三（A）級波形梁護欄逐級加高技術(shù)研究

孔大川 吳凈潔 張鑌 梁亞平

1.青島市公路事業(yè)發(fā)展中心 266101

2.北京中路安交通科技有限公司 100071

引言

我國公路早期病害嚴(yán)重，同時伴隨著交通流量逐年增加，超限運輸現(xiàn)象日益嚴(yán)重，導(dǎo)致加鋪罩面頻繁。路面增高，會使護欄與路面間相對高度降低，防護能力不足。現(xiàn)階段國內(nèi)已經(jīng)研究出多種加高的方法，如增設(shè)套管加高法、偏心防阻塊加高法、立柱拔出重新打入法和增設(shè)立柱法等。

三（A）級波形梁護欄的立柱上設(shè)置有預(yù)留孔，加高需求在0～20cm 時，可每隔4cm 一檔進行加高。但由于三（A）級波形梁護欄原始結(jié)構(gòu)立柱只開設(shè)有5 個預(yù)留加高孔，最大只能加高至20cm，當(dāng)需要20cm 以上的加高高度時，原結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)。若采用在原防阻塊上重新開孔，同時增設(shè)內(nèi)套管并開設(shè)增高孔的方法，可實現(xiàn)對超過20cm 以上的特定加高高度進行加高，但由于公路改造需求量大，此種加高方案需更換防阻塊，造價較高。針對上述問題，本文對三（A）級護欄加高的構(gòu)造形式進行了設(shè)計研究，并通過仿真計算和碰撞試驗，對護欄的受力性能和連接進行了驗證，對同類護欄的加高設(shè)計具有參考意義。

1 加高方案

1.1 加高方法的選擇

現(xiàn)階段公路改造時護欄主要的加高方法優(yōu)缺點見表1。

表1 幾種加高方法對比Tab.1 Comparison of several heightening methods

針對三（A）級波形梁護欄加高40cm 的情況下，綜合考慮上述加高方法的優(yōu)缺點，最終采用增設(shè)套管的方法進行護欄加高設(shè)計。

1.2 套管的選擇

套管可分為內(nèi)套管和外套管，為了達到相同的抗彎性能，套管的截面系數(shù)不小于原立柱截面系數(shù)。若采用外套管，則原始防阻塊圓弧半徑過小，無法連接，需要重新更換防阻塊，因此采用內(nèi)套管進行加高。此時內(nèi)套管與防阻塊存在間隙，在其中增加墊片以滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但由于內(nèi)套管和立柱重疊區(qū)域的截面模量相當(dāng)于套管處截面模量的兩倍，造成剛度突變，可能會對護欄的防護性能造成影響，需要進一步分析驗證。

1.3 加高方案設(shè)計

1.防阻塊設(shè)計

為了滿足逐級加高的目的，對原始防阻塊重新進行開孔設(shè)計，根據(jù)原立柱結(jié)構(gòu)可推斷出孔位至少提升150mm。但防阻塊重新開孔會造成額外的成本，不便于現(xiàn)場施工，考慮應(yīng)用原防阻塊上的連接孔與套管進行連接，即采用防阻塊倒置安裝。此時，防阻塊孔位可與套管最上端連接孔連接，安裝孔位提升了194mm，可以彌補原立柱最上端安裝孔至頂面的150mm，防阻塊倒置前后結(jié)構(gòu)如圖1 所示。據(jù)此重新設(shè)計套管結(jié)構(gòu)，也可滿足逐級加高的需求。

圖1 防阻塊倒置結(jié)構(gòu)對比Fig.1 Comparison of the anti-block inverted structure

2.套管設(shè)計

采用內(nèi)套管和原立柱抗彎截面系數(shù)相當(dāng)?shù)脑瓌t確定套管的尺寸，原始立柱尺寸為φ140 ×4.5mm，抗彎截面模量W＝62874mm4，通過計算，采用尺寸為φ127 ×6mm 的套管作為三（A）級波形梁護欄加高結(jié)構(gòu)的套管。通過匹配設(shè)計出套管上各個孔位位置，連接孔距頂面40mm，加高孔距連接孔270mm，每隔40mm設(shè)計一個加高孔，共5 個加高孔，可以實現(xiàn)每隔4cm為一檔進行加高的目的。

3.確定螺栓種類及連接個數(shù)

由于原始未加高結(jié)構(gòu)立柱與防阻塊采用一個螺栓連接，為了保證加高結(jié)構(gòu)類似，三（A）級波形梁護欄立柱與套管采用一個螺栓進行連接，根據(jù)原始立柱的開孔大小采用M16 螺栓。

4.墊片選擇

由于原始防阻塊和套管間存在一定間隙，在連接處增加一個厚度為6mm 的圓弧墊片，并開連接孔，可以補償間隙，保證波形梁護欄結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。最終加高結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 三（A）級波形梁護欄加高結(jié)構(gòu)Fig.2 Three（A）level corrugated beam guardrail heightening structure

2 計算機仿真分析

根據(jù)《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTGB05-01—2013）中三（A）級護欄碰撞條件建立小型客車、中型客車和中型貨車的計算機仿真模型，碰撞條件見表2。

表2 三（A）級護欄碰撞條件Tab.2 Three（A）level guardrail collision conditions

2.1 護欄防護性能

對于護欄的導(dǎo)向功能，三種車輛碰撞最不利車型為中型貨車，因此確定指標(biāo)時采用中型貨車作為主要評價依據(jù)。由圖3 可見，中型貨車在20m內(nèi)，沒有越過導(dǎo)向駛出框邊界線且駛離后未翻車，護欄導(dǎo)向功能良好。

圖3 中型貨車碰撞后行駛軌跡Fig.3 The trajectory of a medium-sized truck after a collision

對于護欄的緩沖功能，僅采用小型客車作為主要評價依據(jù)。由圖4 可見，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量為64.7m／s2、69.4m／s2，均不大于200m／s2，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量為5.26m／s、5.03m／s，均不大于12m／s，護欄緩沖功能良好。

圖4 乘員碰撞加速度和速度曲線Fig.4 Acceleration and velocity curves of occupant collision

2.2 立柱-套管連接性能

立柱和套管連接處的截面模量是套管截面模量的2 倍，造成剛度突變，有可能導(dǎo)致立柱-套管的變形突變。通過分析護欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況發(fā)現(xiàn)并未產(chǎn)生突變的變形，表明套管尺寸選擇合理。護欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況如圖5 所示。

圖5 護欄碰撞區(qū)域立柱-套管變形情況Fig.5 Column-casing deformation in the collision area of the guardrail

2.3 螺栓連接性能

立柱與套管連接螺栓為4.8 級M16 螺栓，其保證載荷為48700N，三種車輛螺栓最大剪切力如表3 所示，雖然存在螺栓剪切斷裂的情況，但根據(jù)車身姿態(tài)可以看出車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，斷裂螺栓不影響護欄防護性能。

表3 螺栓剪切力Tab.3 Bolt shear force

綜上所述，三種車輛碰撞護欄后，均未發(fā)生穿越、翻越和騎跨護欄現(xiàn)象，護欄導(dǎo)向、緩沖性能良好?？梢娙ˋ）級標(biāo)準(zhǔn)碰撞條件下波形梁護欄加高結(jié)構(gòu)的仿真碰撞分析各項指標(biāo)均滿足《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）要求。

3 實車足尺碰撞試驗

3.1 護欄的導(dǎo)向功能

圖6 為中型貨車碰撞護欄行駛軌跡，可見其碰撞護欄后平穩(wěn)駛出，并恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒有穿越、翻越和騎跨護欄，滿足評價指標(biāo)要求。

圖6 中型貨車碰撞護欄行駛軌跡Fig.6 The trajectory of a medium-sized truck colliding with a guardrail

3.2 護欄的緩沖功能

表4 為小型客車緩沖性能評價，可見乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m／s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m／s2，滿足評價指標(biāo)要求。

表4 小型客車碰撞試驗緩沖性能評價Tab.4 Evaluation of cushioning performance of small passenger car crash test

3.3 螺栓連接性能

三種車輛在實車足尺碰撞試驗中立柱套管雖有不同程度的倒伏，但斷裂的螺栓均在套管與防阻塊連接位置，立柱套管連接螺栓沒有斷裂，如圖7 所示，車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，說明加高結(jié)構(gòu)可以滿足安全性能要求。

圖7 實車足尺碰撞試驗螺栓情況Fig.7 Bolt situation in full-scale crash test of real vehicle

綜上所述，護欄加高結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均符合《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013），護欄強度滿足中型客車和中型貨車的防護需求，且未對小型客車造成絆阻現(xiàn)象，護欄防護性能達到三（A）級。

4 結(jié)語

本文采用增設(shè)立柱配合防阻塊倒置的方法對三（A）級波形梁進行加高，同時通過理論計算，選取合理的套管尺寸，避免立柱與套管在連接處附近由于剛度的突變影響護欄的防護性能，最終提出了可逐級加高的護欄結(jié)構(gòu)。通過計算機仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對三（A）級波形梁護欄加高結(jié)構(gòu)防護性能進行驗證，加高結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）要求。