高速公路波形梁鋼護(hù)欄防護(hù)性能提升的技術(shù)方案研究

摘要 該文針對(duì)舊波形梁護(hù)欄提出了升級(jí)改造方案，以提高舊護(hù)欄強(qiáng)度加固改造方案為例：原Ф114 mm立柱不動(dòng)，在此立柱外套入Ф140 mm×4.5 mm×1 750 mm立柱，打入深度800 mm，將原立柱增高、增大；采用兩塊波形板上下安裝的形式，用以彌補(bǔ)波形梁板厚度及寬度的不足；用定制的防阻塊更換原防阻塊或托架，防止侵入道路限界。在現(xiàn)行規(guī)范要求的碰撞條件下，通過車輛與護(hù)欄碰撞的模擬仿真計(jì)算，對(duì)改造后的波形梁護(hù)欄進(jìn)行仿真碰撞模擬試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果證明：在相同的碰撞條件下，升級(jí)改造后的護(hù)欄能夠有效攔阻失控車輛，波形梁最大位移等數(shù)據(jù)均能滿足A級(jí)的要求，防撞性能得到了大幅提高。

關(guān)鍵詞 道路工程；安全工程；波形梁護(hù)欄；模擬仿真計(jì)算

中圖分類號(hào) U491.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）04-0088-03

0 引言

波形梁護(hù)欄是確保高速公路上交通安全的關(guān)鍵設(shè)施，通過其連續(xù)的梁柱結(jié)構(gòu)對(duì)駕駛員進(jìn)行保護(hù)。在車輛失控撞向護(hù)欄時(shí)，沖擊所產(chǎn)生的能量被護(hù)欄板與立柱緩解吸收，防止車輛越過道路邊界或進(jìn)入對(duì)向車道，從而提升安全性。

我國(guó)從20世紀(jì)80年代開始大規(guī)模地進(jìn)行高速公路的建設(shè)，這直接帶動(dòng)了防撞護(hù)欄的研究及應(yīng)用，其中就包括波形梁護(hù)欄，截至今日，對(duì)護(hù)欄的研究和應(yīng)用還在隨著車輛、交通狀況的改變而不斷豐富其內(nèi)容。在1994年，我國(guó)交通運(yùn)輸部發(fā)布了《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ 074—94），即《94規(guī)范》，系統(tǒng)性地第一次對(duì)護(hù)欄的設(shè)計(jì)和施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定。隨著車輛設(shè)施及交通安全形勢(shì)的改變，加之交通量的迅猛增長(zhǎng)，為適應(yīng)這些新的要求，在2006年和2017年又分別發(fā)布了《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/D 81—2006），即《06規(guī)范》[1]和JTG/D 81—2017，即《17規(guī)范》?，F(xiàn)行規(guī)范為《17規(guī)范》，其要求A級(jí)、Am級(jí)波形梁護(hù)欄，均應(yīng)是三波形式，而之前的2本規(guī)范均要求是雙波形式，且立柱的直徑也不同，這就造成了護(hù)欄結(jié)構(gòu)上的巨大差異。通過對(duì)高速公路護(hù)欄有關(guān)交通事故的分析，發(fā)現(xiàn)符合前兩部規(guī)范的A級(jí)和Am級(jí)波形梁護(hù)欄在整體外觀上完好，但其防撞能力不能全面滿足《17規(guī)范》的技術(shù)指標(biāo)的要求。如果將原規(guī)范的護(hù)欄，全部更換為符合《17規(guī)范》的三波波形梁護(hù)欄，將導(dǎo)致資源浪費(fèi)和高昂的工程成本，同時(shí)對(duì)環(huán)境造成負(fù)擔(dān)。

此外，現(xiàn)有護(hù)欄存在波形梁板拉斷、立柱斷裂和立柱阻礙車輪等問題，影響其防護(hù)效果，導(dǎo)致車輛穿越護(hù)欄的情況增多。盡管更換新護(hù)欄可以提升安全性，但會(huì)面臨舊立柱無法重復(fù)使用、材料浪費(fèi)以及對(duì)通信設(shè)施可能造成損害等挑戰(zhàn)。因此，需制定一種有效的波形梁護(hù)欄改造方案，兼顧施工技術(shù)、設(shè)計(jì)優(yōu)化和預(yù)防措施，以提升護(hù)欄系統(tǒng)的安全性和耐用性，同時(shí)保護(hù)高速公路的通信網(wǎng)絡(luò)。

興蘭陽等[2]針對(duì)鋼護(hù)欄材料回收利用率低的問題，提出一種新型高強(qiáng)度鋁合金波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)，利用有限元仿真并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范對(duì)該種護(hù)欄安全性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，其防撞能力滿足我國(guó)相關(guān)規(guī)范要求的A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。王超[3]通過理論分析和數(shù)值模擬綜合評(píng)估了欄桿、立柱及基礎(chǔ)螺栓在汽車碰撞荷載下的承載能力和使用性能。扈亞楠[4]

提出了一種新型的梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)：吸能合金—復(fù)合材料護(hù)欄組合式結(jié)構(gòu)。趙慶云等[5]提出了一種基于原護(hù)欄保留利用的直立式接高改造方案，用于提升在用橋梁護(hù)欄的防護(hù)能力。通過理論分析和有限元仿真模型，優(yōu)化了改造方案，防護(hù)等級(jí)達(dá)到了SS級(jí)。王維利等[6]針對(duì)公路加鋪罩面導(dǎo)致路側(cè)波形梁護(hù)欄防護(hù)高度下降的問題，利用Hyper Mesh和LS-DYNA聯(lián)合仿真方法，進(jìn)行了皮卡車和貨車分別碰撞護(hù)欄的仿真試驗(yàn)。研究結(jié)果顯示：護(hù)欄高度與車輛重心加速度和駛出角度呈負(fù)相關(guān)，與最大動(dòng)態(tài)變形量呈正相關(guān)。當(dāng)護(hù)欄高度低于標(biāo)準(zhǔn)高度150 mm時(shí)，皮卡車和貨車均可能發(fā)生側(cè)翻。高速公路罩面導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)層變厚，進(jìn)而降低了路側(cè)護(hù)欄的防護(hù)高度。為解決這一問題，郭忠印等[7]建立了防護(hù)高度與護(hù)欄安全性能的關(guān)系模型，并提出了合適的加高改造方案。崔烜赫[8]建立了A級(jí)雙波形半剛性波形梁護(hù)欄、10 t大客車、1.5 t小客車的有限元模型。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)碰撞角度超過30°時(shí)，護(hù)欄的導(dǎo)向性能明顯下降，無法及時(shí)改變車輛的運(yùn)行方向，導(dǎo)致護(hù)欄可能發(fā)生嚴(yán)重變形甚至斷裂，失去防護(hù)效果。張舜達(dá)等[9]探討了如何通過加固舊鋼筋混凝土護(hù)欄來提升其防護(hù)性能，相比于安裝全新護(hù)欄，這種改造更為資源節(jié)約，仿真結(jié)果顯示：經(jīng)過加固的A級(jí)護(hù)欄能夠有效地保護(hù)行駛中的車輛。

對(duì)文獻(xiàn)分析可知，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展以及國(guó)內(nèi)現(xiàn)役護(hù)欄所存在的問題日益突顯，對(duì)于護(hù)欄的研究方法從最開始的實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)為主逐漸過渡到現(xiàn)在的以計(jì)算機(jī)仿真分析為主，對(duì)于護(hù)欄的研究方向也從最開始的新護(hù)欄開發(fā)轉(zhuǎn)變到提升在用護(hù)欄的防護(hù)性能。

1 護(hù)欄改造方案設(shè)計(jì)

該文基于《94規(guī)范》規(guī)定的波形梁護(hù)欄，提出一種升級(jí)改造方案，以滿足《17規(guī)范》中防撞性能的要求。研究采用有限元仿真模擬技術(shù)，建立車輛與護(hù)欄碰撞仿真試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，分析?7規(guī)范》規(guī)定碰撞條件下的互動(dòng)過程。重點(diǎn)分析的關(guān)鍵參數(shù)包括碰撞過程中車輛的峰值加速度、護(hù)欄的最大位移以及車輛行駛狀態(tài)。通過綜合這些數(shù)據(jù)，評(píng)估改造后護(hù)欄的實(shí)際防撞性能。為確保評(píng)估結(jié)果的科學(xué)性與準(zhǔn)確性，依據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）對(duì)升級(jí)護(hù)欄進(jìn)行全面安全性能評(píng)估，包括護(hù)欄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、變形特性及其對(duì)車輛的保護(hù)效果。

具體實(shí)施方案：對(duì)于波形梁板強(qiáng)度的不足，在立柱上再增加一道波形梁板，形成雙層二波形梁板結(jié)構(gòu)，立柱抗彎剛度的不足，采用在原立柱外增加Ф140 mm外套管的方案，以增強(qiáng)立柱的抗拔、抗剪能力。

在實(shí)施過程中，先拆除原護(hù)欄波形梁板和防阻塊（托架），再將Ф114 mm立柱再往路基中打深100 mm，選擇Ф140 mm×1 770 mm×4.5 mm的立柱，將Ф140 mm立柱內(nèi)壁緊貼Ф114 mm立柱外壁打樁，注意Ф140 mm立柱防阻塊螺栓孔與原Ф114 mm立柱上的孔重合，分上下將兩個(gè)防阻塊安裝在Ф140 mm立柱上，最后分上下安裝兩塊二波波形梁板。

該提升方案在“尊重規(guī)范、滿足標(biāo)準(zhǔn)、注重創(chuàng)新”的原則指導(dǎo)下，對(duì)現(xiàn)有波形護(hù)欄進(jìn)行了系統(tǒng)的升級(jí)改造，以應(yīng)對(duì)其防護(hù)能力不足和潛在的安全隱患。該方案充分利用《94規(guī)范》下的波形梁護(hù)欄現(xiàn)有結(jié)構(gòu)，旨在節(jié)約造價(jià)并顯著提高護(hù)欄的防護(hù)性能。

具體實(shí)施措施包括以下三方面：（1）通過加深立柱的埋設(shè)深度和增加立柱直徑，以增強(qiáng)立柱與土基之間的固結(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性，這有助于在碰撞事件中提供更為堅(jiān)固的支持。（2）方案通過提升立柱的高度，并在增加的高度部分增設(shè)一層波形梁板，使其與原有波形梁板共同分擔(dān)水平拉力，這種結(jié)構(gòu)調(diào)整旨在改善護(hù)欄在沖擊力下的整體承載能力。（3）通過立柱的加高和新增的上層波形梁板來整體提升護(hù)欄的高度，解決了原有護(hù)欄高度不足的問題，進(jìn)一步提升了護(hù)欄的防護(hù)效能。這些改進(jìn)措施不僅增強(qiáng)了護(hù)欄的穩(wěn)定性和安全性，也符合現(xiàn)代安全標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求。

2 碰撞力學(xué)模擬仿真試驗(yàn)

在計(jì)算機(jī)輔助工程領(lǐng)域，HyperMesh是一種先進(jìn)的有限元網(wǎng)格劃分前處理工具，能提供多種網(wǎng)格控制選項(xiàng)，能夠生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，這對(duì)于準(zhǔn)確的有限元分析至關(guān)重要。能與多種CAE軟件兼容，可以將模型導(dǎo)出為多種格式，以便在不同的軟件中進(jìn)行進(jìn)一步的分析，從而縮短建模時(shí)間并優(yōu)化網(wǎng)格劃分效率，提高建模精度。再結(jié)合LS-DYNA[10]這一強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析平臺(tái)，其通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)囕v碰撞等復(fù)雜場(chǎng)景進(jìn)行深入仿真分析，獲取直觀的車輛損壞結(jié)果，為HyperMesh在有限元建模過程中提供了有效支持。

2.1 車輛有限元模型

該文選取三（A）級(jí)防護(hù)等級(jí)進(jìn)行模擬仿真，依據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的規(guī)定，三（A）級(jí)碰撞試驗(yàn)的條件為下表1。

與小型車輛相比，中大型車輛由于其顯著增加的質(zhì)量和較高的重心，容易在碰撞護(hù)欄時(shí)發(fā)生翻覆、穿越或騎跨護(hù)欄等現(xiàn)象。這些特征使得中大型車輛在實(shí)際道路環(huán)境中面臨著更為復(fù)雜的碰撞動(dòng)態(tài)問題。因此，為了全面評(píng)估護(hù)欄系統(tǒng)的防護(hù)能力，該研究選擇了彈性體中型客車模型作為仿真分析的對(duì)象。該模型的車身尺寸為8.6 m長(zhǎng)、2.45 m寬和3.2 m高，采用了詳細(xì)的實(shí)體模型構(gòu)建方法，確保了模型的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。在模擬過程中，車輛行駛系統(tǒng)的設(shè)置嚴(yán)格參考了實(shí)際車輛的性能特征，包括懸掛系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向機(jī)制及動(dòng)力系統(tǒng)等，以確保仿真中的行駛軌跡和行為模式與現(xiàn)實(shí)情況高度一致。這種高精度的建模和仿真方法，有助于精確評(píng)估護(hù)欄在中大型車輛碰撞中的表現(xiàn)，從而為護(hù)欄設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 護(hù)欄模型

在構(gòu)建護(hù)欄有限元模型的過程中，模型的精確度對(duì)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。由于汽車與護(hù)欄的碰撞涉及多種結(jié)構(gòu)形式、邊界條件、連接方式以及荷載等復(fù)雜因素，全面模擬實(shí)際情況是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。因此，在建立護(hù)欄模型時(shí)，不可避免地需要對(duì)模型進(jìn)行一定的簡(jiǎn)化。在該仿真模擬中，采取了以下簡(jiǎn)化措施：在進(jìn)行護(hù)欄碰撞仿真研究時(shí)，為降低計(jì)算復(fù)雜度并聚焦于護(hù)欄響應(yīng)，采取以下簡(jiǎn)化策略：路面視為剛性，忽略其在碰撞中的變形；螺栓連接簡(jiǎn)化為兩端固定的鋼制梁?jiǎn)卧?，允許其在仿真中發(fā)生彎曲和拉伸；路緣石影響被忽略，以突出護(hù)欄的防撞特性；立柱通過節(jié)點(diǎn)連接，模擬剛性連接；施加全約束邊界條件以確保模型穩(wěn)定性。這些措施使得護(hù)欄模型在1∶1比例下，立柱間距4 m，總長(zhǎng)68 m，真實(shí)反映設(shè)計(jì)配置，為工程應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 模擬碰撞結(jié)果分析

車輛碰撞過程的時(shí)間節(jié)點(diǎn)分別為T=0、200 ms、680 ms和1 355 ms。圖1展示了車輛接近護(hù)欄的路徑，而圖2則顯示了車輛與護(hù)欄接觸并發(fā)生碰撞的軌跡。

在碰撞測(cè)試中，提升改造后的護(hù)欄展示了出色的性能。測(cè)試顯示，碰撞后車輛未發(fā)生翻覆、下鉆、穿越或騎跨，且碰撞后駛出角度僅為11°左右，遠(yuǎn)低于標(biāo)準(zhǔn)的20°，突顯護(hù)欄在防止車輛失控方面的有效性。車輛在碰撞后依然能保持正常的運(yùn)行軌跡，沒有出現(xiàn)被絆阻或橫向轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。前保險(xiǎn)杠與護(hù)欄的接觸長(zhǎng)度達(dá)13.5 m，表明護(hù)欄提供了連續(xù)的保護(hù)。盡管護(hù)欄立柱有所彎曲，但未出現(xiàn)斷裂；雙層波形梁板保持完好，沒有明顯斷裂，顯示了護(hù)欄的強(qiáng)度和能量吸收能力。車輛左前方翼子板和前保險(xiǎn)杠雖然變形，但未有零部件脫落，顯示了護(hù)欄的有效保護(hù)。

此外，提升改造后的護(hù)欄在碰撞中表現(xiàn)出了卓越的能量吸收能力，特別是在受沖擊最嚴(yán)重的區(qū)域，托架有效地吸收了碰撞能量，延長(zhǎng)了碰撞時(shí)間，減少了對(duì)乘員的沖擊力，并降低了二次碰撞的風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)[11]《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013），寬度超過2.4 m

的車輛最大加速度應(yīng)低于20 g，護(hù)欄最大動(dòng)態(tài)變形量應(yīng)不超過1 200 mm。測(cè)試結(jié)果表明：改造后的護(hù)欄在碰撞過程中，車輛在三維方向上的峰值加速度均未超過標(biāo)準(zhǔn)限制。

綜合以上模擬仿真得出的數(shù)據(jù)，對(duì)比《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）中關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)護(hù)欄的安全性能評(píng)價(jià)內(nèi)容，提升改造后的護(hù)欄滿足對(duì)三（A）級(jí)碰撞等級(jí)的要求。

3 結(jié)論

依據(jù)公路波形梁護(hù)欄防護(hù)性能提升的訴求，該文針對(duì)A級(jí)波形梁護(hù)欄進(jìn)行了升級(jí)改造的設(shè)計(jì)，并依托有限元軟件完成了車輛與護(hù)欄的碰撞模擬仿真計(jì)算。該文提出了一個(gè)波形梁護(hù)欄提升的方案，在充分利用舊護(hù)欄的基礎(chǔ)上，通過增加立柱埋深、加大立柱直徑、新增一塊上層二波波形梁板以及增加護(hù)欄高度等方法來提高護(hù)欄的防撞能力，通過有限元模型完成了車輛對(duì)提升方案的模擬仿真計(jì)算，改造后的護(hù)欄有效地阻止了車輛的騎跨和穿越現(xiàn)象，波形梁板在碰撞中良好地展開，防阻塊正常變形并有效吸收了碰撞能量。經(jīng)過改造后的護(hù)欄在最大位移和車輛峰值加速度等指標(biāo)上均達(dá)到了A級(jí)防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

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收稿日期：2024-08-22

作者簡(jiǎn)介：邢國(guó)彬（1976—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路交通安全防護(hù)、高速公路路面預(yù)防性研究。