基于兩波形護欄的升級改造開發(fā)研究

摘 要：為避免將大量的既有兩波形梁護欄淘汰廢棄，減少能源消耗和降低碳排放量，提高既有護欄的利用率，該文采用強度和剛度理論、彈塑性本構(gòu)模型理論、有限元分析和實車碰撞試驗方法，研究設(shè)計一種可再利用兩波形梁板的路基段升級改造護欄，防護等級能滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中的A級要求。

關(guān)鍵詞：兩波形梁板；雙層雙波護欄；再利用；碰撞試驗；效益分析

中圖分類號：U417.12 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0１２２-0４

Abstract： In order to avoid the elimination and abandonment of a large number of existing two-corrugated beam guardrails， reduce energy consumption and carbon emissions， and improve the utilization rate of existing guardrails， this paper uses strength and stiffness theory， elastoplastic constitutive model theory， finite element analysis and real vehicle crash test methods to study and design a roadbed section upgrading guardrail that can reuse two corrugated beam plates， and the protection level can meet the A-level requirements in the JTG B05-01—2013 "Highway Guardrail Safety Performance Evaluation Standard".

Keywords： two-wave plate; double-layer double-wave guardrails; reuse; crash test; benefit analysis

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，車流量日益增加，我國部分高速公路通行能力已經(jīng)難以適應(yīng)公眾出行需求，制約了國家公路網(wǎng)的高質(zhì)量發(fā)展。為優(yōu)化路網(wǎng)結(jié)構(gòu)，對原有高速公路在原址上擴容改造項目日益增多。高速公路改擴建項目具有線路較長、規(guī)模較大的特點，其安全設(shè)施中鋼板護欄需求，由于兩波護欄已無法滿足現(xiàn)行JTG D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[1]的要求，但是將大量的既有兩波形梁板全部淘汰廢棄，將造成較大的資源浪費。

美國在20世紀90年代開始進行公路護欄再利用的研究，已經(jīng)在某些方面取得了一些進展，如安全護欄木制立柱再利用問題等[1-2]。美國2011版《路側(cè)設(shè)計指南》[3]提出了建立升級需求的優(yōu)先級概念，即將舊式護欄作為新建或改建公路項目的一部分來考慮。在該指南中，對波形梁護欄提出了一些改造的原則，但未提供具體的改造技術(shù)和方法，相對來說對橋梁護欄的升級改造有一些具體做法，但主要是增設(shè)新護欄的方法。除了美國對既有護欄的防護性能評估和再利用升級改造技術(shù)有少許的研究外，包括歐洲、日本等學(xué)者在內(nèi)主要針對護欄設(shè)置原則、方法和應(yīng)用的相關(guān)研究[4-6]。由于護欄材料、結(jié)構(gòu)，使用情況、防護等級和能量的差別，護欄評估和再利用提升技術(shù)可借鑒之處不多。

針對新舊規(guī)范更替，目前國內(nèi)采用波形梁鋼護欄材料再利用的方法中，兩波護欄再利用時應(yīng)用最多的是雙層雙波方案[7-12]，但是由于既有波形梁護欄的實際防護能力和再利用價值情況不同，現(xiàn)有的成果適用范圍有限，不能完全適用于所有高速公路的實際情況。因此，本文針對XX改擴建工程既有兩波護欄進行評價，根據(jù)既有護欄的實際情況，設(shè)計一種安全功能的各項指標均滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的要求，具有較好的阻擋功能、導(dǎo)向功能和緩沖功能，防護等級達到A級，防護能量達到160 kJ的升級改造方案。

1 試驗

材料的常規(guī)力學(xué)性能主要將試件放進萬能電子試驗機夾具中進行常溫下的準靜態(tài)拉伸試驗，試驗過程中由試驗機輸出載荷-位移數(shù)據(jù)，經(jīng)過式（1）—（4）的處理即可獲得材料的真實應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

式中：F、d0、？滓e、？滓t、？著e及？著t分別為試驗機輸出的載荷、試件原長、工程應(yīng)力、真實應(yīng)力、工程應(yīng)變及真實應(yīng)變。至少對3個試件進行壓縮測試，最終取平均值進行結(jié)果分析。

2 測試結(jié)果與分析

為清晰了解既有波形梁板的實際防護能力和再利用價值情況，首先需要掌握既有波形梁板的材料特性，因此，本文對既有波形梁板的力學(xué)性能進行了常規(guī)力學(xué)性能研究。真實應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖1所示，拉伸曲線有一個明顯的屈服平臺。在應(yīng)變越過屈服平臺后，流動應(yīng)力隨應(yīng)變的增加而增加，直至產(chǎn)生頸縮斷裂。高強鋼擁有較高屈服強度與抗拉強度，上屈服強度為358 MPa，下屈服強度為332 MPa，同時具有很高的塑性，伸長率達32.3%。

3 既有波形梁護欄升級改造方案設(shè)計

本文的既有波形梁護欄升級改造方案結(jié)構(gòu)將按照JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中三級（A級）防護等級要求的試驗條件和評價方法開展計算機仿真模擬碰撞試驗，經(jīng)優(yōu)化設(shè)計的最終方案通過實車足尺碰撞試驗驗證，各項指標須滿足評價標準要求。試驗碰撞條件見表1。

在護欄進行有限元仿真模擬的過程中，護欄的各部件單元類型采用四邊形殼單位，并考慮材料的應(yīng)變率效應(yīng)，防阻塊與梁板及立柱之間均通過梁單元屬性的螺栓進行連接，材料模型采用MAT24號，單元屬性采用shell類型。

根據(jù)JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中對三級（A級）防護等級護欄試驗碰撞條件的規(guī)定，本研究首先對護欄方案進行了10 t中型客車、60 km/h碰撞速度、20°碰撞角度條件下計算機仿真模擬碰撞試驗。護欄采用寬型托架，升級完成后形成雙層雙波護欄。方案結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體參數(shù)如下。

1）護欄立柱間距為2 m。

2）下層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為60 cm，上層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為100 cm。

3）新增護欄立柱規(guī)格為Φ140×4.5×（2 150+hc）（mm）和Φ140×4.5×（2 550+hc）（mm），新增構(gòu)件均采用Q235鋼材。

4）護欄板采用路側(cè)和中央分隔帶拆除的兩波形梁板，即規(guī)格為4 320×310×85×3（mm）。

經(jīng)計算機仿真模擬碰撞試驗分析（結(jié)果如圖3所示），優(yōu)化方案護欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能均滿足標準要求，中型客車和中型貨車碰撞時護欄的W值分別為139 cm和114 cm，VIn值分別為137 cm和202 cm，滿足實際工程的防護需求。

4 實車試驗

為驗證既有波形梁護欄升級改造方案段的安全性能，根據(jù)現(xiàn)行JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》三級（A級）的試驗碰撞條件（表1），對其進行了小型客車、中型客車和中型貨車的實車足尺碰撞試驗。

4.1 小型客車試驗情況

小型客車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖4—6所示。

4.2 中型客車試驗情況

中型客車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖7—9所示。

4.3 中型貨車試驗情況

中型貨車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖10—12所示。

5 效益分析

5.1 經(jīng)濟效益

根據(jù)現(xiàn)行JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計》細則中推薦的波形梁鋼護欄結(jié)構(gòu)型式，以打入式立柱為例，設(shè)置在高速公路的Am級三波形梁鋼護欄的用鋼量為37.23 kg/延米，本項目的A級雙層雙波護欄方案新增用鋼量23.46 kg/延米，相比于新設(shè)17版細則中推薦的A級三波形梁鋼護欄節(jié)新增用鋼量節(jié)省約37.0%。如果將本成果在全國高速改擴建工程進行推廣應(yīng)用，將節(jié)省超過百億元的建設(shè)資金，具有顯著的經(jīng)濟效益。

5.2 安全效益

本研究成果，能為94版規(guī)范和06版規(guī)范設(shè)計設(shè)置的護欄改造升級提供了系統(tǒng)的解決方案，通過利用原有兩波形梁板研發(fā)了符合現(xiàn)行規(guī)范標準要求的三級（A級）雙層雙波護欄和四級（SB級）雙層雙波護欄，提高了高速公路的整體交通安全防護水平，可有效防止或減少車輛穿越護欄事故的發(fā)生，降低公路事故死亡率，發(fā)揮了自身的社會價值。

5.3 環(huán)境效益

高速公路改擴建工程中，以往對于不再滿足現(xiàn)行規(guī)范要求的既有護欄構(gòu)件，多數(shù)拆除后回收至冶煉廠重新回爐，重新回爐對環(huán)境造成了較大的影響，任何經(jīng)濟數(shù)據(jù)都很難計算出其對生活環(huán)境的影響。本著生態(tài)可持續(xù)的原則，對原有護欄的兩波梁護欄板進行再利用，提升原有護欄的再利用率，一方面減少了新增用鋼量，一方面減少了回爐對環(huán)境的影響，總體降低能耗，減小了對生態(tài)環(huán)境的危害，推動了公路交通與生態(tài)保護協(xié)同發(fā)展，深化了綠色公路建設(shè)，強化了資源材料循環(huán)利用，促進了資源能源節(jié)約集約利用。

6 結(jié)論

1）本文對既有波形梁護欄進行了評價研究，考慮既有護欄立柱防腐能力較差和建筑限界影響，本文主要利用既有護欄板，對既有護欄的力學(xué)性能進行分析，發(fā)現(xiàn)其力學(xué)性能能滿足Q235的要求。

2）通過數(shù)值模擬對既有波形梁護欄升級改造方案的結(jié)構(gòu)進行了設(shè)計和優(yōu)化，得到了最終既有波形梁護欄升級改造的設(shè)計方案，并對該方案進行了實車碰撞試驗，此護欄滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中三級（A級）防護等級的要求。

3）部分公路的交通組成和交通流量發(fā)生了較大的變化，部分路段按94版規(guī)范和06版規(guī)范設(shè)計設(shè)置的護欄的防護能力可能與當前需求不匹配，本文解決了該問題。充分利用既有公路的安全設(shè)施，提升公路的安全防護水平，達到了“安全合理、經(jīng)濟適用、節(jié)能環(huán)保、因地制宜”的目的。

參考文獻：

[1] 公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范：JTG D81—2017[S]

[2] SICKING D.Manual for Assessing Safety Hardware[Z]. 2009.

[3] ROADSIDE DESIGN GUIDE：AASHTO RSDG-4-2011[S].

[4] STANDARDS B. Road Restraint Systems-Part1： Terminology And General Criteria For Test Methods[S].

[5] STANDARDS S. Road Restraint Systems - Part 2：Performance classes， impact test acceptance criteria and test methods for safety barriers including vehicle parapets[S].

[6] 日本道路協(xié)會.車輛用防護欄標準與解說[S].2000.

[7] 公路護欄安全性能評價標準：JTG B05-01—2013[S].

[8] 高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計及施工技術(shù)規(guī)范：JTJ 074—94[S].

[9] 公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范：JTG D81—2006[S].

[10] 公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則：JTG/T D81—2006[S].

[11] 公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范：JTG D81—2017[S].

[12] 公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則：JTG/T D81—2017[S].

作者簡介：作者簡介：石杰榮（1971-），男，高級工程師。研究方向為高速公路建設(shè)管理。