新型裝配式防撞護(hù)欄的設(shè)計(jì)及碰撞安全性能研究

聶祝清

（湖南建工交通建設(shè)有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

我國(guó)現(xiàn)行使用的公路護(hù)欄有剛性護(hù)欄、半剛性護(hù)欄、柔性護(hù)欄等三種常用類型[1]。其中，剛性護(hù)欄使用最為廣泛。剛性護(hù)欄大多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，因其剛性大，在車輛碰撞護(hù)欄的過(guò)程中幾乎不會(huì)發(fā)生變形，主要通過(guò)車輛變形以及車輛與護(hù)欄、地面之間的摩擦力抵消碰撞能量。因此，在車輛與剛性護(hù)欄碰撞的過(guò)程中往往造成的損害較大，大都伴隨二次傷害的產(chǎn)生。半剛性護(hù)欄最常用的波形護(hù)欄在碰撞時(shí)可通過(guò)自身變形吸能延長(zhǎng)碰撞加速度時(shí)間發(fā)揮較好的導(dǎo)向作用。但應(yīng)用在橋梁和高邊坡上時(shí)，當(dāng)碰撞力較大時(shí)很可能由于護(hù)欄剛性不足導(dǎo)致?lián)p毀護(hù)欄沖出限界造成重大安全事故。柔性護(hù)欄多為纜索結(jié)構(gòu)，其防撞能力弱，對(duì)大型車輛幾乎沒(méi)有防護(hù)作用，在橋梁上幾乎不會(huì)使用。在橋梁、高邊坡等危險(xiǎn)地段使用最為廣泛的是剛性護(hù)欄[2-5]。不同車型與護(hù)欄的碰撞位置高度不同，護(hù)欄剛度過(guò)大會(huì)導(dǎo)致碰撞力增加。因此，在保證一定剛度的前提下對(duì)護(hù)欄迎撞面的剛度進(jìn)行優(yōu)化，使其在碰撞過(guò)程中可以有效吸能，延長(zhǎng)碰撞加速度時(shí)間，可以降低碰撞過(guò)程中車輛損壞[6]。設(shè)計(jì)一種新型嵌入緩沖塊的裝配式護(hù)欄，可以很好地解決汽車碰撞護(hù)欄造成損害過(guò)大的問(wèn)題。

1 裝配式新型護(hù)欄的設(shè)計(jì)與安裝

1.1 裝配式新型護(hù)欄的設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG TD81—2017）中以HA級(jí)單坡護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸為參考基礎(chǔ)，在其內(nèi)側(cè)也就是迎撞面設(shè)置凹槽作為嵌入緩沖塊的位置，緩沖塊高度為h，截面呈梯形，其梯形斜邊與HA級(jí)單坡護(hù)欄斜率一致，以保證其在碰撞過(guò)程中的導(dǎo)向性。在嵌入緩沖塊后，混凝土護(hù)欄截面尺寸變小，為保障剛度削弱不大，可通過(guò)在護(hù)欄背面加厚混凝土的厚度實(shí)現(xiàn)，加厚區(qū)如圖1所示。此外，在內(nèi)側(cè)受拉區(qū)需要根據(jù)規(guī)范設(shè)計(jì)削弱截面，截面1-1為緩沖塊頂部對(duì)應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面2-2為緩沖塊底部對(duì)應(yīng)的護(hù)欄預(yù)制混凝土截面，截面3-3為護(hù)欄底部截面，三個(gè)關(guān)鍵截面配筋如表1所示，配置直徑為C16mm及C20mm的HRB400鋼筋。新型護(hù)欄的鋼筋與連接件橫截面布置如圖2所示，根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果擬定新型裝配式護(hù)欄的配筋布置，護(hù)欄預(yù)制混凝土部分迎撞面每延米擬采用10根直徑為C20mm的鋼筋，根部連接鋼筋每延米布置5根直徑為C20mm的鋼筋。

表1 新型護(hù)欄控制截面配筋數(shù)量

圖1 新型裝配式護(hù)欄尺寸圖（單位：cm）

漿錨鋼筋及波紋管布置如圖2所示。漿錨鋼筋N3、N4預(yù)留在橋面板懸臂上，其下端與橋面板懸臂鋼筋焊接成整體，在護(hù)欄預(yù)制時(shí)按照縱向每10cm預(yù)留N3、N4鋼筋安裝孔（以波紋管的形式），護(hù)欄分節(jié)起吊安裝就位過(guò)程N(yùn)3、N4鋼筋插入預(yù)留孔內(nèi)即刻灌入C40早強(qiáng)灌漿料連接成整體，24h強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的50%開始緩沖塊安裝，48h強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度的80%即可投入使用，整個(gè)裝配施工的周期較現(xiàn)場(chǎng)護(hù)欄澆筑大幅縮短（進(jìn)度受模板周轉(zhuǎn)限制且混凝土養(yǎng)護(hù)周期長(zhǎng)），同時(shí)裝配式施工最大限度地減少對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的污染，尤其是在市鎮(zhèn)施工時(shí)。護(hù)欄的預(yù)制件長(zhǎng)度根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況按5～8m每節(jié)預(yù)制，與大多設(shè)計(jì)院設(shè)置斷縫長(zhǎng)度基本相同，以避免護(hù)欄縱向受拉主筋頻繁斷開。

圖2 新型裝配式護(hù)欄的鋼筋與連接件橫截面布置圖（單位：cm）

1.2 裝配式新型護(hù)欄的安裝

（1）護(hù)欄混凝土節(jié)段與緩沖塊的預(yù)制。護(hù)欄的混凝土節(jié)段與緩沖塊節(jié)段均分節(jié)段在工廠進(jìn)行預(yù)制，分節(jié)長(zhǎng)度5～8m為宜，以便運(yùn)輸與安裝，工廠宜采用蒸汽進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，可加快預(yù)制進(jìn)度。

（2）橋面板澆筑。橋梁施工時(shí)先澆筑橋梁懸臂板部分，并按設(shè)計(jì)要求預(yù)留好與護(hù)欄的錨固鋼筋。

（3）混凝土節(jié)段安裝。將護(hù)欄的混凝土節(jié)段安裝到橋梁懸臂位置并進(jìn)行鋼筋的綁扎與焊接，通過(guò)漿錨注漿的方式進(jìn)行錨固，注漿材料標(biāo)號(hào)不低于C40。

（4）緩沖塊安裝。預(yù)制好的緩沖塊與混凝土節(jié)段的安裝槽應(yīng)保持表面光滑、清潔，先進(jìn)行接觸面摩擦系數(shù)試驗(yàn)，確定接觸面的技術(shù)要求后再批量進(jìn)行安裝。

（5）橋面鋪裝施工。按設(shè)計(jì)要求綁扎橋面網(wǎng)鋼筋，澆筑橋面鋪裝混凝土。

2 護(hù)欄-懸臂板協(xié)同受力承載力驗(yàn)算

根據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2017）中HA級(jí)護(hù)欄確定新型裝配式護(hù)欄橫向碰撞標(biāo)準(zhǔn)力值與分布長(zhǎng)度。最大橫向動(dòng)態(tài)變形值D=0時(shí)橫向碰撞力取值720kN，D=0.3～0.6m時(shí)橫向碰撞力按照620～550kN線性內(nèi)插取值，分布長(zhǎng)度取值2.4m。根據(jù)1.1節(jié)新型裝配式護(hù)欄尺寸圖與相應(yīng)的配筋設(shè)計(jì)建立護(hù)欄橋面板懸臂協(xié)同受力的靜力模型，最不利荷載工況為汽車碰撞力與結(jié)構(gòu)以及汽車自重荷載組合。經(jīng)仿真分析得到混凝土第一主拉應(yīng)力云圖（圖3）與橫向主筋拉應(yīng)力云圖（圖4）?；炷林骼瓚?yīng)力峰值出現(xiàn)在護(hù)欄根部。

從應(yīng)力云圖中可知，混凝土第一主應(yīng)力為3.32MPa，大于混凝土抗拉強(qiáng)度1.65MPa，鋼筋最大應(yīng)力為204MPa。由此可知，混凝土產(chǎn)生了裂縫但鋼筋并未發(fā)生屈服。

圖3 混凝土第一主拉應(yīng)力云圖

圖4 鋼筋應(yīng)力云圖

3 車輛-護(hù)欄碰撞有限元模型的建立與碰撞過(guò)程中車乘安全性主要影響因素分析

3.1 車輛-護(hù)欄碰撞有限元模型的建立

護(hù)欄的安全性評(píng)判需要依靠碰撞的仿真試驗(yàn)與足尺試驗(yàn)驗(yàn)證其有效性。采用ABAQUS進(jìn)行仿真建模，有限元模型按以下步驟建立：

（1）選取符合規(guī)范的有限元汽車并進(jìn)行模型驗(yàn)證；

（2）建立護(hù)欄、橋面板懸臂的幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，定義好材料、單元，混凝土定義為實(shí)體單元，鋼筋定義為桁架單元，并將鋼筋節(jié)點(diǎn)與混凝土實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)耦合；

（3）建立邊界條件與接觸類型：橋面板根部各向固定，其他方向無(wú)約束，鑒于車輛與護(hù)欄碰撞過(guò)程復(fù)雜，判斷接觸面發(fā)生方向較為困難，故選擇自動(dòng)接觸的方式。

3.2 新型裝配式護(hù)欄碰撞過(guò)程中車乘安全性主要影響因素分析

車輛與護(hù)欄的碰撞過(guò)程中，車輛與地面、護(hù)欄之間產(chǎn)生摩擦力。在安裝緩沖塊以后，車輛輪胎與緩沖塊直接接觸，緩沖塊的高度尺寸過(guò)低，撞擊點(diǎn)可能落在緩沖塊之外，從而起不到緩沖吸能的作用，而緩沖塊高度過(guò)高可能導(dǎo)向性不佳致使車輛飛出護(hù)欄外，因此護(hù)欄緩沖塊尺寸高度是影響碰撞結(jié)果的關(guān)鍵參數(shù)之一，因此需要根據(jù)以往碰撞事故中的研究成果大致確定出發(fā)生碰撞時(shí)的碰撞高度，在此高度區(qū)間內(nèi)取值進(jìn)行對(duì)比分析。緩沖塊與混凝土接觸面的摩擦系數(shù)是影響碰撞結(jié)果的又一關(guān)鍵因素，橡膠作為較好的碰撞吸能材料，其與光滑混凝土面之間的摩擦系數(shù)約為0.3，在潤(rùn)滑條件下可達(dá)到0.1以下，因此在對(duì)比研究時(shí)取摩擦系數(shù)0.05～0.3之間為宜。緩沖塊彈性模量影響碰撞力的吸收，使用橡膠最為適宜，但成本較高不利于大面積推廣使用，而泡沫混凝土成本較低，且可以控制發(fā)泡程度相應(yīng)的改變彈性模量，是較好的緩沖材料。

為分析安裝緩沖塊后的護(hù)欄碰撞中的車乘安全性能，將通過(guò)有限元仿真模擬碰撞過(guò)程中的車輛橫向、縱向加速度的變化來(lái)進(jìn)行安全性評(píng)價(jià)。

4 緩沖塊關(guān)鍵參數(shù)對(duì)車乘安全性的影響分析

4.1 緩沖塊尺寸高度對(duì)車乘安全性影響分析

緩沖塊尺寸高度分別設(shè)計(jì)為70cm與90cm（緩沖塊70cm高時(shí)安裝底面以距離橋面鋪裝頂面25cm處開始，緩沖塊90cm高時(shí)安裝頂面以距離橋面鋪裝頂面15cm處開始），以55t鞍式貨車來(lái)模擬碰撞（大型貨車發(fā)生碰撞引起的破壞效果更大）。通過(guò)建立有限元碰撞模型模擬HA級(jí)單坡護(hù)欄、新型護(hù)欄緩沖塊高度70cm、新型護(hù)欄緩沖塊高度90cm（新型護(hù)欄的彈性模量取值2 500MPa，摩擦系數(shù)取值0.3）三種碰撞情況，得到三種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

通過(guò)三種情況碰撞仿真模擬分析數(shù)據(jù)可知：車輛橫向與縱向加速度均小于20g，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求；安裝緩沖塊后車頭質(zhì)心的橫向加速度最值分別減少40.0%與46.2%，說(shuō)明緩沖塊起到了較好的作用。但隨著尺寸增高，加速度峰值降低并不明顯。車頭的縱向加速分別增加10.2%與減少15.13%，影響并不明顯。安裝緩沖塊后車輛質(zhì)心橫向加速度分別減少26.1%與提高2%，且與HA級(jí)單坡護(hù)欄相比，峰值出現(xiàn)的時(shí)間延后較多，這源于緩沖塊的吸能變形所致。緩沖塊尺寸90cm時(shí)車輛質(zhì)心橫向加速度、縱向加速度比HA單坡護(hù)欄更大且發(fā)生時(shí)間延長(zhǎng)很多，說(shuō)明發(fā)生了再次碰撞且再次碰撞的加速度峰值最大，據(jù)此緩沖高度為70cm時(shí)車輛的安全性能更高。緩沖塊高度為90cm車頭安全性較高，但車輛安全性不及HA級(jí)單坡護(hù)欄。

4.2 緩沖塊與混凝土的摩擦系數(shù)對(duì)車輛安全性的影響分析

設(shè)定緩沖塊與新型護(hù)欄混凝土之間摩擦系數(shù)為0.05、0.1、0.2、0.3，模擬以55t鞍式貨車與新型護(hù)欄及HA級(jí)單坡型護(hù)欄發(fā)生碰撞，緩沖塊尺寸高度為70cm，安裝方式同上。得到五種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

對(duì)比分析可知：（1）在以上幾種情況下，車頭質(zhì)心及車輛質(zhì)心的橫向、縱向加速度最大值均小于20g，滿足我國(guó)護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄緩沖功能中車輛加速度的要求；（2）由車輛加速度數(shù)據(jù)可知，車頭質(zhì)心橫向加速度最小的是摩擦系數(shù)0.3時(shí)的6.422g，較HA級(jí)單坡護(hù)欄小40.0%，其他兩種情況的車頭橫向加速度也比HA級(jí)護(hù)欄低；車頭質(zhì)心縱向加速度最小的是摩擦系數(shù)0.2時(shí)的13.685g，較HA級(jí)單坡護(hù)欄小17.72%。此外，幾種摩擦系數(shù)下縱向加速度較HA級(jí)單坡護(hù)欄都大；且車輛質(zhì)心的橫向加速也是在摩擦系數(shù)0.2時(shí)最小，較之HA級(jí)單坡護(hù)欄小51.8%，而摩擦系數(shù)對(duì)車輛質(zhì)心的縱向加速度影響不明顯。據(jù)此選擇緩沖塊摩擦系數(shù)0.2時(shí)車輛、車頭質(zhì)心橫向、縱向加速度最值小于或約等于HA級(jí)單坡護(hù)欄的數(shù)值，因而碰撞過(guò)程車輛安全性更高。

4.3 緩沖塊彈性模量對(duì)車輛安全的影響分析

設(shè)定緩沖塊的彈性模量為2 500MPa、1 250MPa、625MPa、300MPa，以55t鞍式貨車與新型護(hù)欄及HA級(jí)單坡型護(hù)欄發(fā)生碰撞模擬分析（緩沖塊高度70cm，摩擦系數(shù)0.2）。得到五種情況下車頭、車輛的縱向（前進(jìn)方向）與橫向（垂直前進(jìn)方向）加速度峰值，加速度曲線。

對(duì)比貨車與不同彈性模量緩沖塊新型護(hù)欄的碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)可知：

（1）車輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，車輛各參考點(diǎn)質(zhì)心的橫向縱向加速度最值均小于20g，加速度滿足我國(guó)護(hù)欄評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)護(hù)欄緩沖功能的要求。

（2）加入緩沖塊后較之HA級(jí)護(hù)欄車頭質(zhì)心橫向加速度約有20%的降低，但與彈性模量的變化未呈現(xiàn)規(guī)律性；車頭質(zhì)心的縱向加速度在彈性模量2 500MPa時(shí)最大，且隨彈性模量降低有下降趨勢(shì)；車輛質(zhì)心的橫向加速度較HA級(jí)護(hù)欄有較大降低但未呈現(xiàn)明顯規(guī)律；車輛質(zhì)心縱向加速度在彈性模量1 250MPa時(shí)最小。據(jù)以上分析，彈性模量的變化對(duì)車輛碰撞加速度影響不大且均符合規(guī)范要求?？紤]橫向的碰撞力隨彈性模量的增加而減少，縱向碰撞力隨彈性模量的減少而降低，因此，在合適的材料范圍內(nèi)應(yīng)選擇彈性模量較高的材料作為緩沖塊。

4.4 新型裝配式護(hù)欄與普通剛性護(hù)欄的車乘安全性對(duì)比分析

根據(jù)前述對(duì)新型裝配式護(hù)欄關(guān)鍵參數(shù)的研究結(jié)果設(shè)定緩沖塊與預(yù)制混凝土塊之間的摩擦系數(shù)為0.2，緩沖塊尺寸高度為70cm。緩沖塊材料結(jié)合成本與施工簡(jiǎn)便考慮以泡沫混凝土作為緩沖塊材料最為合適，泡沫混凝土密度為799kg/m3，泊松比0.1，彈性模量為342.2MPa，抗拉強(qiáng)度為0.2MPa[7]。分析小型客車與55t大型貨車與護(hù)欄碰撞過(guò)程中車輛加速度并與普通剛性護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比。

通過(guò)對(duì)比新、舊護(hù)欄與兩種車型碰撞過(guò)程中的加速度及最值可得：兩種車型與兩種護(hù)欄的碰撞過(guò)程中車輛質(zhì)心加速度均小于20g，符合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)護(hù)欄的緩沖要求；小型客車與55鞍式貨車的橫向加速時(shí)分別減少33.5%與50.9%，縱向加速度增加4.0%與14.4%。由此可知，新型裝配式護(hù)欄嵌入泡沫混凝土緩沖塊后車輛碰撞的橫向加速度明顯減小，縱向加速度增加不大且在規(guī)范要求的范圍內(nèi)。因此，新型裝配式護(hù)欄可有效提高車乘的安全性。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種在HA級(jí)單坡護(hù)欄的迎撞面嵌入泡沫混凝土作為緩沖塊的新型裝配式護(hù)欄，并通過(guò)模擬碰撞對(duì)其在碰撞過(guò)程中的車乘安全性與HA級(jí)單坡護(hù)欄進(jìn)行對(duì)比研究，得出以下結(jié)論。

（1）在HA級(jí)單坡護(hù)欄上嵌入70cm高的緩沖，發(fā)生碰撞時(shí)可有效降低車頭質(zhì)心的橫向加速度峰值40%左右，降低車輛質(zhì)心的橫向加速峰值25%左右。

（2）預(yù)制混凝土節(jié)段護(hù)欄與緩沖塊接觸面的摩擦系數(shù)為0.2時(shí)，新型護(hù)欄安全性能更優(yōu)，車頭的縱向加速度減少17.2%，車輛質(zhì)心橫向加速度減少51.9%。

（3）以泡沫混凝土作為緩沖塊材料，與HA級(jí)單坡護(hù)欄相比，新型護(hù)欄在碰撞過(guò)程中車輛質(zhì)心加速度絕對(duì)值較HA級(jí)單坡式護(hù)欄整體上降低，說(shuō)明新型護(hù)欄可有效提高碰撞過(guò)程中的車乘安全性。