四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)研究

徐紹國 王秀芬 馬樂 荊坤

1.青島市公路事業(yè)發(fā)展中心 266101

2.北京中路安交通科技有限公司 100071

引言

由于國內(nèi)交通流量逐年增加，每年涉及加鋪罩面的道路日益激增，導(dǎo)致波形梁護(hù)欄改造再利用的需求也在逐年增加。但是四（SB）級波形梁護(hù)欄的立柱上沒有設(shè)置預(yù)留孔，無法滿足加高的需求。國外關(guān)于加高波形梁護(hù)欄安全性能的研究比較少見，主要因為國外大部分道路遵循長壽命設(shè)計理念，且超載運(yùn)輸現(xiàn)象較少，養(yǎng)護(hù)管理手段先進(jìn)，因此在路面使用期內(nèi)路面增高幅度不大，所以護(hù)欄高度不足問題并不明顯。國內(nèi)研究中，即使有針對四（SB）級波形梁護(hù)欄加高的方案也只是進(jìn)行單次加高，沒有滿足不同路面加鋪高度要求的波形梁改造加高結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要大尺度多次加高時，需要再次更換套管，造成資源浪費。針對該問題，本文提出一種大尺度可多次加高的套管加高方式，采用有限元仿真的方法，以螺栓連接個數(shù)、套管尺寸、套管的插入深度與波形梁護(hù)欄防護(hù)性能關(guān)系為指標(biāo)，結(jié)合經(jīng)濟(jì)性，確定了套管的結(jié)構(gòu)尺寸，通過有限元仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗證。

1 加高方案的確定

1.1 加高方法對比

現(xiàn)階段公路改造時護(hù)欄主要的加高方式包括增設(shè)套管加高法、偏心防阻塊加高法、立柱拔出重新打入法和增設(shè)立柱法等。各種方法優(yōu)缺點如表1 所示。偏心防阻塊加高無法滿足大尺度逐級加高的需求，同時考慮到經(jīng)濟(jì)性及施工方便性，最終針對四（SB）級波形梁護(hù)欄采用增設(shè)套管的方法進(jìn)行加高。

表1 幾種加高方法對比Tab.1 Comparison of several heightening methods

1.2 套管的選擇

套管可分為內(nèi)套管和外套管，如圖1 所示，為了達(dá)到相同的抗彎性能，套管的截面系數(shù)不小于原立柱截面系數(shù)。

圖1 套管加高法Fig.1 Casing heightening method

若采用外套管，則原始防阻塊尺寸過小，無法連接，需要重新更換防阻塊，因此采用內(nèi)套管進(jìn)行加高。此時內(nèi)套管與防阻塊存在間隙，在其中增加墊片以滿足結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。但由于內(nèi)套管和立柱重疊區(qū)域的截面模量相當(dāng)于套管處截面模量的兩倍，造成剛度突變，可能會對護(hù)欄的防護(hù)性能造成影響，下文會進(jìn)一步驗證。

2 加高結(jié)構(gòu)的確定

對于四（SB）級波形梁護(hù)欄下部柱腳錨固情況，立柱加高后波形梁中心高度距離地面依舊為697mm，碰撞位置沒有變，因此力臂不變，這樣柱腳彎矩與原始護(hù)欄相同，本篇論文不進(jìn)行論證。

四（SB）級波形梁護(hù)欄原防阻塊孔距為10cm，最上端孔距頂面為6cm，在盡可能重復(fù)利用舊件的基礎(chǔ)上增設(shè)套管，則第一次加高高度為10cm，第二次加高高度為18cm，之后每次加高均可按照每隔4cm為一檔進(jìn)行加高。實際路面加鋪過程中，即使對路面多次加鋪罩面，最高加鋪尺寸也不會超過40cm，所以以加高高度42cm 為基礎(chǔ)，進(jìn)行套管的設(shè)計。

采用有限元仿真方法，以螺栓連接個數(shù)、套管尺寸、套管的插入深度與波形梁護(hù)欄防護(hù)性能關(guān)系為指標(biāo)，對加高結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，有限元仿真碰撞條件如表2 所示。因為三種車輛碰撞最不利車型為大貨車，因此確定指標(biāo)時采用大貨車作為主要評價依據(jù)。

表2 四（SB）級護(hù)欄碰撞條件Tab.2 Four（SB）level guardrail collision conditions

2.1 螺栓的連接

原始未加高結(jié)構(gòu)立柱與防阻塊采用兩個螺栓連接，為了保證波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)在連接處與原結(jié)構(gòu)具有相同的強(qiáng)度，四（SB）級波形梁護(hù)欄立柱與防阻塊采用兩個螺栓進(jìn)行連接。

原始立柱只開有兩個連接孔，孔距10cm，若立柱與套管采用兩個螺栓連接，則需要較復(fù)雜的套管結(jié)構(gòu)，不利于波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，所以采用一個螺栓進(jìn)行連接。通過仿真可以看出車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，采用一個螺栓連接可以滿足連接強(qiáng)度。

2.2 套管尺寸

采用套管和原立柱抗彎截面系數(shù)相當(dāng)?shù)脑瓌t確定套管的尺寸。四（SB）級立柱尺寸為130mm×130mm×6mm，抗彎截面模量W＝117605mm4，可采用尺寸為115mm×115mm×8mm、抗彎截面模量W＝114262mm4，尺寸為112mm×112mm×10mm、抗彎截面模量W＝127548mm4，尺寸為110mm ×110mm×10mm、抗彎截面模量W＝122424mm4三種規(guī)格形式的套管。對三種套管進(jìn)行碰撞仿真對比，車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，均未發(fā)生側(cè)翻。

對三種套管在應(yīng)用可行性、經(jīng)濟(jì)性和安全性方面進(jìn)行對比，如表3 所示。三種套管安全性均符合要求，115mm×115mm ×8mm 套管在安裝時與原立柱中的間隙較小，導(dǎo)致安裝不便；110mm ×110mm×10mm的套管則會出現(xiàn)立柱與套管間框量過大的情況導(dǎo)致加高結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定，最終選用112mm×112mm ×10mm 套管作為四（SB）級加高方案的套管。

表3 套管對比Tab.3 Casing comparison

2.3 套管插入深度

套管的插入深度影響著護(hù)欄的防護(hù)性能，插入深度過小，當(dāng)立柱與套管的連接螺栓在碰撞過程中斷裂時，易造成套管的脫出，從而造成車輛的翻越。

當(dāng)護(hù)欄加高42cm 時，套管插入深度最小為200mm。對插入深度分別為200mm、210mm、220mm、230mm 的加高結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析，對比不同插入深度對護(hù)欄防護(hù)性能的影響。通過仿真可以看出，四種不同插入深度均可滿足護(hù)欄的防護(hù)需求，插入深度為210mm 和220mm時，大型貨車側(cè)傾角度較小。

小型客車速度和加速度情況如表4 所示。

表4 不同插入深度小型客車速度和加速度情況Tab.4 Speed and acceleration of small passengercars with different insertion depths

乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m／s2，乘員碰撞后速度的縱向和橫向分量均不大于12m／s。四種插入深度中，220mm 和230mm的X方向和Y方向加速度和速度相對較小，從節(jié)約材料和護(hù)欄防護(hù)性能方面綜合考慮，插入深度選取220mm，以此來確定套管的總長度。

2.4 套管最終結(jié)構(gòu)

通過對比幾種套管的結(jié)構(gòu)尺寸和插入深度，最終選用112mm ×112mm × 10mm 套管作為四（SB）級加高方案的套管，并且根據(jù)節(jié)約造價的原則，插入深度選取220mm。根據(jù)防阻塊結(jié)構(gòu)結(jié)合不同檔位對套管進(jìn)行開孔設(shè)計，套管的最終結(jié)構(gòu)如圖2 所示，滿足加高的要求。由于套管和防阻塊間存在間隙，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，需要增加墊片進(jìn)行補(bǔ)償，四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 套管結(jié)構(gòu)Fig.2 Casing structure

圖3 四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)Fig.3 Four（SB）level corrugated beam guardrail heightening structure

3 計算機(jī)仿真分析

根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JT／GB 05-01—2013）中四（SB）級護(hù)欄碰撞條件建立四（SB）級波形梁護(hù)欄最終結(jié)構(gòu)的小型客車、大型客車和大型貨車的碰撞計算機(jī)仿真模型，碰撞條件見表2。

3.1 護(hù)欄的防護(hù)性能

三種車型碰撞護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)后，三種車輛的碰撞護(hù)欄后的行駛軌跡如圖4 所示，小客車碰撞后乘員加速度和碰撞速度如圖5 所示，可以看出護(hù)欄對車輛均可有效防護(hù)，護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)各項性能滿足要求。

圖4 車輛碰撞軌跡Fig.4 Vehicle collision trajectory

圖5 乘員碰撞加速度和速度曲線Fig.5 Crash acceleration and velocity curves

3.2 立柱-套管連接性能

由于立柱和套管連接處的截面模量是套管截面模量的2 倍，會出現(xiàn)剛度突變，從而導(dǎo)致立柱-套管的變形突變。通過分析護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況發(fā)現(xiàn)并未產(chǎn)生突變的變形，表明套管尺寸選擇合理。護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管的變形情況如圖6 所示。

圖6 護(hù)欄碰撞區(qū)域立柱-套管變形情況Fig.6 Column-casing deformation in the collision area of the guardrail

3.3 螺栓連接性能

立柱與套管連接螺栓為4.8 級M20 螺栓，其保證載荷為78000N，三種車輛螺栓最大剪切力見表5，套管-防阻塊連接螺栓所受最大剪力不超過保證載荷，不存在斷裂情況。

表5 螺栓剪切力Tab.5 Bolt shear force

雖然立柱-套管連接螺栓存在螺栓剪切斷裂的情況，但根據(jù)車身姿態(tài)可以看出車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，斷裂螺栓不影響護(hù)欄防護(hù)性能。

綜上所述，采用112mm ×112mm ×10mm 的套管，插入深度為220mm時，波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）要求，防護(hù)等級達(dá)到四（SB）級。

4 實車足尺碰撞試驗

根據(jù)設(shè)計的加高結(jié)構(gòu)護(hù)欄尺寸，按照1∶1修建了70m試驗護(hù)欄，根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）規(guī)定，每種護(hù)欄均需采用小型客車、大型客車、大型貨車三種車型進(jìn)行評價，碰撞位置為距離碰撞起點1／3 處，實車足尺碰撞試驗條件見表2。

4.1 護(hù)欄的導(dǎo)向功能

圖7 為三種車輛碰撞護(hù)欄行駛軌跡，護(hù)欄對車輛可進(jìn)行有效導(dǎo)向，滿足規(guī)范要求。

圖7 三種車輛碰撞護(hù)欄行駛軌跡Fig.7 Three types of vehicle trajectories

4.2 護(hù)欄的緩沖功能

車輛緩沖的評價指標(biāo)為乘員碰撞速度和乘員碰撞后的加速度，其值如表6 所示?？梢娮o(hù)欄對車輛可進(jìn)行有效緩沖，滿足規(guī)范要求。

表6 小型客車碰撞試驗緩沖性能評價Tab.6 Cushion performance evaluation of small passenger car crash test

4.3 螺栓連接性能

三種車輛在實車足尺碰撞試驗中立柱套管雖有不同程度的倒伏，但斷裂的螺栓均在套管與防阻塊連接位置，立柱套管連接螺栓沒有斷裂，如圖8 所示，車輛可以平穩(wěn)導(dǎo)出，說明加高結(jié)構(gòu)可以滿足安全性能要求。

圖8 實車足尺碰撞試驗螺栓情況Fig.8 Bolts in full-scale crash test of real vehicles

綜上，護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均符合《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013），護(hù)欄強(qiáng)度滿足大型客車和大型貨車的防護(hù)需求，且未對小型客車造成絆阻現(xiàn)象，該護(hù)欄防護(hù)能力達(dá)到四（SB）級。

5 結(jié)論

本文采用計算機(jī)仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，提出了可逐級加高、最高加高42cm 的通用加高結(jié)構(gòu)，加高結(jié)構(gòu)各項指標(biāo)均滿足《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）的要求，具體結(jié)論如下：

1.采用增設(shè)立柱的方式，并在套管上開設(shè)逐級加高孔，可以實現(xiàn)四（SB）級波形梁護(hù)攔逐級加高的目的。

2.立柱與套管、套管與防阻塊上均采用一個螺栓連接，不會影響車輛駛出，可以滿足導(dǎo)向功能的要求。

3.通過選取合適的套管截面尺寸，可避免立柱與套管在連接時出現(xiàn)安裝不便或間隙過大的情況，從而影響四（SB）級波形梁護(hù)欄的防護(hù)性能。

4.通過選取合適的套管插入深度，可以提升四（SB）級波形梁護(hù)欄加高結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性，同時還可以滿足護(hù)欄的安全性。