準(zhǔn)段護欄提供足夠的錨固力，可使波形梁護欄端部更加安全可靠，從而大幅降低車輛碰撞波形梁護欄端部造成人員傷亡和事故嚴(yán)重程度。

5)工程應(yīng)用可根據(jù)具體實際情況選擇，本文研究成果可為現(xiàn)行規(guī)范護欄端部處理相關(guān)條文修訂提供參考。