高速公路中央分隔帶門型護(hù)欄開發(fā)研究

周琪 吳霜 卜倩淼 李勇

摘? ?要：研究開發(fā)一種新型SBm級雙層雙波門型護(hù)欄，可應(yīng)用于高速公路中央分隔帶新建和改擴(kuò)建工程。按照《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2017）SB級（280kJ）碰撞條件，采用計(jì)算機(jī)有限元仿真分析和實(shí)車碰撞試驗(yàn)方法，驗(yàn)證1.5t小客車、10t中型客車和18t中型貨車碰撞條件下護(hù)欄的安全性能。經(jīng)檢驗(yàn)，研發(fā)的門型護(hù)欄安全性能滿足SB級安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。與新設(shè)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2017）（以下簡稱“現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)”）SB級中分帶三波梁護(hù)欄相比，新建門型護(hù)欄用鋼量節(jié)省7.97%，將原有中分帶波形梁護(hù)欄改造為門型護(hù)欄，用鋼量節(jié)省28.35%。當(dāng)大規(guī)模改造為研發(fā)的SB級門型護(hù)欄時(shí)，與新設(shè)SB級中分帶三波梁護(hù)欄相比，節(jié)約工程造價(jià)17.11%，與新設(shè)SB級中分帶混凝土護(hù)欄相比，節(jié)約工程造價(jià)29.15%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有良好的市場推廣前景。

關(guān)鍵詞：中央分隔帶? 門型護(hù)欄? 實(shí)車碰撞試驗(yàn)? 有限元仿真

中圖分類號：U417? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0091-05

中央分隔帶護(hù)欄具有分隔對向車輛，防止車輛穿越對向車道的作用。現(xiàn)有中央分隔帶波形梁護(hù)欄采用分離式時(shí)，未能將兩道波形梁護(hù)欄連接形成整體，削弱了其整體剛度。中國2006年以前建設(shè)的高速公路，護(hù)欄設(shè)計(jì)依據(jù)[1]，要求護(hù)欄的防護(hù)能量僅為70kJ，中央分隔帶護(hù)欄一般采用Φ114×4.5mm立柱和3mm雙波梁板。2006—2017年間的護(hù)欄設(shè)計(jì)依據(jù)[2]，2017年至今的護(hù)欄設(shè)計(jì)依據(jù)[3]，要求對于貨車比例高的路段，其防護(hù)等級應(yīng)達(dá)到SB級。我國在前期進(jìn)行了部分中央分隔帶波形梁護(hù)欄提升改造，但均未將左右兩道護(hù)欄連接成為整體。本文開發(fā)一種新型SBm級雙層雙波門型護(hù)欄，可應(yīng)用于高速公路中央分隔帶新建和改擴(kuò)建工程。參照文獻(xiàn)[5]的SB級碰撞試驗(yàn)條件要求，采用有限元分析和實(shí)車碰撞試驗(yàn)分析方法，對研究方案的防護(hù)性能進(jìn)行評價(jià)，并進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析。

1? 試驗(yàn)方法與方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)方法

大量研究[6-13]表明，隨著計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展完善，有限元已作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化和安全性能預(yù)判的有效方法。為驗(yàn)證SBm級雙層雙波門型護(hù)欄的防護(hù)能力，本文采用有限元仿真試驗(yàn)分析和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。根據(jù)現(xiàn)行《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG-B05-01-2013）SB級（四級）的試驗(yàn)碰撞條件，對該護(hù)欄初步方案和優(yōu)化方案進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn)分析，對確定后的優(yōu)化方案進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，碰撞試驗(yàn)條件見表1。

1.2 初步方案

本文研發(fā)護(hù)欄應(yīng)可應(yīng)用于新建和改擴(kuò)建，應(yīng)在設(shè)計(jì)之初充分考慮利用原有波形梁護(hù)欄構(gòu)件，并使設(shè)計(jì)方案能夠滿足SB級防護(hù)性能。從安全性、經(jīng)濟(jì)性和適用性考慮，初步提出4種改造方案。

方案一和方案二均采用整體式門型立柱交替分設(shè)型普通立柱，方案一為上下兩層4mm雙波板，方案二為上層3mm+下層4mm雙波板。方案三和方案四采用分離式門型立柱外套管+立柱，方案三波形板的布置與方案二相同，方案四將上層波形板改為圓管橫梁。

按照SB級碰撞試驗(yàn)條件，對四種初步設(shè)計(jì)方案進(jìn)行有限元仿真試驗(yàn)分析。

計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)結(jié)果表明：四種初步設(shè)計(jì)方案安全性均滿足SB級防護(hù)性能要求，但初步設(shè)計(jì)方案三中型客車在碰撞過程中挑起較高，存在翻越護(hù)欄的風(fēng)險(xiǎn)。

作為改造方案時(shí)，與新設(shè)SBm級三波護(hù)欄和整體式混凝土護(hù)欄相比，工程造價(jià)均有降低，方案三造價(jià)最低，分別節(jié)省34.24%和43.79%。

作為改造方案時(shí)，方案一、二、三均只能適用于原有防阻塊型護(hù)欄，方案四可用于原有防阻塊型和托架型護(hù)欄;方案三和方案四在路面加鋪后仍能使用，加鋪后護(hù)欄距離路面總高度保持不變，不影響美觀性。

方案一和方案二施工便捷性差，需鉆孔埋入整體式門柱;方案四橫梁托架與門型外套管連接復(fù)雜，加工難度大。

綜合比較，初步設(shè)計(jì)方案中，方案三造價(jià)最低，施工和加工最便捷，路面加鋪后仍然適用，為最優(yōu)初步設(shè)計(jì)方案，但方案三只能用于原有托架型中央分隔帶護(hù)欄改造，進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。

1.3 方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

在方案三的基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。將防阻塊改為托架，進(jìn)行防護(hù)性能分析。優(yōu)化后的SBm級雙層雙波門型護(hù)欄由Φ114立柱、Φ140門型外套管、托架、3mm波形梁板、4mm波形梁板等構(gòu)成。Φ114立柱打入或先鉆孔再打入中分帶種植土里，通過Φ140門型外套管將中分帶兩側(cè)Φ114立柱連接起來，形成門型組合式立柱，立柱間距為2m。將上下兩層波形梁板通過托架與門型組合式立柱相連，形成雙層雙波門型護(hù)欄。下層波形梁板厚度為4mm，中心距離路面或路緣石的高度為60cm;上層波形梁板厚度為3mm，中心距離路面或路緣石的高度為100cm。護(hù)欄結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2? 安全性能分析

2.1 小型客車試驗(yàn)情況

通過對比小型客車實(shí)車碰撞試驗(yàn)前后照片，小型客車碰撞過程中，車輛前部發(fā)生較大程度的變形，但對乘員艙的擠壓程度較輕。車輛碰撞護(hù)欄后，護(hù)欄的變形范圍為4m，護(hù)欄構(gòu)件沒有脫落，護(hù)欄未侵入乘員艙，立柱土基礎(chǔ)破壞較輕，立柱路面以下部分折彎較小，護(hù)欄迎撞面有一定變形，殘留變形值為0.3m，護(hù)欄外邊緣變形較小，殘留變形僅有0.14m。

2.1.1 小型客車加速度數(shù)據(jù)

小型客車重心處加速度時(shí)間歷程曲線如圖8所示。

小型客車乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量10ms間隔平均值絕對值的最大值分別為ax=77.5m/s2和ay=91.2m/s2，均小于200m/s2，滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。根據(jù)車輛重心處加速度數(shù)據(jù)，可計(jì)算出乘員碰撞速度縱向和橫向分量的絕對值分別為vx=7.9和vy=5.3m/s，均小于12m/s，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.1.2 小型客車運(yùn)行軌跡

SBm級雙層雙波門型護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)過程中，小型客車的運(yùn)行軌跡如圖9所示。

仿真試驗(yàn)中，護(hù)欄成功阻擋住了小型客車，車輛在t=0.2s時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)向，并逐漸行駛到正常路線，未發(fā)生騎跨和穿越護(hù)欄的現(xiàn)象，說明特殊路段處置方案三護(hù)欄對小型客車的阻擋功能和導(dǎo)向功能均滿足。

實(shí)車試驗(yàn)中，小型客車碰撞護(hù)欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨和下穿防護(hù)欄。雖然車輛駛離護(hù)欄后，車頭部分與護(hù)欄發(fā)生二次接觸，產(chǎn)生一定的甩尾，但沒有發(fā)生翻車、掉頭現(xiàn)象，最終停在碰撞點(diǎn)前方26m靠近護(hù)欄的位置。車輛輪跡經(jīng)過導(dǎo)向駛出框（A=4.72m，B=10m）時(shí)，輪跡最遠(yuǎn)處與護(hù)欄迎撞面初始位置的距離X=2.84m，滿足邊界要求。

仿真和實(shí)車試驗(yàn)護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量分別為0.35m和0.44m。

2.2 中型客車試驗(yàn)情況

通過對比中型客車實(shí)車碰撞試驗(yàn)前后照片，中型客車碰撞護(hù)欄后，護(hù)欄的變形范圍為15m，護(hù)欄構(gòu)件沒有脫落，護(hù)欄未侵入乘員艙。碰撞區(qū)域內(nèi)立柱土基礎(chǔ)有一定程度破壞，立柱路面以下部分折彎較為嚴(yán)重，護(hù)欄迎撞面變形較大，殘留變形值為1.0m，護(hù)欄外邊緣變形相對較小，殘留變形為0.53m。

SBm級雙層雙波門型護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)過程中，大型貨車的運(yùn)行軌跡如圖10所示。

仿真分析中，護(hù)欄成功阻擋住了中型客車，車輛在t=0.5s時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)向，并逐漸行駛到正常路線，未發(fā)生騎跨和穿越護(hù)欄的現(xiàn)象，護(hù)欄對中型客車的阻擋功能和導(dǎo)向功能均滿足，但車輛躍起較高，車輛有翻越護(hù)欄的風(fēng)險(xiǎn)，仍有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

實(shí)車試驗(yàn)中，中型客車碰撞護(hù)欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨護(hù)欄，車輛正常導(dǎo)出，行駛姿態(tài)正常。車輛輪跡經(jīng)過導(dǎo)向駛出框（A=7.77m，B=20m）時(shí)，輪跡最遠(yuǎn)處與護(hù)欄迎撞面初始位置的距離X=5.90m，滿足邊界要求。

仿真和實(shí)車試驗(yàn)護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量分別為0.81m和1.03m。

2.3 大型貨車試驗(yàn)情況

通過對比大型貨車實(shí)車碰撞試驗(yàn)前后照片，大型貨車碰撞護(hù)欄后，護(hù)欄的托架發(fā)生破壞，碰撞區(qū)域向后（行車方向）迎撞面?zhèn)鹊牟ㄐ瘟喊宓袈?，護(hù)欄構(gòu)件及脫離件并未侵入乘員艙。碰撞區(qū)域內(nèi)立柱土基礎(chǔ)發(fā)生較大程度的破壞，立柱路面以下部分折彎嚴(yán)重，碰撞區(qū)域內(nèi)護(hù)欄變形較大，護(hù)欄外邊緣的殘留變形為0.78m。

SBm級雙層雙波門型護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)過程中，大型貨車的運(yùn)行軌跡如圖11所示。

仿真試驗(yàn)中，護(hù)欄阻擋住了大型貨車，車輛在t=0.8s時(shí)已經(jīng)轉(zhuǎn)向離開護(hù)欄，未發(fā)生騎跨和穿越護(hù)欄的現(xiàn)象，護(hù)欄對大型貨車的阻擋功能和導(dǎo)向功能均滿足。

實(shí)車碰撞試驗(yàn)中，小型客車碰撞護(hù)欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨和下穿防護(hù)欄。雖然車輛駛離護(hù)欄后，車頭部分與護(hù)欄發(fā)生二次接觸，產(chǎn)生一定的甩尾，但沒有發(fā)生翻車、掉頭現(xiàn)象，最終停在碰撞點(diǎn)前方26m靠近護(hù)欄的位置。車輛輪跡經(jīng)過導(dǎo)向駛出框（A=8.73m，B=20m）時(shí)，輪跡最遠(yuǎn)處與護(hù)欄迎撞面初始位置的距離X=2.65m，滿足邊界要求。

仿真和實(shí)車試驗(yàn)護(hù)欄的最大動(dòng)態(tài)變形量分別為0.81m和1.34m。

2.4 試驗(yàn)結(jié)論

依據(jù)我國現(xiàn)行《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-2013），經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，SBm級雙層雙波門型護(hù)欄在SB級（四級）小型客車、中型客車和大型貨車碰撞條件下，該護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能指標(biāo)符合JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，該護(hù)欄的安全性能滿足SB級（四級）防護(hù)等級要求。

3? 經(jīng)濟(jì)性分析

與現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)中推薦的SBm級三波形梁鋼護(hù)欄相比，當(dāng)SBm級雙層雙波門型護(hù)欄用于護(hù)欄新建時(shí)，用鋼量節(jié)省7.32%;當(dāng)SBm級雙層雙波門型護(hù)欄用于護(hù)欄改造時(shí)，用鋼量節(jié)省28.35%，而當(dāng)原有護(hù)欄波形梁板厚度為4mm時(shí)，用鋼量會節(jié)省更多。

通過使用SBm級雙層雙波門型護(hù)欄進(jìn)行大規(guī)模護(hù)欄改造時(shí)，與新設(shè)SBm級三波護(hù)欄相比，工程造價(jià)節(jié)省17.11%，雙側(cè)節(jié)省248元/延米，與新設(shè)整體式混凝土護(hù)欄相比，節(jié)省29.15%，雙側(cè)節(jié)省248元/延米，495元/延米。

4? 結(jié)語

本文研究開發(fā)一種新型SBm級雙層雙波門型護(hù)欄，可應(yīng)用于高速公路中央分隔帶新建和改擴(kuò)建工程。經(jīng)計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，SBm級雙層雙波門型護(hù)欄在SB級（四級）小型客車、中型客車和大型貨車碰撞條件下，該護(hù)欄的阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能指標(biāo)符合JTG B05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求，該護(hù)欄的安全性能滿足SB級（四級）防護(hù)等級要求。

與新設(shè)SB級中分帶三波梁護(hù)欄相比，新建門型護(hù)欄用鋼量可節(jié)省7.97%，將原有中分帶波形梁護(hù)欄改造為門型護(hù)欄用鋼量可節(jié)省28.35%，當(dāng)大規(guī)模改造為研發(fā)的SB級門型護(hù)欄時(shí)，與新設(shè)現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)SB級中分帶三波梁護(hù)欄相比可節(jié)省造價(jià)17.11%，與新設(shè)SB級中分帶混凝土護(hù)欄相比，可節(jié)省造價(jià)29.15%，經(jīng)濟(jì)效益明顯，具有良好的市場推廣前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 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[S].

[2] JTG D81—2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] JTG D81—2017，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] JTG/T D81—2017，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].

[5] JTG B05-01—2013，公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[6] 朱志勤，賈寧，王和林，等.高速公路中央分隔帶波形梁護(hù)欄改造技術(shù)研究[J].特種結(jié)構(gòu)，2016（6）：80-85.

[7] 姚勝彪，張宏松，段躍華，等.中央分隔帶SBm級雙層雙波護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究[J].中外公路，2017（2）：143-147.

[8] 雷正保，楊兆.三波護(hù)欄的耐撞性研究[J].公路交通科技，2006（7）：130-135.

[9] 邰永剛，張紹理，高水德.高防護(hù)等級鋼護(hù)欄改造方案研究[J].公路工程，2009（2）：140-143.

[10]侯德藻，李勇，楊曼娟，等，高速公路組合型波形板活動(dòng)式鋼護(hù)欄開發(fā)[J].公路交通科技，2011（9）：136-141.

[11]龍科軍，李寅，雷正保，等，基于加速度嚴(yán)重指數(shù)的公路路側(cè)危險(xiǎn)度評估[J].中國公路學(xué)報(bào)，2013（3）：143-149.

[12]閆書明，陳冠雄，劉航.幾種改進(jìn)的波形梁護(hù)欄的碰撞分析[J].公路工程，2016（2）：167-171.

[13]李勇，楊潤林.地基土體對貨車與波形梁護(hù)欄碰撞效應(yīng)的影響[J].工程科學(xué)學(xué)報(bào)，2016（4）：589-594.