基于兩波板再利用的公路中央分隔帶開口護(hù)欄開發(fā)研究

邰永剛，楊 杰

（1.北京交科公路勘察設(shè)計研究院有限公司，北京；2.福建省高速技術(shù)咨詢有限公司，福建 福州）

引言

中央分隔帶開口護(hù)欄是設(shè)置于公路中央分隔帶開口處、具有開啟功能的公路護(hù)欄結(jié)構(gòu)段，其主要功能是在緊急情況下方便一些特殊車輛（如交通事故處理車、急救車等）行駛到對向車道，或在一側(cè)道路施工封閉時車輛可臨時進(jìn)入對向車道通行?，F(xiàn)行《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》[1]中對開口護(hù)欄的防護(hù)等級、開啟時間以及過渡處理均提出了具體的要求，但沒有相應(yīng)的設(shè)計圖參考，因此目前公路上出現(xiàn)了多種不同結(jié)構(gòu)形式、不同等級的開口護(hù)欄。目前的開口護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式主要包括預(yù)應(yīng)力式、框架式、組合式等等，防護(hù)等級涵蓋Am 到SAm 多個等級。開口護(hù)欄的結(jié)構(gòu)基本是以鋼管預(yù)應(yīng)力索以及三波板橫梁、型鋼橫梁為主要材料，而高速公路在進(jìn)行護(hù)欄提質(zhì)升級改造過程中，由于兩波梁護(hù)欄已無法滿足現(xiàn)行規(guī)范的防護(hù)等級要求，目前采用的主要方法是對原護(hù)欄材料進(jìn)行應(yīng)用，應(yīng)用較多的是雙層兩波梁護(hù)欄方案，例如石安高速護(hù)欄采用的3 mm 雙層兩波護(hù)欄，其最終檢測護(hù)欄的防護(hù)能量為147 kJ[2]；交通部西部課題《高速公路波形護(hù)欄防撞能力提升改造技術(shù)研究》中，研究了雙層雙波形梁板方案，該方案預(yù)留1 次路面加鋪的需求，防護(hù)能量達(dá)到160 kJ 以上[3]，另外團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)《高速公路護(hù)欄改造技術(shù)指南》[4]中也提供了多種波形梁護(hù)欄防護(hù)能力提升方案，由于部分公路在進(jìn)行護(hù)欄改造中淘汰的兩波板數(shù)量巨大，而高速公路、一級公路中央分隔帶開口護(hù)欄需求較多，因此考慮將舊兩波板應(yīng)用到開口護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，本文根據(jù)開口護(hù)欄的功能需求、結(jié)構(gòu)需求以及舊兩波板護(hù)欄材料現(xiàn)狀，設(shè)計一種雙層兩波板開口護(hù)欄，其防護(hù)等級達(dá)到現(xiàn)行規(guī)范的Am 級。

1 需求及現(xiàn)狀分析

1.1 開口護(hù)欄功能需求及評價標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計規(guī)范》要求，開口護(hù)欄應(yīng)具備的功能包括以下幾個方面：

（1） 應(yīng)有效地組織非緊急車輛在中央分隔帶開口處的通行。

（2） 中央分隔帶開口護(hù)欄應(yīng)方便開啟與關(guān)閉、具有可移動性，宜在10 min 內(nèi)開啟10 m 及以上的長度。

（3） 應(yīng)與相鄰中央分隔帶護(hù)欄能合理過渡。

（4） 中央分隔帶開口處活動護(hù)欄的兩固定端安裝應(yīng)牢固，連接部分應(yīng)具有防盜功能。

從上述要求分析，開口護(hù)欄應(yīng)具備在緊急情況下可快速開啟，而在常態(tài)情況下應(yīng)保持關(guān)閉且具備防盜功能，開口護(hù)欄要與兩側(cè)連接的正常段護(hù)欄有效過渡，從而降低車輛碰撞中央分隔帶護(hù)欄段部導(dǎo)致絆阻的事故隱患。

而根據(jù)《公路護(hù)欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》[5]要求，開口護(hù)欄應(yīng)具備的防護(hù)功能包括：阻擋功能、緩沖功能以及導(dǎo)向功能，開口護(hù)欄的碰撞點(diǎn)均應(yīng)位于中央分隔帶開口護(hù)欄中點(diǎn)和沿試驗(yàn)車輛行車方向距離中央分隔帶開口護(hù)欄終點(diǎn)2 m 位置處，因此開口護(hù)欄的防護(hù)性能驗(yàn)證需要進(jìn)行6 次實(shí)車碰撞試驗(yàn)檢測。

1.2 舊護(hù)欄現(xiàn)狀

舊護(hù)欄材料在使用一段時間后由于受氣候、碰撞等影響可能出現(xiàn)材料性能下降的問題，為驗(yàn)證舊護(hù)欄材料的可靠性，選取了我國南方沿海省份浙江省，北方地區(qū)的山東省以及內(nèi)陸運(yùn)營環(huán)境較差（運(yùn)煤通道）的山西為研究對象，對其已營運(yùn)高速公路上的護(hù)欄材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)檢測，以確定其材料性能在何種情況下可以滿足使用要求。選取護(hù)欄立柱、兩波板、防阻塊等構(gòu)件進(jìn)行檢測，每種材料檢測三次，取平均值。所選取護(hù)欄的樣品材料使用期限超過10 年，且材料無明顯銹蝕現(xiàn)象，鍍鋅層厚度可小于建設(shè)起標(biāo)準(zhǔn)，但外觀應(yīng)保持完好。

從表1 的檢測結(jié)果分析，護(hù)欄材料在鍍鋅層沒有明顯破壞的條件下，其材料的屈服強(qiáng)度以及抗拉強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)Q235 材料相比變化不大，材料仍能保持較好的強(qiáng)度和延伸率，從數(shù)據(jù)分析中可以認(rèn)為，這些護(hù)欄材料在公路上拆除后仍然可以回收利用。

表1 不同地域護(hù)欄材料拉伸試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計

結(jié)合公路波形梁護(hù)欄改造方案研究，為最大程度的利用原有護(hù)欄構(gòu)件，開口護(hù)欄仍采用雙層兩波板護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計，由于護(hù)欄板長度為標(biāo)準(zhǔn)板，長度為4 320 mm，因此立柱間距根據(jù)橫梁長度設(shè)置，標(biāo)準(zhǔn)段長度為4 000 mm，共設(shè)置3 根立柱，路面預(yù)埋套筒，深度不小于30 cm。立柱采用外套管的形式與六角形防阻塊連接，防阻塊與護(hù)欄板連接。護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段兩波板兩端采用了傳統(tǒng)護(hù)欄的拼接連接，下層防阻塊底部設(shè)置支架和萬向輪，以使護(hù)欄方便移動。

建立該護(hù)欄的仿真計算模型，如圖1 所示，分別采用中型客車、中型貨車以及小型客車對護(hù)欄防護(hù)性能進(jìn)行分析，考慮到過渡位置的護(hù)欄剛度較大，在進(jìn)行初步結(jié)構(gòu)設(shè)計時僅對碰撞護(hù)欄中部位置進(jìn)行驗(yàn)證。

圖1 護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段設(shè)計

驗(yàn)證結(jié)果顯示，護(hù)欄防護(hù)性能均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。中型客車碰撞時，護(hù)欄雖然能阻擋車輛，但由于防阻塊剛度較低，導(dǎo)致護(hù)欄變形量較大，車輛沿護(hù)欄爬升，翻車風(fēng)險增加，如圖2 所示。同時，雖然護(hù)欄采用護(hù)欄板搭接的方式提高了連接強(qiáng)度，但由于搭接方式采用了螺栓連接，打開、關(guān)閉時操作難度大，且開口護(hù)欄為雙向順搭設(shè)計，導(dǎo)致單節(jié)開口護(hù)欄無法平移，很難滿足護(hù)欄快速開啟的時間要求，需要對結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計。

圖2 大客車碰撞護(hù)欄防阻塊擠壓變形及車輛爬升

3 護(hù)欄防護(hù)性能優(yōu)化分析

根據(jù)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計分析結(jié)果，將立柱外套管的形式調(diào)整為套管與防阻塊一體化結(jié)構(gòu)，為降低防阻塊變形將其設(shè)計為楔形結(jié)構(gòu)，與護(hù)欄板直接連接。護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段兩端采用了對接連接，兩波板段部設(shè)置加強(qiáng)連接件，單側(cè)設(shè)置一個連接銷連接，以實(shí)現(xiàn)護(hù)欄可平移開啟，如圖3 所示，下層防阻塊底部設(shè)置支架和萬向輪，方便護(hù)欄移動。

圖3 護(hù)欄連接部設(shè)計

采用三種車型進(jìn)行碰撞仿真分析，驗(yàn)證結(jié)果顯示，各車型碰撞護(hù)欄中部位置后，護(hù)欄的阻擋、緩沖、導(dǎo)向功能均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求，中型客車及貨車碰撞時，碰撞區(qū)域立柱變形明顯，護(hù)欄連接部產(chǎn)生錯位，但護(hù)欄連接沒有失效。各車型碰撞距離護(hù)欄端部2 m 位置時，護(hù)欄過渡部分的各項功能也滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

根據(jù)仿真計算結(jié)果分析，該方案可作為實(shí)車碰撞試驗(yàn)推薦方案進(jìn)行試驗(yàn)。

4 實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 樣品安裝

該中央分隔帶開口護(hù)欄由護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)節(jié)、連接銷組成，開口護(hù)欄兩端與標(biāo)準(zhǔn)中央分隔帶護(hù)欄過渡連接。護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)節(jié)長4.32 m，單節(jié)立柱間距1.75 m；節(jié)間立柱間距0.82 m；其主要結(jié)構(gòu)件有厚度為4 mm 的兩波形梁板，φ140×4.5×1355（mm）插拔立柱，由厚度4.5 mm的折彎板、φ159×5.0（mm）支撐管及50×30×4（mm）方管腳輪支架組成的套管框架，以上鋼材材質(zhì)為Q235；連接銷為φ30×490（mm），材質(zhì)為45#鋼；護(hù)欄安裝總高度1.01 m，安裝寬度0.50 m，安裝長度42.88 m，安裝后樣品如圖4 所示。

圖4 護(hù)欄試驗(yàn)樣品安裝

4.2 碰撞護(hù)欄中部

車輛碰撞護(hù)欄過渡段后，均能安全駛出，沒有翻車、穿越、騎跨現(xiàn)象，車輛沒有駛出駛出框，小客車碰撞時車輛最大加速度值為橫向94.3 m/s2，最大碰撞速度為6.3 m/s，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。從碰撞結(jié)果看，小型客車在與開口發(fā)生碰撞后，護(hù)欄變形較小，但中型客車與貨車碰撞時，護(hù)欄變形較大，且護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段連接處出現(xiàn)了較為明顯的錯位現(xiàn)象，如圖5 所示，護(hù)欄各項評價指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求，如表2 所示。

圖5 護(hù)欄連接處錯位

表2 護(hù)欄變形試驗(yàn)結(jié)果

4.3 碰撞護(hù)欄端部

車輛碰撞護(hù)欄過渡段后，均能安全駛出，沒有翻車、穿越、騎跨現(xiàn)象，車輛沒有駛出駛出框，小客車碰撞時車輛最大加速度值為橫向140 m/s2，最大碰撞速度為6 m/s，滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。從碰撞結(jié)果看，護(hù)欄變形較為平順，各項評價指標(biāo)均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)要求。

結(jié)束語

基于公路護(hù)欄設(shè)置現(xiàn)狀，兩波板護(hù)欄在高等級公路中已逐漸被三波板護(hù)欄淘汰，本文以舊兩波板為基礎(chǔ)材料，研究了一種中央分隔帶開口護(hù)欄。通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，其防護(hù)等級達(dá)到了現(xiàn)行規(guī)范的Am級，可適用于高等級公路的中央分隔帶開口防護(hù)。該護(hù)欄結(jié)構(gòu)充分利用舊護(hù)欄構(gòu)件，避免了公路養(yǎng)護(hù)、改造中的材料浪費(fèi)，提高了公路養(yǎng)護(hù)、建設(shè)項目的綠色化進(jìn)程，有效降低了公路建養(yǎng)過程中的碳排放。