高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄應(yīng)用分析

王利軍

(沈陽(yáng)三鑫集團(tuán)有限公司 沈陽(yáng)市 110148)

波形梁鋼護(hù)欄是公路交通安全設(shè)施的重要組成部分，應(yīng)用廣泛?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下公路波形梁護(hù)欄需用鋼材較大，通過(guò)提升鋼材強(qiáng)度等級(jí)和相關(guān)性能，減輕護(hù)欄材料重量，從而達(dá)到節(jié)能降耗、降低成本的效果，市場(chǎng)應(yīng)用前景廣闊。

1 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下波形梁鋼護(hù)欄使用狀態(tài)分析

1.1 我國(guó)公路波形梁鋼護(hù)欄的使用現(xiàn)狀

根據(jù)行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從2014—2019年我國(guó)平均每年公路里程增長(zhǎng)量約為12萬(wàn)公里，2019年全國(guó)公路總里程達(dá)到501萬(wàn)公里。根據(jù)《國(guó)家綜合立體交通網(wǎng)布局》，到2035年國(guó)家高速公路網(wǎng)達(dá)到16萬(wàn)公里、普通國(guó)道網(wǎng)公路達(dá)到30萬(wàn)公里。護(hù)欄用鋼量每年超過(guò)500萬(wàn)噸以上，整個(gè)護(hù)欄用鋼量巨大。

1.2 現(xiàn)有波形梁鋼護(hù)欄的優(yōu)化空間

(1)目前公路波形梁鋼護(hù)欄采用的標(biāo)準(zhǔn)是GB/T 31439—2015(以下簡(jiǎn)稱原國(guó)標(biāo))中規(guī)定的護(hù)欄構(gòu)件原材料力學(xué)性能和化學(xué)指標(biāo)應(yīng)不低于GB/T 700—2006規(guī)定的Q235牌號(hào)鋼的要求,主要指標(biāo)為屈服強(qiáng)度不小于235MPa、抗拉強(qiáng)度不小于375MPa、斷后伸長(zhǎng)率不小于26%。而最早提出該材料的標(biāo)準(zhǔn)JT/T 281—1995是1995年制定的。現(xiàn)在市場(chǎng)通用鋼材均為Q235牌號(hào)鋼。經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，鋼材強(qiáng)度等級(jí)和相關(guān)性能有了大幅度提高，目前的通用的材料等級(jí)很難滿足社會(huì)發(fā)展的需要，亟需升級(jí)。

(2)公路波形梁鋼護(hù)欄主要由波形梁板、立柱、端頭、防阻塊、加強(qiáng)橫梁等構(gòu)件組成，按波形梁板寬分為兩波和三波波形梁鋼護(hù)欄。兩波波形梁板主要規(guī)格為4320×310×85×3(4)mm，重量為49.16(65.55)kg/片；立柱規(guī)格為Φ114(140)×4.5mm，重量為12.15(15.04)kg/m[1]；三波波形梁板主要規(guī)格為4320×506×85×3(4)mm，重量為76.3(102)kg/片；立柱規(guī)格為Φ140×4.5mm、Φ130×6mm，重量為15.04、22.6kg/m[2]。耗費(fèi)大量材料，不利于節(jié)能減排及綠色發(fā)展，重量亦需要減輕。

(3)材料笨重，安裝不便。以4mm三波形梁鋼護(hù)欄為例每片重102kg，至少需要四個(gè)工人安裝，對(duì)人力要求較高，安裝時(shí)十分不便。

(4)物流運(yùn)輸消耗大。目前國(guó)內(nèi)波形梁鋼護(hù)欄材料生產(chǎn)主要布局在山東、江蘇等省份，材料到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)近則幾百公里，遠(yuǎn)則上千公里。常規(guī)公路運(yùn)輸貨車載重不超過(guò)40t，產(chǎn)品笨重對(duì)物流也是一種壓力。

綜上所述，公路護(hù)欄的輕量化勢(shì)在必行，輕量化設(shè)計(jì)可以非常有效地改善以上的問(wèn)題。經(jīng)理論計(jì)算，提高護(hù)欄用鋼強(qiáng)度可以有效提高護(hù)欄的安全性；在強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下鋼板的斷后伸長(zhǎng)率越高，其安全性能越好。且護(hù)欄的輕量化有利于減少鋼鐵材料的耗費(fèi)，節(jié)約大量材料資源，降低能耗，減少碳排放，降低成本；公路護(hù)欄材料重量減輕，能大幅度降低物流和人力成本，減少汽車尾氣的碳排放量，對(duì)環(huán)境更友好。如此大體量的公路護(hù)欄市場(chǎng)，公路護(hù)欄輕量化會(huì)產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，對(duì)企業(yè)、社會(huì)和國(guó)家來(lái)說(shuō)是十分必要的。

2 《高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄》的技術(shù)特點(diǎn)

針對(duì)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)下波形梁鋼護(hù)欄存在的問(wèn)題，中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)于2020年9月發(fā)布了《高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄》[3](T/CCTAS 16—2020)團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)(以下簡(jiǎn)稱新團(tuán)標(biāo))。在滿足護(hù)欄安全性能的前提下，提出使用高強(qiáng)鋼材料，適當(dāng)減薄護(hù)欄產(chǎn)品厚度，減少鋼鐵材料消耗，降低能耗，減少排放。使用高強(qiáng)鋼材料不僅制造成本得到控制，同時(shí)也有效降低了物流運(yùn)輸以及安裝維護(hù)成本。

新團(tuán)標(biāo)要求波形梁鋼護(hù)欄的波形梁板、背板、立柱、橫梁、防阻塊等構(gòu)件用基底金屬材料為高強(qiáng)度鋼，力學(xué)性能及化學(xué)指標(biāo)為屈服強(qiáng)度不小于700MPa、抗拉強(qiáng)度不小于750MPa、斷后伸長(zhǎng)率不小于17%。

新團(tuán)標(biāo)對(duì)波形梁板尺寸規(guī)格要求為4320×310×85×2.1mm(B級(jí))、4320×506×85×2.2mm(A級(jí))、4320×506×85×2.7mm(SB、SA級(jí))；立柱尺寸規(guī)格要求為Φ114×3.0mm(B級(jí))、Φ140×3.0mm(A、SB級(jí))、Φ130×4.3mm(SA級(jí))。

3 波形梁護(hù)欄輕量化對(duì)比

選取目前國(guó)內(nèi)高速公路波形梁鋼護(hù)欄常用的A、SB、SA三類防護(hù)等級(jí)，以材料重量占比較大的波形梁板、立柱、防阻塊、加強(qiáng)橫梁四類材料為基礎(chǔ)，對(duì)比分析原國(guó)標(biāo)與新團(tuán)標(biāo)材料規(guī)格和重量的差異表1。

表1 原國(guó)標(biāo)與新團(tuán)標(biāo)材料重量差異化分析

以遼寧省正在實(shí)施的某高速公路波形梁鋼護(hù)欄材料用量為例，綜合計(jì)算新團(tuán)標(biāo)的輕量化率表2。

表2 某高速采用輕量化后材料重量差異化分析

通過(guò)上述高速公路波形梁鋼護(hù)欄輕量化分析原設(shè)計(jì)方案需用鋼材3918t，輕量化后需用鋼材2430t，預(yù)估可節(jié)約鋼材用量1488t，輕量化率37.98%。經(jīng)初步了解高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄材料的單價(jià)為Q235材料單價(jià)的1.3倍，若采用高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄，預(yù)估本項(xiàng)目材料費(fèi)可降低500萬(wàn)元，造價(jià)降低率達(dá)到19.4%。護(hù)欄設(shè)計(jì)總量81.7km(單側(cè))，材料價(jià)格可降低61000元/km。輕量化后節(jié)能效果及經(jīng)濟(jì)效益明顯。

4 高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄的優(yōu)點(diǎn)

目前國(guó)內(nèi)某公司已研制出適合高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄所需材料。該產(chǎn)品已通過(guò)國(guó)家交通安全設(shè)施質(zhì)量監(jiān)督中心碰撞試驗(yàn)，有五個(gè)防撞等級(jí)的試驗(yàn)報(bào)告(B、A、SB、SA、SS級(jí))，滿足新團(tuán)標(biāo)要求。已經(jīng)在吉林省長(zhǎng)春東收費(fèi)站主線項(xiàng)目、四川成宜高速公路項(xiàng)目、江蘇常州溧陽(yáng)G104項(xiàng)目、廣西荔浦-玉林高速公路項(xiàng)目等多條高速公路得到應(yīng)用，效果良好。該材料相較于傳統(tǒng)的Q235材質(zhì)波形梁護(hù)欄具有如下優(yōu)點(diǎn)：

(1)材質(zhì)更優(yōu)，防撞更好

相比現(xiàn)有Q235鋼材，高強(qiáng)鋼屈服強(qiáng)度提高了665MPa，提高率283%；抗拉強(qiáng)度提高了375MPa，提高率100%；斷后伸長(zhǎng)率降低了9%，降低率35%。

屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的提高大大提升了鋼護(hù)欄的防撞性；斷后伸長(zhǎng)率的降低保證材料具有更好的抗高溫和抗低溫特性以及性能穩(wěn)定性。

(2)節(jié)能減排，綠色環(huán)保

高強(qiáng)鋼輕量化護(hù)欄的應(yīng)用將極大降低鋼材的使用量，與現(xiàn)行的同防撞級(jí)別護(hù)欄相比可實(shí)現(xiàn)30%～45%的輕量化率，有效減少了對(duì)不可再生資源的消耗；降低了碳的排放量及煉鋼過(guò)程中標(biāo)準(zhǔn)煤的使用量；同時(shí)材料運(yùn)輸效力有很大提升，節(jié)約了運(yùn)輸費(fèi)用和減少運(yùn)輸車輛尾氣的排放量。

(3)養(yǎng)護(hù)施工，高效便捷

高強(qiáng)鋼輕量化護(hù)欄更有利于后期養(yǎng)護(hù)，有效解決了目前SB級(jí)護(hù)欄在路面加鋪后不能提升的缺點(diǎn)，一定程度上提高了施工工效，同時(shí)降低了養(yǎng)護(hù)成本。

(4)成本更優(yōu)，方便安裝

高強(qiáng)鋼輕量化護(hù)欄材料在保障安全性能的前提下，相比同防撞級(jí)別其他鋼護(hù)欄材料單位造價(jià)更低，安裝工效更高。

5 輕量化波形梁鋼護(hù)欄的應(yīng)用效益分析

通過(guò)對(duì)我國(guó)公路護(hù)欄現(xiàn)狀(每年改造使用Q235公路波形梁鋼護(hù)欄產(chǎn)品的普通公路按11萬(wàn)公里計(jì)，按每公里使用30t鋼護(hù)欄，每年需330萬(wàn)噸產(chǎn)品。高速公路按每年8000km，每公里200t用鋼計(jì)，高速公路及普通公路每年合計(jì)需要公路波形梁鋼護(hù)欄產(chǎn)品約500萬(wàn)噸)和高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄優(yōu)勢(shì)的分析，高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄的應(yīng)用能夠帶來(lái)巨大的社會(huì)效益。

高強(qiáng)鋼輕量化波形梁護(hù)欄，帶來(lái)傳統(tǒng)行業(yè)的變革和巨大的社會(huì)效益，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保，效益分析如下：

(1)降低碳排放、節(jié)約能源

以噸鋼產(chǎn)生2.1t的CO2排放測(cè)算，每年節(jié)約鋼材165萬(wàn)噸，可實(shí)現(xiàn)碳排放每年減少346.5萬(wàn)噸。

以噸鋼消耗571kg標(biāo)準(zhǔn)煤測(cè)算，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤94.2萬(wàn)噸，可大幅度節(jié)約煤炭等不可再生資源，并大量減少能源消耗。

(2)降低運(yùn)輸成本

我國(guó)公路護(hù)欄年用鋼量為500萬(wàn)噸，若采用輕量化的新型公路護(hù)欄年用鋼量為335萬(wàn)噸。按運(yùn)輸車輛每車裝貨32t為例，運(yùn)輸現(xiàn)有公路護(hù)欄車輛約需156250輛，運(yùn)輸新型輕量化公路護(hù)欄車輛只需104688輛，運(yùn)輸車輛減少51562輛，車輛運(yùn)輸成本降低約33%。

以柴油貨車消耗柴油0.0606L/(t·km)為例，單位周轉(zhuǎn)量碳排放量0.1553kg/(t·km)計(jì)算[4]，51562輛貨車若運(yùn)距為1000km，則可減少CO2排放量為25.6萬(wàn)噸。

(3)降低工程造價(jià)

以現(xiàn)市場(chǎng)Q235護(hù)欄均價(jià)每噸6600元、用量500萬(wàn)噸；高強(qiáng)鋼護(hù)欄每噸8600元、用量335萬(wàn)噸(按平均33%的輕量化率計(jì)算)，預(yù)估每年可節(jié)約護(hù)欄材料費(fèi)41.9億元。