基于最大橫向動態(tài)位移外延值的中央分隔帶節(jié)地型分設(shè)式波形梁護(hù)欄研究

邰永剛

(北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京 100191)

0 引言

公路尤其是山區(qū)公路在建設(shè)時，其建設(shè)條件困難，涉及到大填大挖、征地困難等問題，因此路基寬度成為山區(qū)公路建設(shè)中的一項主要經(jīng)濟指標(biāo)控制因素。在我國現(xiàn)行公路設(shè)計規(guī)范中，對于車道寬度、路肩寬度等橫斷面指標(biāo)，均已給出了相應(yīng)的設(shè)計參考值，而對于在采用極限值條件的橫斷面指標(biāo)中，現(xiàn)行安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范中并沒有給出完整的全等級護(hù)欄設(shè)置方法，例如針對0.5 m土路肩的情況，規(guī)范中僅給出了A級路側(cè)護(hù)欄的標(biāo)準(zhǔn)圖，對于其他等級護(hù)欄如何設(shè)置沒有給出具體參考。同樣，在中分帶護(hù)欄設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖中，給出了中分帶設(shè)置相應(yīng)等級分設(shè)型波形梁護(hù)欄的最小寬度[例如：規(guī)范中關(guān)于SBm級分設(shè)型波形護(hù)欄的設(shè)計明確了其中央分隔帶寬度最小值為1 795 mm(設(shè)計速度不大于100 km/h)]，而對于小于此寬度時能否設(shè)置分設(shè)型波形梁護(hù)欄沒有明確規(guī)定，其應(yīng)用具有局限性。

目前我國公路常用的中央分隔帶護(hù)欄主要類型有波形梁護(hù)欄和混凝土護(hù)欄。其中，波形梁護(hù)欄的主要特點是結(jié)構(gòu)通透，視線誘導(dǎo)效果好，但是在護(hù)欄遭受到車輛碰撞后，其動態(tài)變形量較大，且高等級波形梁護(hù)欄造價較高；而混凝土護(hù)欄的主要特點是防護(hù)能力強，造價與養(yǎng)護(hù)費用低，但施工周期長，景觀通透性較差。出于節(jié)約建設(shè)用地的考慮，國內(nèi)湖南邵永高速公路、懷通高速，廣西桂柳高速公路和云南昆玉高速公路率先引入了中間帶優(yōu)化設(shè)計理念，采用整體式混凝土護(hù)欄代替原有的波形梁護(hù)欄(見圖1)。雖然整體式混凝土護(hù)欄能夠大幅縮減中央分隔帶寬度[1]，但由于混凝土護(hù)欄景觀通透性較差、無法綠化等因素，并未大范圍推廣應(yīng)用。國內(nèi)已有部分對混凝土護(hù)欄景觀性能的相關(guān)研究成果，例如湖南省常吉高速公路結(jié)合當(dāng)?shù)氐娜宋奶攸c，研究開發(fā)出鳳凰型混凝土護(hù)欄[2]，在保證行車安全的同時，體現(xiàn)了公路沿線自然和人文特點，增添了車輛行駛過程中的舒適感。另外，青海花久公路將橋梁梁柱式護(hù)欄應(yīng)用于路基中央分隔帶護(hù)欄[3-4]，同樣降低了中央分隔帶寬度，提升了中分帶護(hù)欄的景觀效果，但梁柱式護(hù)欄由于成本高、養(yǎng)護(hù)不便等因素，目前并未在其他道路推廣應(yīng)用，見圖2。國外針對窄路基中分帶的護(hù)欄，也主要是采用混凝土護(hù)欄和組合型波形梁護(hù)欄[5-6]，鑒于目前公路中央分隔帶中波形梁護(hù)欄的普及率仍然較高，而分設(shè)型護(hù)欄又具備綠化的優(yōu)勢條件，有必要針對窄路基條件下分設(shè)型波形梁進(jìn)行相應(yīng)的研究，以滿足節(jié)地型公路建設(shè)發(fā)展的需要。

圖1 節(jié)地型整體式混凝土護(hù)欄Figure 1 Land-saving integral concrete barrier

圖2 節(jié)地型梁柱式中央分隔帶護(hù)欄Figure 2 Land-saving beam-column median barrier

1 分設(shè)型波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)分析

波形梁護(hù)欄屬于連續(xù)的梁柱式結(jié)構(gòu)，在車輛碰撞護(hù)欄的過程中，最先接觸的波形梁板通過波紋的展開變形吸收部分碰撞能量，并將剩余的碰撞能量分散作用到多根立柱上，最后通過立柱彎曲變形和土基壓縮變形吸收部分碰撞能量，護(hù)欄板的剛度和強度迫使事故車輛改變行駛方向，回到正常行駛狀態(tài)[7]。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，分設(shè)型中央分隔帶波形梁護(hù)欄兩側(cè)護(hù)欄宜平齊布置[8-9]，如圖3所示，此種布設(shè)方式針對寬度較大的中央分隔帶路段較為合理，根據(jù)以往碰撞試驗結(jié)果，車輛在與護(hù)欄發(fā)生碰撞時，由于單側(cè)護(hù)欄已具備足夠的變形空間，因此并不會較大影響對向護(hù)欄，也就不會影響對向車道的安全行車，而碰撞事故發(fā)生時一般是瞬時事故，只要護(hù)欄永久變形未侵入到對向行車道，影響對向車道就可以忽略不計。以3 m中央分隔帶試驗為例，護(hù)欄最大動態(tài)變形量1.05 m，車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值1.65 m(見圖4)，對向護(hù)欄無變形。

圖3 分設(shè)型波形梁護(hù)欄Figure 3 Separate W-beam barrier

圖4 最大動態(tài)外傾及最大永久變形

從上述試驗結(jié)果可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)SB級護(hù)欄凈寬為2 m(兩側(cè)C值各0.5 m)的條件下，雙向護(hù)欄在碰撞過程中基本沒有發(fā)生干涉，既沒有影響對向車道，但根據(jù)試驗數(shù)據(jù)分析，如果護(hù)欄凈寬為1 m，則雙向立柱必然會發(fā)生干涉，從而導(dǎo)致對向護(hù)欄發(fā)生變形，可能影響對向車道的行車安全(見圖5)。

圖5 護(hù)欄立柱發(fā)生干涉圖Figure 5 Picture of interference forms of barrier posts

根據(jù)國外相關(guān)文獻(xiàn)資料[6]，中分帶護(hù)欄的設(shè)置一般是以不影響對向車道的安全行車為主，即不侵入到對向行車道。同時對向車道的左側(cè)路緣帶可以一定程度上保障部分偏離車道的車輛有一定的緩沖反應(yīng)時間，從而避免直接撞擊到護(hù)欄。因此中央分隔帶分設(shè)型護(hù)欄變形的控制仍以路緣帶邊緣線為界限，以最大橫向動態(tài)位移外延值為控制指標(biāo)，即護(hù)欄的變形量不要侵入到路緣帶內(nèi)，但可以占用C值，以最大限度地減少對對向車道的行車安全影響。

2 護(hù)欄變形量控制方案研究

2.1 控制方案

由于中分帶寬度已無法改變，要控制護(hù)欄變形量，則必須通過在護(hù)欄結(jié)構(gòu)上進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)設(shè)計，鑒于高速公路中分帶護(hù)欄景觀要求，目前SBm級三波梁護(hù)欄的外形結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量保持不變，因此提出的護(hù)欄技術(shù)方案主要以提高立柱承載力和提高橫梁剛度為主，從而降低護(hù)欄的最大橫向動態(tài)位移外延值。

方案1：加密立柱。

根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范要求，在立柱承載力不足、保護(hù)層厚度不足時，可采用加密立柱的方式提高護(hù)欄的承載力。而對于中央分隔帶護(hù)欄，由于種植土的影響可能導(dǎo)致護(hù)欄立柱的承載力下降，因此如果采用加密立柱的方式，則護(hù)欄的變形量得到有效控制。

方案2：增加支撐。

在SB(SBm)級護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，護(hù)欄板與立柱協(xié)調(diào)性較好，護(hù)欄的變形量主要是受到立柱變形的影響，因此對護(hù)欄變形量的控制能以控制立柱變形為重點。目前在一些中分帶護(hù)欄改造方案中，提出了增加橫梁支撐的方案，即增加橫向支撐，使兩側(cè)護(hù)欄可以協(xié)同受力，從而提高護(hù)欄的承載力、降低變形量，但對于波形梁護(hù)欄來說，如果采用上部支撐的方案，則迎撞側(cè)護(hù)欄發(fā)生變形時會迅速將碰撞力傳遞到對向護(hù)欄，可能增大對向護(hù)欄的變形。為降低支撐給對向護(hù)欄的影響，考慮采用增加斜撐的方式(見圖6)，迎撞側(cè)支撐在護(hù)欄板中心位置，另一段支撐在對向護(hù)欄的立柱根部，降低迎撞側(cè)護(hù)欄變形給對向立柱的變形影響。

圖6 6斜向支撐方案Figure 6 Scheme of diagonal support

方案3：立柱錯落布置。

通過護(hù)欄受力機理分析發(fā)現(xiàn)，分設(shè)型兩側(cè)護(hù)欄過早地接觸并不利于護(hù)欄防護(hù)性能的發(fā)揮，相反，應(yīng)該盡量延遲兩側(cè)護(hù)欄發(fā)生接觸的時間，以充分發(fā)揮迎撞側(cè)護(hù)欄的阻擋功能。對窄路基中央分隔帶護(hù)欄來說，護(hù)欄立柱間距較小，立柱一旦變形就很容易碰撞到對向立柱，從而使對向護(hù)欄發(fā)生變形，因此將護(hù)欄立柱進(jìn)行錯落布置(見圖7)，增大立柱的變形空間。

圖7 立柱錯落布設(shè)方案Figure 7 Layout scheme of staggered posts

方案4：提高立柱基礎(chǔ)承載力+立柱錯落布設(shè)。

對于中分帶護(hù)欄立柱基礎(chǔ)，由于種植土一般較為松散，且有進(jìn)行澆灌、植被扎根等現(xiàn)象，不可避免地導(dǎo)致其壓實度下降，從而使立柱的承載力下降，故有必要提高立柱的承載力。采用增加其加強板的方式加大立柱與土基礎(chǔ)的接觸面積(見圖8)，即在立柱底部焊接加強板，提高立柱承載力，根據(jù)以往規(guī)范中的建議形式和相關(guān)科研成果，為防止立柱打入困難，加強板的位置以立柱路面以下20 cm為宜(一般立柱變形時的屈服折彎點)。

圖8 立柱加強Figure 8 Post reinforcement

2.2 控制方案對比

針對控制方案的對比，主要從對向護(hù)欄變形、結(jié)構(gòu)施工難度、工程量方面進(jìn)行對比，采用計算機仿真技術(shù)分別對各方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。根據(jù)以往實車碰撞試驗及計算機仿真計算分析經(jīng)驗，SB(SBm)級護(hù)欄在碰撞時，以中型客車的碰撞最為不利，主要原因是中型客車的碰撞速度較高，對護(hù)欄的損傷較大，因此重點以中型客車碰撞分析為主，以碰撞結(jié)果首先滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求為前提進(jìn)行對比[10]，不滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求的方案不進(jìn)行對比(見表1)。

表1 控制方案對比Table 1 Control scheme comparison序號方案簡介最大橫向動態(tài)位移外延值/mm施工難度增加材料量與標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄對比/(kg·m-1)1標(biāo)準(zhǔn)段方案(標(biāo)準(zhǔn)壓實度)1 283一般02加密立柱方案(標(biāo)準(zhǔn)壓實度)1 109稍難78.63斜撐方案(標(biāo)準(zhǔn)壓實度)1 158較難2.24提高立柱基礎(chǔ)承載力+錯落布設(shè)1 143一般2.45立柱錯落布置方案(種植土)1 389一般0

通過上述分析可看出，方案2和方案3雖然也有效控制了護(hù)欄的最大橫向動態(tài)位移外延值，但其增加的材料量較多，且增加了施工難度，而方案4在增加材料量較小的情況下有效地控制住了護(hù)欄的最大橫向動態(tài)位移外延值(見圖9)，且對于增加加強鋼板來說，立柱打入的施工難度增加不大，因此推薦采用該方案作為實車碰撞試驗檢測方案。

(a)加密立柱方案2

3 推薦方案實車碰撞試驗檢測

根據(jù)現(xiàn)行《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》要求，采用SBm級碰撞條件對推薦方案進(jìn)行實車足尺護(hù)欄碰撞試驗檢測(見圖10)，檢測結(jié)果如表2～表4所示。

圖10 車輛及護(hù)欄準(zhǔn)備照片

表2 碰撞條件測試結(jié)果Table 2 Collision condition test results編號試驗日期碰撞車型車輛總質(zhì)量/kg碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ1—小客車1 492101.019.7—2—中型客車10 22481.520.23123—大型貨車18 15260.720.2307

表3 護(hù)欄檢測各項指標(biāo)1Table 3 Barrier detection indicators 1評價項目小型客車中型客車大型貨車測試結(jié)果是否合格測試結(jié)果是否合格測試結(jié)果是否合格阻擋功能車輛是否穿越、翻越和騎跨護(hù)欄否是否是否是護(hù)欄構(gòu)件及脫離件是否侵入車輛乘員艙否是否是否是導(dǎo)向功能車輛碰撞后是否翻車否是否是否是車輛碰撞后的運行軌跡是否滿足駛出框要求是是是是是是乘員碰撞速度/(m·s-1)縱向5.5是————緩沖功能橫向5.2是————乘員碰撞后加速度/(m·s-2)縱向66.7是————橫向182.6是————

表4 護(hù)欄檢測各項指標(biāo)2Table 4 Barrier detection indicators 2車型護(hù)欄最大橫向動態(tài)變形值D/m護(hù)欄最大橫向動態(tài)位移外延值W/m車輛最大動態(tài)外傾值VI/m車輛最大動態(tài)外傾當(dāng)量值VIn/m是否有效小型客車0.250.50——是中型客車0.951.201.151.30是大型貨車0.751.051.802.40是

經(jīng)實車碰撞試驗驗證結(jié)果表明，該分設(shè)型中分帶波形梁護(hù)欄防護(hù)等級可滿足SBm級防護(hù)等級要求，護(hù)欄防護(hù)能量最高可達(dá)312 kJ。

4 結(jié)論

本文以護(hù)欄的最大橫向動態(tài)位移外延值為控制指標(biāo)，通過計算機仿真方法研究了一種節(jié)地型分設(shè)式中央分隔帶波形梁護(hù)欄方案，該方案可適用于中央分隔帶寬度為1.5 m的公路，方案對護(hù)欄結(jié)構(gòu)、綠化以及交通運行影響較小。經(jīng)實車碰撞試驗驗證，護(hù)欄的防護(hù)等級可達(dá)到SBm級。

節(jié)地型分設(shè)式中分帶波形梁護(hù)欄可有效節(jié)約公路建設(shè)用地，降低車輛碰撞護(hù)欄給對向車道行車造成的安全隱患，提升公路建設(shè)工程的安全性能和經(jīng)濟性，具備較好的推廣應(yīng)用價值。