防撞護(hù)欄破壞點(diǎn)控制方法研究

林國(guó)輝，邰永剛，包凌文，白書(shū)鋒

(1.深圳高速公路股份有限公司，廣東深圳518026;2.北京道從交通科技有限公司，北京100043)

隨著我國(guó)城市交通的迅速發(fā)展，一些城市郊區(qū)的高速公路逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槌菂^(qū)高速公路，因其交通量較大，對(duì)公路安全性和景觀要求逐漸增高。護(hù)欄作為公路安全防護(hù)的重要保障，不但應(yīng)具備足夠的防撞能力，還應(yīng)該能與城市環(huán)境協(xié)調(diào)，且必須能做到維修養(yǎng)護(hù)方便，以防止因事故處理、維修養(yǎng)護(hù)慢等造成城區(qū)道路的堵車現(xiàn)象發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)外都已有針對(duì)景觀防撞護(hù)欄的研究，但卻缺少具有破壞點(diǎn)控制的護(hù)欄結(jié)構(gòu)。這主要是因?yàn)閲?guó)外的交通擁堵?tīng)顩r與我國(guó)相比要好的多，可以不考慮因護(hù)欄維修養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的交通擁堵影響。

護(hù)欄的設(shè)計(jì)首先需要考慮的就是其防撞能力問(wèn)題，作為交通事故發(fā)生之前的最后一道安全防線，護(hù)欄的防撞能力直接決定著乘員的安全，近年我國(guó)曾發(fā)生過(guò)多起車輛穿越護(hù)欄的事故。

案例1:2011年2月19日0時(shí)03分，廣佛高速(S15線)路段發(fā)生一起特大交通事故，一輛由廣州往開(kāi)平方向行駛的湛江籍大客車在廣佛高速K46+700 m路段與一輛廣州牌照的小轎車發(fā)生猛烈碰撞，造成小轎車上5人死亡(3男2女)，大客車上無(wú)人傷亡。

案例2:2011年2月21日，在G15沈海高速公路上行線K3 250 km+60 m(廣東陽(yáng)江合山段)處發(fā)生一起特大交通事故，一大客車由廣州往湛江方向行駛，于凌晨2時(shí)45分行駛至G15沈海高速公路K3 250 km+60 m處時(shí)，越過(guò)中心隔離帶護(hù)欄，先后與對(duì)向行駛的一輛小客車和一輛大客車相撞，造成小客車上7人當(dāng)場(chǎng)死亡，1人受重傷的特大交通事故。

以上事故發(fā)生的主要原因均是護(hù)欄的防撞能力不足。目前高速公路的車速快，車型復(fù)雜，而許多安全設(shè)施仍是按照舊規(guī)范(JTJ 074—94《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》)設(shè)計(jì)，存在眾多的安全隱患，而我國(guó)目前規(guī)范中［1-2］所要求防撞等級(jí)高的護(hù)欄結(jié)構(gòu)，要么造價(jià)太高，要么景觀效果太差、維修養(yǎng)護(hù)不便，很難選擇到合理的結(jié)構(gòu)形式。要徹底改變這種現(xiàn)狀，必須研究開(kāi)發(fā)防撞能力更高、維修養(yǎng)護(hù)方便的護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式。

1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)方案簡(jiǎn)介

為保證護(hù)欄的防撞能力及綠化種植土的深度，選擇了組合式護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式，將護(hù)欄立柱設(shè)置成后仰形式，以使橫梁不侵占路面;將立柱底座的頂寬取為25 cm，底寬為30 cm，立柱為斜置“F”型，減少了橫梁對(duì)立柱與底座之間連接法蘭的寬度，從而增加綠化帶寬度，綠化帶寬度從原來(lái)的1.4 m增加到了1.5 m;護(hù)欄橫梁采用120 mm×80 mm×6 mm的橢圓形鋼管(圖1)。

圖1 護(hù)欄初步結(jié)構(gòu)斷面及效果Fig.1 Barrier preliminary structure cross-section and effect drawing

2 破壞點(diǎn)的選擇

破壞點(diǎn)控制研究的主要目的是:在滿足護(hù)欄設(shè)計(jì)防撞等級(jí)的前提下，護(hù)欄在被車輛碰撞過(guò)程中，當(dāng)碰撞能量超過(guò)其設(shè)計(jì)防撞能量時(shí)，總是在某一確定的位置(或某一構(gòu)件)先產(chǎn)生變形或破壞，立柱底座及基礎(chǔ)只產(chǎn)生微小變形，以便于維修更換，提高護(hù)欄構(gòu)件的重復(fù)利用率。

組合式護(hù)欄的下部底座為鋼筋混凝土澆注而成，一旦產(chǎn)生破壞，則維修養(yǎng)護(hù)非常不便，因此最好不將其考慮到破壞點(diǎn)中，而將護(hù)欄的上部立柱作為破壞點(diǎn)控制的主要區(qū)域。根據(jù)相關(guān)護(hù)欄設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)中的“梁”和“柱”的剛度應(yīng)合理分配，才能保證護(hù)欄的防撞和導(dǎo)向功能正常發(fā)揮。本護(hù)欄結(jié)構(gòu)根據(jù)護(hù)欄設(shè)計(jì)原理，將立柱設(shè)置為破壞點(diǎn)，可保證在立柱破壞時(shí)，底座保持完整，且1個(gè)或2～3個(gè)立柱破壞時(shí)，其他立柱不破壞，橫梁仍能起到對(duì)車輛的阻擋、導(dǎo)向功能，保障司乘人員安全的作用。

3 破壞點(diǎn)的設(shè)計(jì)

筆者提出以下3種破壞點(diǎn)設(shè)置方案。

3.1 方案1

采用立柱連接破壞的控制方式達(dá)到破壞點(diǎn)可控的目的(圖2)，該立柱包括上下兩部分，其中上部分由雙片鋼板通過(guò)橫隔板連接在一起，而下部分底座一部分埋植在混凝土內(nèi)，一部分露出底座上表面，通過(guò)連接螺栓將上下兩部分連接在一起。當(dāng)車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，立柱后仰，連接螺栓受到很大的剪力作用，達(dá)到破壞極限時(shí)，一組連接螺栓被剪斷。由于碰撞時(shí)護(hù)欄局部受力較大，其他立柱螺栓不會(huì)被剪斷，且即使一個(gè)螺栓剪斷，立柱上部仍然可支撐在底座上，護(hù)欄的整體防護(hù)能力變化不大，而且設(shè)計(jì)時(shí)保證在SBm級(jí)碰撞能量下，立柱螺栓不會(huì)被剪斷，護(hù)欄具有足夠的防護(hù)能力。

圖2 連接破壞方案1Fig.2 Connection failure mode 1

3.2 方案2

該護(hù)欄是在混凝土底座后方設(shè)置立柱，立柱通過(guò)連接構(gòu)件與護(hù)欄底座連接，連接件分上下兩部分，當(dāng)車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，立柱后仰，上部連接件所受拉力增大，直至破壞，達(dá)到破壞點(diǎn)控制目的。

3.3 方案3

對(duì)普通護(hù)欄立柱而言，在遭受超過(guò)碰撞荷載的碰撞時(shí)，立柱的破壞形態(tài)主要有彎曲、扭曲或拔出。該抽拔式護(hù)欄立柱，通過(guò)調(diào)整預(yù)埋件、抗拔銷以及預(yù)埋件和基礎(chǔ)的連接等結(jié)構(gòu)間的強(qiáng)度，確保這些基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的相對(duì)強(qiáng)度大于立柱本身，就可以實(shí)現(xiàn)即便立柱破壞，基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)也不會(huì)破壞的效果，或者破壞程度在不需要維修的范圍內(nèi)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)事故后立柱的快速更換，如圖3。

圖3 連接破壞方案2及方案3Fig.3 Connection failure mode 1 and 3

3種破壞點(diǎn)控制方案的主要優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

表1 3種方案的破壞點(diǎn)控制效果優(yōu)劣對(duì)比Table 1 Contrast of three methods on failure point control

綜合上述方案分析:方案2控制效果一般，后期維修養(yǎng)護(hù)工作量大，且護(hù)欄景觀效果會(huì)受到一定影響，方案3對(duì)混凝土底座的寬度要求較高，可能要侵占大量的綠化空間，亦會(huì)造成很大的材料浪費(fèi)，因此將方案1作為破壞點(diǎn)控制方法進(jìn)一步的研究方案。

4 破壞點(diǎn)控制效果研究

采用計(jì)算機(jī)仿真方法，建立了單個(gè)立柱的有限元模型［3-4］［圖 4(a)］，采用擺錘方式擊打立柱，以模擬實(shí)際過(guò)程中車輛的碰撞，螺栓不設(shè)置破壞準(zhǔn)則［5-7］，從圖4(b)碰撞時(shí)螺栓1及螺栓2的軸力及剪力變化曲線上看出，螺栓1的剪力要明顯大于螺栓2。

圖4 立柱擺錘實(shí)驗(yàn)有限元模型及螺栓受力情況Fig.4 Finite element model of post pendulum test and bolt force

從仿真結(jié)果看出，該立柱結(jié)構(gòu)在上部立柱變形時(shí)，由于立柱下部阻擋，很容易導(dǎo)致立柱底座的變形(圖5)，這樣就無(wú)法達(dá)到預(yù)期的立柱底座盡量不產(chǎn)生重大變形的效果。而本著護(hù)欄經(jīng)濟(jì)性的考慮，不能單靠增加板材厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)底座不變形的目的，因此考慮將立柱底座放置在立柱的內(nèi)側(cè)，并將立柱底座在前端封閉，增大其強(qiáng)度(圖6)。

圖5 立柱變形情況Fig.5 Deformation of post

圖6 調(diào)整后立柱結(jié)構(gòu)Fig.6 Post structure after being modified

將螺栓設(shè)置破壞準(zhǔn)則后仿真結(jié)果顯示，碰撞力增加到一定程度后，螺栓1被剪斷，而螺栓2仍保持了有效的連接，且立柱下方的斜角能有效保證立柱的旋轉(zhuǎn)不受干擾，如果護(hù)欄橫梁繼續(xù)變形，則立柱自身會(huì)發(fā)生破壞(圖7)，整個(gè)連接失效。

圖7 結(jié)構(gòu)調(diào)整后立柱變形及螺栓受力曲線Fig.7 Deformation after modified post structure and force curve of bolt

立柱底座在螺栓剪斷時(shí)僅有輕微的變形，無(wú)需更換，可實(shí)現(xiàn)破壞點(diǎn)控制的效果。為更進(jìn)一步驗(yàn)證控制效果，建立了護(hù)欄的整體模型，采用大客車碰撞護(hù)欄，從仿真結(jié)果看，大客車碰撞后，碰撞點(diǎn)附近護(hù)欄立柱與底座完全脫離，螺栓斷裂(圖8)，直接導(dǎo)致護(hù)欄的防護(hù)能力降低，大客車沿護(hù)欄底座爬升，存在騎跨護(hù)欄的危險(xiǎn)，無(wú)法滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 護(hù)欄底座脫離及車輛爬升Fig.8 Barrier separated from base and vehicle climbs

出現(xiàn)圖8中所顯示結(jié)果的主要原因是由于立柱強(qiáng)度及底座強(qiáng)度都比較大，護(hù)欄的薄弱點(diǎn)在螺栓上，而護(hù)欄的橫梁整體剛度也很大，這樣破壞的時(shí)候是螺栓依次被剪斷。根據(jù)此分析結(jié)果，考慮將破壞點(diǎn)控制方法進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)合破壞點(diǎn)控制方案研究中的方案1和方案3，用以下方式實(shí)現(xiàn):當(dāng)車輛碰撞護(hù)欄尤其是大型車碰撞時(shí)，金屬梁柱式護(hù)欄自身必然要產(chǎn)生一定的變形，不管是橫梁還是立柱，都需要通過(guò)變形來(lái)導(dǎo)向車輛。因此在本結(jié)構(gòu)中，考慮將立柱自身作為變形控制區(qū)，讓護(hù)欄立柱的變形僅發(fā)生在立柱上部，而底座強(qiáng)度較大，一般只產(chǎn)生小變形，這樣在護(hù)欄遭受車輛撞擊后，上部立柱損壞而螺栓不剪斷，此時(shí)維修更換只需將立柱上部和橫梁更換，也能達(dá)到破壞點(diǎn)控制的目的。

采用擺錘實(shí)驗(yàn)方法對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真計(jì)算，立柱厚度調(diào)整為10 cm，底板厚度為16 cm，螺栓調(diào)整為10.9 s級(jí)M27承壓型高強(qiáng)度螺栓，從仿真結(jié)果看出(圖9)，立柱在下部連接處附近開(kāi)始折彎，螺栓不破壞，而且底板變形較小，可重復(fù)使用。

圖9 立柱變形狀態(tài)Fig.9 Deformation of the post

初步仿真結(jié)果顯示，大客車碰撞時(shí)，螺栓無(wú)破壞現(xiàn)象，護(hù)欄變形正常，下部立柱有輕微變形，因此我們?cè)诘撞吭黾恿艘粋€(gè)橫向肋板，增加后再進(jìn)行仿真計(jì)算。

5 護(hù)欄整體防撞能力評(píng)價(jià)

建立護(hù)欄的詳細(xì)仿真模型，包括護(hù)欄的鋼筋以及支撐塊模型等［8］(圖10)，護(hù)欄前部有鋪裝層，鋪裝層強(qiáng)度遠(yuǎn)小于護(hù)欄混凝土底座，因此選用強(qiáng)度與瀝青混凝土接近的材料模型，中分帶護(hù)欄為雙側(cè)護(hù)欄，且護(hù)欄間距超過(guò)1 m，故非碰撞側(cè)護(hù)欄做剛體處理，支撐塊直接頂在剛體護(hù)欄上。

護(hù)欄的碰撞條件依據(jù)文獻(xiàn)［2］中的SBm級(jí)護(hù)欄碰撞條件實(shí)施，護(hù)欄的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照參考文獻(xiàn)［1］中的內(nèi)容對(duì)護(hù)欄進(jìn)行最終評(píng)價(jià)。

圖10 護(hù)欄整體有限元模型Fig.10 Fem model of the barrier

車輛碰撞護(hù)欄后，車輛沒(méi)有穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄，車輛正常導(dǎo)出，行駛姿態(tài)正常，沒(méi)有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭現(xiàn)象(圖11)，其他指標(biāo)見(jiàn)表2［6］。

圖11 車輛碰撞護(hù)欄過(guò)程Fig.11 Process of vehicle crash barrier

碰撞區(qū)護(hù)欄立柱變形如圖12，可看出只有上部立柱發(fā)生了變形，下部立柱基本沒(méi)有變形，從護(hù)欄底座的鋼筋受力分析得出，護(hù)欄縱向鋼筋如采用直徑不小于12 mm的二級(jí)鋼筋即可滿足護(hù)欄的設(shè)計(jì)防撞等級(jí)要求，護(hù)欄的整體防撞能力評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2，從表中看出，護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均符合目前的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)司乘人員的安全提供可靠保障。

圖12 護(hù)欄立柱變形及鋼筋受力云圖Fig.12 Deformation of the post and contours of reinforced force

6 結(jié)論

筆者闡述了一種護(hù)欄設(shè)計(jì)中的破壞點(diǎn)控制的方法，并通過(guò)仿真計(jì)算方式驗(yàn)證了其控制效果。采用該設(shè)計(jì)方法能在保證護(hù)欄防撞能力、保障司乘人員安全的前提下，大大降低護(hù)欄在后期維修養(yǎng)護(hù)中的工作量，對(duì)城區(qū)高速公路的交通擁堵治理具有重要得意義。

表2 評(píng)價(jià)結(jié)果Table 2 Evaluation results

［1］JTG/T F 83-01—2004高速公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］JTG/T D 81—2006，高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則［S］.北京:人民交通出版社，2006.

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