活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計研究

劉航 龔帥 亢寒晶 楊福宇 閆書明

(1. 山東高速股份有限公司 濟(jì)南250014； 2. 北京華路安交通科技有限公司 100070)

引言

預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄由于其特有的安全防撞、 可開啟移動和通透美觀性得到了較好的推廣應(yīng)用[1]， 如圖1 所示。 該護(hù)欄在實(shí)際應(yīng)用中需要與中央分隔帶護(hù)欄進(jìn)行可靠的銜接過渡， 但由于中央分隔帶護(hù)欄形式多樣， 給預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部過渡處理增加了難度。 通過對目前應(yīng)用的預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄進(jìn)行調(diào)查， 發(fā)現(xiàn)這些護(hù)欄端部的銜接過渡處理存在諸多問題， 直接影響著護(hù)欄的安全性能， 增加了公路運(yùn)營風(fēng)險。

相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)表明， 對活動護(hù)欄端部和中分帶護(hù)欄進(jìn)行合理過渡銜接并形成協(xié)同受力的整體結(jié)構(gòu)， 即一體化設(shè)計， 能夠有效提高活動護(hù)欄的安全防護(hù)性能， 但國內(nèi)學(xué)者對此研究較少[2，3]。為實(shí)現(xiàn)活動護(hù)欄端部連接平順、 結(jié)構(gòu)和剛度穩(wěn)定過渡的效果， 文中針對預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部過渡的現(xiàn)狀進(jìn)行分析， 提出活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計的理念， 設(shè)計出預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部與不同中分帶護(hù)欄端頭過渡的一體化結(jié)構(gòu)， 并通過計算機(jī)仿真技術(shù)對其安全性能進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄Fig.1 Prestressed movable barriers

1 活動護(hù)欄端部過渡現(xiàn)狀分析

中分帶護(hù)欄主要結(jié)構(gòu)形式為混凝土護(hù)欄與波形梁護(hù)欄。 中分帶混凝土護(hù)欄有單片式、 雙片式兩類； 中分帶波形梁護(hù)欄有一柱雙板式、 雙排式兩類。 中分帶護(hù)欄按照其兩側(cè)迎撞面的橫向距離大小可分為窄式端頭(單片式混凝土護(hù)欄、 一柱雙板式波形梁護(hù)欄、 雙排式漸變過渡波形梁護(hù)欄端頭)與寬式端頭(雙片式混凝土護(hù)欄、 雙排式未漸變過渡波形梁護(hù)欄端頭)。

目前， 我國對于護(hù)欄端部還缺乏必要的了解， 經(jīng)驗(yàn)不足。 活動護(hù)欄端部過渡設(shè)計更是如此， 存在很多不合理過渡， 甚至無過渡的現(xiàn)象。 如圖2 所示為鋼管預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部與不同形式中分帶護(hù)欄過渡銜接現(xiàn)狀。 預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部與中分帶護(hù)欄銜接過渡的形式多樣， 但歸結(jié)起來主要有以下兩類[3]:

(1)活動護(hù)欄端部與中分帶護(hù)欄間斷， 即沒有設(shè)置過渡結(jié)構(gòu)， 中分帶護(hù)欄直接暴露出來。 當(dāng)車輛與中分帶護(hù)欄碰撞時， 中分帶護(hù)欄直接插入車體或車輛直接與混凝土護(hù)欄正面碰撞， 嚴(yán)重威脅乘員安全， 如圖3a、 3b 所示。

(2)活動護(hù)欄端部與中分帶護(hù)欄簡單搭接或剛度過渡、 結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，銜接處護(hù)欄過渡角較大， 且剛度不匹配。 當(dāng)車輛碰撞銜接處時車輛不易順利導(dǎo)出， 如圖3c 所示。

圖2 活動護(hù)欄端部與不同型式中分帶護(hù)欄過渡銜接現(xiàn)狀Fig.2 The terminal of movable barriers transitioned to median barriers

圖3 活動護(hù)欄端部事故Fig.3 Accidents at the terminal of movable barriers

2 活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計理念

活動護(hù)欄往往和中分帶護(hù)欄形式上存在較多差異， 其斷面結(jié)構(gòu)、 高度、 剛度、 強(qiáng)度以及碰撞受力機(jī)理等存在不同， 而一體化設(shè)計理念體現(xiàn)在活動護(hù)欄端部與中分帶護(hù)欄連接平順， 結(jié)構(gòu)和剛度平穩(wěn)過渡， 從而保證銜接過渡部位防護(hù)能力的正常發(fā)揮[4-7]。

2.1 活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計作用

活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計是為提高護(hù)欄整體的防護(hù)能力， 其優(yōu)勢具體體現(xiàn)在以下方面:

(1)導(dǎo)向作用: 防止或減少碰撞車輛因護(hù)欄結(jié)構(gòu)、 剛度和強(qiáng)度的不同在端部發(fā)生絆阻、 翻車等現(xiàn)象， 能幫助車輛導(dǎo)向駛出。

(2)緩沖保護(hù)作用: 避免護(hù)欄插入車體， 或防止車輛與中分帶護(hù)欄正面碰撞造成更大的乘員傷害。

(3)提供錨固作用: 可為活動護(hù)欄中間標(biāo)準(zhǔn)段和中分帶護(hù)欄提供有效錨固， 保證兩者正常的防護(hù)能力。

2.2 活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計要求

活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計中， 需要綜合考慮各方面因素， 包括護(hù)欄端部防護(hù)等級、 結(jié)構(gòu)、 剛度、 護(hù)欄端部高度、 施工方便性及護(hù)欄景觀效果。首先， 要確定活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計的防護(hù)等級。 活動護(hù)欄的防護(hù)等級宜與相鄰路段保持一致，線形良好路段經(jīng)論證可低于相鄰路段1 ～2 個等級， 但高速公路活動護(hù)欄不得低于三(Am)級[8，9]。其次， 護(hù)欄端部一體化設(shè)計的目的就是使活動護(hù)欄和中分帶護(hù)欄科學(xué)合理地銜接起來， 成為一個整體。 所以， 既要在結(jié)構(gòu)上保證端部和中分帶護(hù)欄高度的平滑連接， 也需要考慮連接材料剛度和強(qiáng)度的平穩(wěn)過渡。 最后， 在活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計中要考慮到其安裝施工的簡易性， 同時也要兼顧護(hù)欄端部外形的美觀。

3 活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計

針對不同類型的中分帶護(hù)欄端頭進(jìn)行與活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計。

3.1 窄式中分帶護(hù)欄端頭

窄式中分帶護(hù)欄端頭兩側(cè)迎撞面較近， 與所設(shè)計活動護(hù)欄基本結(jié)構(gòu)的寬度較為匹配， 因此直接采用過渡板連接即可實(shí)現(xiàn)平順過渡。 圖4 所示為單片式混凝土護(hù)欄的過渡， 采用螺栓將過渡的三波梁板(506mm ×85mm ×4mm 標(biāo)準(zhǔn)件)直接錨固于混凝土護(hù)欄； 圖5 所示為一柱雙板波形梁護(hù)欄的過渡， 采用三波到雙波的過渡板(變截面標(biāo)準(zhǔn)件)進(jìn)行搭接； 圖6 為與雙排漸變波形梁護(hù)欄端頭過渡， 同樣采用三波到雙波的過渡板(變截面標(biāo)準(zhǔn)件)進(jìn)行搭接。 以上過渡波形板均采用標(biāo)準(zhǔn)件結(jié)構(gòu)， 材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼(如Q235 鋼)。 通過上述設(shè)計方案可形成預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄與中分帶護(hù)欄的一體化結(jié)構(gòu)。

圖4 與單片式混凝土護(hù)欄過渡Fig.4 Transition to the monolithic concrete barrier

圖5 與一柱雙板中分帶波形梁護(hù)欄過渡Fig.5 Transition to the median w-beam barrier with double beams nip one column

圖6 與雙排漸變波形梁護(hù)欄過渡Fig.6 Transition to the median w-beam barrier with double row gradient beams

3.2 寬式中分帶護(hù)欄端頭

寬式中分帶護(hù)欄端頭兩側(cè)迎撞面距離較遠(yuǎn)， 活動護(hù)欄到中分帶護(hù)欄的過渡困難， 如圖7 所示為寬度2m 的中分帶護(hù)欄與鋼管索桁架的寬度對比。 若要實(shí)現(xiàn)過渡位置的安全平順， 需要對活動護(hù)欄架構(gòu)進(jìn)行較大的調(diào)整來實(shí)現(xiàn)整個防護(hù)的一體化。

圖7 雙排中分帶護(hù)欄與預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄Fig.7 The double row median barrier and the prestressed movable barrier

寬度較大的變化必然需要通過角度漸變來過渡， 若過渡長度過短， 則角度過大存在較大的安全問題， 因此通過設(shè)置異形端部框架和異形鋼管索桁架完成過渡， 如圖8 所示。 通過增加端部框架橫梁長度來增大端部框架寬度， 以適應(yīng)中分帶護(hù)欄寬度， 通過漸變寬度的異形鋼管索桁架最終實(shí)現(xiàn)寬度的過渡。

圖8 寬式中分帶護(hù)欄與預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄過渡Fig.8 Transition between the wide median barrier and the prestressed movable barrier

加寬的端部框架如圖9a 所示。 異形桁架兩側(cè)的鋼管索橫梁由寬到窄布置， 橫向連接構(gòu)件如圖9b 所示， 由碳素結(jié)構(gòu)鋼(如Q235 鋼)材質(zhì)的40mm×40mm×3mm 標(biāo)準(zhǔn)方管焊接而成。

圖9 異形橫梁構(gòu)件Fig.9 Profiled beam component

寬式中分帶護(hù)欄端部結(jié)構(gòu)如圖10 所示， 活動護(hù)欄端部到中分帶護(hù)欄端頭寬度相適應(yīng)， 過渡方式與窄式中分帶護(hù)欄相同: 雙片式混凝土護(hù)欄端頭采用三波梁板(506mm ×85mm ×4mm 標(biāo)準(zhǔn)件)直接錨固在混凝土護(hù)欄上， 雙柱雙排波形梁護(hù)欄端頭采用過渡板(變截面標(biāo)準(zhǔn)件)平順搭接即可， 過渡波形板材質(zhì)為碳素結(jié)構(gòu)鋼(如Q235鋼)。 兩種結(jié)構(gòu)形式如圖11 所示。

圖10 寬式中分帶護(hù)欄過渡Fig.10 The axonometric drawing of the wide median barrier transition

圖11 與寬式中分帶護(hù)欄端頭的活動護(hù)欄一體化結(jié)構(gòu)Fig.11 The integrative structure of the wide median barrier transition

4 活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計安全評估

以防護(hù)等級為Am 級的預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄為例， 碰撞條件如表1 所示。

表1 碰撞條件Tab.1 Impact conditions

采用經(jīng)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)校核的計算機(jī)仿真模型[1]， 對一體化設(shè)計的預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄進(jìn)行安全性能評估。 考慮寬式中分帶護(hù)欄端頭與活動護(hù)欄端部寬度相差大， 過渡結(jié)構(gòu)變化較大， 本部分僅對該設(shè)計進(jìn)行安全性能評估。 安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)如表2 所示。

表2 安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)[10]Tab.2 Safety performance evaluation indexes[10]

4.1 活動護(hù)欄端部阻擋功能

圖12 ～圖14 為車輛碰撞活動護(hù)欄端部過程，由圖可以看出車輛在碰撞過程中沒有穿越、 翻越或騎跨護(hù)欄， 行駛姿態(tài)良好， 預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部阻擋功能均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖12 小客車碰撞活動護(hù)欄過程Fig.12 The process of the car impacting barriers

圖13 中型客車碰撞活動護(hù)欄過程Fig.13 The process of the bus impacting barriers

圖14 中型貨車碰撞活動護(hù)欄過程Fig.14 The process of the truck impacting barriers

4.2 活動護(hù)欄端部緩沖功能

小客車碰撞活動護(hù)欄端部時， 乘員在碰撞時刻速度的縱向和橫向分量、 乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量如表3 所示， 可見活動護(hù)欄端部的緩沖功能滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

表3 小客車碰撞活動護(hù)欄端部速度和加速度Tab.3 The velocity and acceleration ofthe car collision movable barrier

4.3 活動護(hù)欄端部導(dǎo)向功能

圖15 ～圖17 為車輛碰撞護(hù)欄端部后行駛軌跡。 由圖可見小客車、 中型客車和中型貨車行駛軌跡均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)向駛出框的指標(biāo)要求。

圖15 小客車碰撞活動護(hù)欄后行駛軌跡Fig.15 The track of the car impacting barriers

圖16 中型客車碰撞活動護(hù)欄后行駛軌跡Fig.16 The track of the bus impacting barriers

圖17 中型貨車碰撞活動護(hù)欄后行駛軌跡Fig.17 The track of the truck impacting barriers

5 結(jié)語

通過對活動護(hù)欄端部過渡現(xiàn)狀的研究分析，提出活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計的理念， 并對預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部與窄式中分帶護(hù)欄端頭和寬式中分帶護(hù)欄端頭過渡銜接進(jìn)行了一體化設(shè)計。

以防護(hù)等級為Am 級預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄為例，對預(yù)應(yīng)力活動護(hù)欄端部與寬式中分帶護(hù)欄端頭的一體化設(shè)計進(jìn)行計算機(jī)仿真計算， 結(jié)果表明一體化設(shè)計后的活動護(hù)欄端部安全性能指標(biāo)包括阻擋功能、 導(dǎo)向功能和緩沖功能完全滿足評價標(biāo)準(zhǔn)的要求， 具備Am 級(160kJ)的防撞安全性能， 同時活動護(hù)欄端部一體化設(shè)計還能有效提高護(hù)欄的安全性能， 對保證高速公路的安全運(yùn)營具有重要意義。