高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案設(shè)計

張 力

(廣西新發(fā)展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

采用波形鋼護欄板與鋼柱進行拼接而成的半剛性道路護欄，具有工業(yè)化生產(chǎn)、成熟表面處理、防腐蝕、安裝方便、功能有效等優(yōu)勢。另外，該護欄結(jié)構(gòu)簡單，防盜性能好，適應(yīng)各種地形，成本適中，使用壽命長，已被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外的交通建設(shè)領(lǐng)域。如何在現(xiàn)有波形鋼護欄材料的基礎(chǔ)上，改進原始防撞性低的護欄，以改善其抗碰撞性能，是目前的一個重要課題。付曉鵬等[1]提出的橋梁梁柱式型鋼護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，采用矩形管制造橫梁，將立柱設(shè)置為斜H形，兩者通過角鋼連接，底部與護欄迎撞面平行，改造鋼護欄高度，完成鋼護欄升級改造；張春發(fā)等[2]提出的基于SA級外懸式鋼護欄立柱柱腳強度的優(yōu)化方法，在橋面外側(cè)懸掛立柱，通過計算機仿真改善小曲線半徑路段，以此加強護欄立柱強度，進而完成鋼護欄升級改造。然而，這兩種方法無法完全滿足道路安全強度要求，為此，本文提出了高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案設(shè)計。

1 工程概況

本文以廣西某高速公路路段的半剛性波形鋼護欄為例，該路段全長75 km，雙向六車道，設(shè)計時速為120 km/h。原設(shè)計的護欄結(jié)構(gòu)是300 mm×85 mm×4 mm的雙波板，115 mm×4 mm立柱，橫梁間距為4 m，阻塞塊為3 mm，全部鋼材采用熱鍍鋅。波形鋼護欄在使用時的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如波形梁板的中心高度、立柱、防阻塊、鍍鋅涂料厚度等，都要進行現(xiàn)場試驗。隨著道路高程的增大，在原有道路與中間隔離區(qū)的基礎(chǔ)上，僅添加30 cm的中間波形梁板加固梁，其防護性能和防撞性要求都大為降低，遠遠達不到標準的要求。

2 高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案

合理利用原始護欄，使之達到新的標準。在進行改造工程設(shè)計時，必須明確：(1)防撞性優(yōu)先；(2)降低造價，使原有護欄構(gòu)件得到最大限度的利用；(3)構(gòu)件加工容易、施工簡便、便于操作。

2.1 改造參數(shù)的確定

2.1.1 立柱埋深的確定

由于局部基礎(chǔ)的強度和深度均未達到要求，大型車輛撞上護欄時，護欄雖然不會發(fā)生彎曲，但由于土壤的原因，護欄的作用也不能充分發(fā)揮[3]。為了得到與推薦的抗拔力相當?shù)闹?，必須相?yīng)增加立柱埋深。

選取埋設(shè)在土中的立柱為研究對象，分析立柱被拔起的臨界條件，公式為：

F拔≥f阻+F拉

(1)

式中：f阻——立柱拔起時受到周圍土體的阻力；

F拉——立柱拔起時地面受到的拉力[4]。

在式(1)中f阻參數(shù)的支持下，計算剪力，公式為：

f阻=γi·di·r·θ

(2)

式中：γi——第i層路肩承受的最大剪應(yīng)力；

di——第i層路肩厚度；

r——立柱直徑；

θ——立柱拔起時的角度[5-7]。

結(jié)合式(2)，計算路肩結(jié)構(gòu)層所能承受的最大剪力，公式為：

(3)

式中：h——立柱埋深。

選擇立柱底面單元體為主要研究對象，設(shè)計立柱底面單元體，使護欄立柱升級改造方案獲得理想的抗拔力[8]。

2.1.2 澆筑高度的確定

半剛性波形鋼護欄在改建后，因其與原有護欄相比有很大的差異，因此在加固后的護欄混凝土澆筑時，首先要選擇3個節(jié)點作為最適合的箍筋位置。在這3個節(jié)點處，鋼管的承載力與碰撞力彎矩是相同的，若柱子的承載力比碰撞力彎矩要大，可以不澆筑混凝土；相反，則必須進行混凝土的灌漿[9-10]。該點的澆筑高度計算公式為：

(4)

式中：P1、P2——鋼管內(nèi)部承受的壓力和受到澆筑影響的壓力；

γ——澆筑相對密度；

hn——鋼管壓力降時高度[11]。

2.1.3 構(gòu)件受剪承載力的確定

對立柱中澆筑混凝土的部分，主要是由外部鋼管承受剪力，構(gòu)件受剪承載力計算公式為：

(5)

式中：F剪——作用腹板平面的剪力；

S——剪應(yīng)力處以上的面積；

ω——慣性矩；

d′——抗剪強度。

2.1.4 波形梁板中心高度的確定

波形梁板的中心高度對護欄的防護效果有很大的影響，在高度不夠的情況下，大、中型汽車有可能在發(fā)生碰撞后翻過圍欄[12]。在較高的情況下，盡管可以增強對大、中型汽車的阻隔性能，但也會導致汽車在碰撞后撞上護欄。波形鋼護欄橫梁中心高度允許誤差為±20 mm，應(yīng)根據(jù)容許誤差，設(shè)計與圖紙相符的護欄高度。

2.1.5 鍍鋅涂層厚度的確定

為保證試驗柱和防阻塊的鍍鋅涂層厚度符合基本規(guī)范，波形鋼護欄梁板的鍍鋅層厚度為60～80μm，當其出現(xiàn)明顯的波形橫梁與板面的腐蝕，即具有較小的鍍鋅涂層厚度[13]。

2.2 升級改造方案設(shè)計

2.2.1 雙層雙波護欄升級改造

從防撞性能、改造成本、施工難度、社會經(jīng)濟等方面考慮，在原護欄基礎(chǔ)上，采用如圖1所示的改造方案，對其進行了加固，并在原始護欄上添加一層防護欄，使其變?yōu)殡p層雙波護欄[14]。

由圖1可知，對于雙層雙波護欄的改造，其關(guān)鍵在于將立柱加固后，在原來的護欄板之上再加一層防護，改造完成后，可形成雙層雙波護欄。護欄的改建包括：(1)保持原護欄板、立柱、防阻塊、螺栓；(2)增加新立柱、防阻塊、護欄板，并對路旁護欄構(gòu)件拆掉防阻塊、護欄板進行利舊[15]。

雙層雙波護欄的設(shè)計目的是盡可能地利用原有的高速公路護欄，保持原有的中心隔離欄桿功能，并充分利用道路護欄部件的擴展，以提高防碰撞欄桿的性能。對雙層雙波護欄進行改進的具體參數(shù)如下：(1)護欄柱間距從5 m改為3 m；(2)下部護欄中心距路緣頂部50 cm，上部護欄中心距路緣頂部100 cm。雙層雙波護欄的優(yōu)勢在于，在同等的防撞力下，對大型貨車和客車的防護效果更好，既能充分利用原有的護欄，又不會對原有的護欄造成太大的損害。雙層雙波護欄的不足之處在于，必須增設(shè)一段2 500 mm長的柱子，在進行施工時必須在原有的護欄板中間穿孔。

圖1 改造設(shè)計方案圖

2.2.2 立交區(qū)中分帶護欄升級改造

對立交區(qū)的整體路基，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，如果護欄與路緣不在相同標高的情況下，可以將護欄的中心提升至路緣頂面50 cm以上。采用雙層雙波護欄重構(gòu)技術(shù)，可以重構(gòu)中央隔離墻的護欄，使其具有較好的抗碰撞能力。改造方案如下：

(1)保持中心隔離柵欄原有的立柱、護欄板和防阻塊。

(2)增加一根115 mm×3.5 mm×2 300 mm的柱子，把欄桿的距離從5 m改至3 m。

(3)在鋪設(shè)之前，增設(shè)兩個195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞塊，并將原來的護欄板和新的護欄板進行連接。

(4)在原中段欄桿上部增設(shè)195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞塊，并與下部護欄板橫梁的中間間隔40 cm。采用從路旁或其他道路上拆除的雙層護欄板，可以反復使用。

立交橋區(qū)域護欄設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵及控制指標是：

(1)新增的樁基開挖深度為100 cm，實際開挖120 cm。在該長樁上設(shè)置兩對鉆孔，其中下孔與地面高度為50 cm，上孔與地面高度為100 cm。

(2)對于新增的兩個防阻塊，需將其與下層原始護欄板相連。

2.2.3 護欄橫隔梁升級改造

通過增加護欄橫隔梁，可以有效地解決波形梁板的厚度問題，增強護欄的阻隔性能，防止車輛在發(fā)生碰撞時翻越護欄。加強動力傳遞通道的橫梁與橫梁的連接，有利于傳遞多跨波形梁板的沖擊力，減小應(yīng)力集中，防止因過度變形而喪失穩(wěn)定性。護欄橫隔梁可以更好地控制失控的汽車沿著護欄前進，并在摩擦力的作用下緩慢地降低車速，從而保障司機的人身安全。護欄橫隔梁升級設(shè)計方案如圖2所示。

圖2 護欄橫隔梁升級設(shè)計圖

由圖2可知，根據(jù)材料的可用性和規(guī)范的施工要求，對上部立柱、上部鋼梁的尺寸進行了改造設(shè)計。立柱直徑的選取應(yīng)先確保下柱易于插入，且無間隙，移動立柱和固定立柱間距為1.5 mm。同時，為了減少生產(chǎn)成本，還應(yīng)該考慮到現(xiàn)行的國家規(guī)范和標準。由于上立柱的孔徑變小，為了確保其彎曲強度，將墻體厚度提高至5.0 mm。該規(guī)格與SA等級公路護欄一致，所以其支撐鋼結(jié)構(gòu)也與之相同，無須特殊處理，可在市場上直接購買。

3 仿真實驗

使用計算機仿真試驗作為驗證高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案合理性的手段，并以實車碰撞試驗結(jié)果為準。

3.1 仿真過程

采用有限元模擬軟件對高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案進行研究。1號車是一種大客車的有限元模型，該模型是一個剛體的模型。基于實際的大客車構(gòu)造，設(shè)計了大客車的驅(qū)動系統(tǒng)，以確保汽車的正常運行。2號車是一種轎車的有限元模型。通過大量的模擬和實際測試，這兩款汽車模型都達到了安全行駛標準。

在設(shè)置了試驗對象后，使用有限元軟件構(gòu)建護欄局部模型，如圖3所示。

由圖3可知，護欄局部有限元模型按照基本規(guī)范標準構(gòu)建，為了保證分析結(jié)果的可靠性，對模型進行了如下處理：

圖3 護欄局部有限元模型示意圖

(1)步驟一：螺栓的端部為剛體，中部為空間梁，梁可以模擬拉、壓、扭、彎等荷載狀態(tài)。

(2)步驟二：由于道路的剛度很大，所以在不考慮變形的情況下，全部采用了剛體結(jié)構(gòu)。

(3)步驟三：由于邊沿剛度較大，在計算時易發(fā)生車輪的損傷，從而導致汽車的彈跳。由于這種方法對護欄的抗撞性影響較小，因此在模擬中通常不會將其影響考慮在內(nèi)。

(4)步驟四：立柱的底部和欄板兩端均采用了全約束處理方案。

(5)步驟五：在整個碰撞模型坐標系中，汽車的運動方向是x軸，地面是由x、y軸構(gòu)成的平面。

(6)步驟六：根據(jù)歷史試驗資料，對護欄的各個部件的材質(zhì)進行了分析。

3.2 仿真結(jié)果與分析

仿真試驗過程中，在小型試驗車的重心位置安裝加速度傳感器，測試車輛在碰撞過程中x、y、z三個方向的加速度，分別使用橋梁梁柱式型鋼護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、基于SA級外懸式鋼護欄立柱柱腳強度的優(yōu)化方法和高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案，對比加速度分析結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，使用橋梁梁柱式型鋼護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法與理想情況不一致，對于x方向的加速度，在時間為0.28 s時，加速度達到最大為11.5 g；對于y方向的加速度，在時間為0.53 s時，加速度達到最大為7.5 g；對于z方向的加速度，在時間為0.48 s時，加速度達到最大為12.0 g。

(a)理想情況

(b)橋梁梁柱式

(c)SA級外懸式

(d)鋼護欄升級改造圖4 加速度對比分析圖

使用基于SA級外懸式鋼護欄立柱柱腳強度的優(yōu)化方法與理想情況不一致，對于x方向的加速度，在時間為0.29 s時，加速度達到最大為13.0 g；對于y方向的加速度，在時間為0.43 s時，加速度達到最大為6.5 g；對于z方向的加速度，在時間為0.39 s時，加速度達到最大為11.0 g。

使用高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案，對于x方向的加速度，在時間為0.28 s時，加速度達到最大為10.5 g；對于y方向的加速度，在時間為0.53 s時，加速度達到最大為14.0 g；對于z方向的加速度，在時間為0.49 s時，加速度達到最大為4.0 g。

通過上述對比結(jié)果可知，使用高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案與理想情況一致，最大誤差僅出現(xiàn)在y方向上，最大加速度誤差為0.25 g。

作為輔助性評價標準，在車內(nèi)安裝了試驗假人來測試頭部、胸部和腿部相關(guān)性能，并分別使用三種方法對比分析測試結(jié)果，如表1所示。

表1 假人輔助測試結(jié)果對比分析表(kN)

由表1可知，使用橋梁梁柱式型鋼護欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，假人輔助的測試指標均超過理想情況，其中右腿與理想情況相差最大為0.5 kN；使用基于SA級外懸式鋼護欄立柱柱腳強度的優(yōu)化方法，假人輔助的測試指標均超過理想情況，但相差不是很大，最大誤差為0.2 kN；使用高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案，假人輔助的測試指標與理想情況基本一致，并且頭部保護效果更佳。

通過上述分析結(jié)果可知，使用高速公路半剛性波形鋼護欄升級改造方案，能夠保護乘員安全。

4 結(jié)語

本文提出的護欄升級改造方案在充分利用原有護欄的同時，通過增設(shè)橫梁、加大埋深等措施，有效地改善了護欄的防撞性能。該方法不但可用于更新老護欄，還可用于個別路段的新護欄。經(jīng)過改造后的護欄，碰撞車輛時不會發(fā)生車輛騎跨、穿越和橫轉(zhuǎn)現(xiàn)象，波形梁板完全張開，防阻塊發(fā)生充分變形，可以有效地吸收碰撞能量，降低二次撞擊的發(fā)生，護欄最大變形量及最大車速峰值可達到設(shè)計要求。

針對傳統(tǒng)護欄的更新設(shè)計，目前還沒有投入到具體的工程中，因此，對其防撞性能還需要進一步的研究。