高速公路工作寬度受限護(hù)欄的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

亢寒晶，馬 晴，陽 初，宋慶慧

（1.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100070；2.深圳市城市交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究中心股份有限公司，廣東 深圳 518057；3.葛洲壩集團(tuán)交通投資有限公司山東區(qū)域運(yùn)營(yíng)管理中心，山東 濟(jì)南 250000）

0 引 言

為了更好地維護(hù)高速公路運(yùn)營(yíng)安全，高速公路兩側(cè)需設(shè)置護(hù)欄。合理設(shè)置的護(hù)欄結(jié)構(gòu)可降低事故傷害程度，挽救乘員生命。近年來，公路交通量不斷增加、交通組成越來越復(fù)雜、車速不斷提升且車輛大型化，使得很多高速公路對(duì)護(hù)欄的安全防護(hù)需求逐漸提高，原有的護(hù)欄已不滿足防護(hù)需求。另外，還有部分路段在護(hù)欄外側(cè)設(shè)置了較多的燈桿、標(biāo)志桿、門架等附屬設(shè)施，護(hù)欄需要在工作寬度受限的條件下對(duì)這些設(shè)施進(jìn)行防護(hù)；一些路段風(fēng)景優(yōu)美，對(duì)護(hù)欄有景觀協(xié)調(diào)、視線通透的要求，需要在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行特殊考慮。

依托某高速公路景觀設(shè)施品質(zhì)提升工程，考慮安全防護(hù)、工作寬度受限、景觀通透等要求，研究設(shè)計(jì)了適用于高速公路路基段的3 級(jí)（A 級(jí)）和4 級(jí)（SB 級(jí)）梁柱式鋼護(hù)欄并進(jìn)行應(yīng)用。

1 防護(hù)目標(biāo)

按照目前高速公路護(hù)欄的安全防護(hù)需求和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范[1-3]的規(guī)定，高速公路護(hù)欄最低防護(hù)等級(jí)為A 級(jí)，路基段一般采用A 級(jí)或SB 級(jí)即可滿足防護(hù)需求。應(yīng)用最多的是A 級(jí)和SB 級(jí)波形梁護(hù)欄，其碰撞條件[1]如表1 所示。在工作寬度受限條件下對(duì)護(hù)欄進(jìn)行安全性能評(píng)價(jià)時(shí)，除了阻擋功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能，還需對(duì)護(hù)欄變形和車輛外傾的指標(biāo)進(jìn)行考察。此外，為了在應(yīng)用時(shí)保持路段景觀協(xié)調(diào)，采購、加工、施工、安裝方便，2 種等級(jí)的護(hù)欄在結(jié)構(gòu)上應(yīng)具有一定的一致性。

表1 碰撞條件

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 形式選擇

護(hù)欄為保護(hù)背部設(shè)置的構(gòu)筑物，工作寬度受限[4]，因此需要選擇剛度較大的結(jié)構(gòu)，可選形式包括混凝土護(hù)欄、組合式護(hù)欄、梁柱式鋼護(hù)欄。鑒于對(duì)護(hù)欄景觀協(xié)調(diào)、視線通透的要求，選擇梁柱式鋼護(hù)欄。

2.2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

高速公路路基段護(hù)欄基礎(chǔ)可采用樁基礎(chǔ)和混凝土基礎(chǔ)[2-3]。梁柱式鋼護(hù)欄剛度較大，需要基礎(chǔ)提供一定的錨固力來保證梁柱式鋼結(jié)構(gòu)防護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)，因此提出一體式條形基礎(chǔ)：在土路基內(nèi)澆筑條形鋼筋混凝土，將標(biāo)準(zhǔn)段護(hù)欄通過法蘭錨固在條形基礎(chǔ)上。經(jīng)過仿真模擬發(fā)現(xiàn)，設(shè)置條形基礎(chǔ)的護(hù)欄在受到碰撞時(shí)基礎(chǔ)會(huì)順著碰撞力發(fā)生橫向移動(dòng)（見圖1（a）），護(hù)欄雖然能夠防護(hù)車輛碰撞，但發(fā)生位移較大，不適用于工作寬度受限路段，需要增加基礎(chǔ)的剛度。進(jìn)一步在條形基礎(chǔ)內(nèi)增設(shè)鋼管樁進(jìn)行固定，仿真模擬結(jié)果顯示基礎(chǔ)發(fā)生的位移大幅度減?。ㄒ妶D1（b）），因而確定采用該基礎(chǔ)型式。

圖1 車輛碰撞不同護(hù)欄仿真結(jié)果

2.3 立柱和總高度設(shè)計(jì)

梁柱式護(hù)欄多采用方型、H 型立柱和其他異形立柱，其中H 型立柱剛度與其他結(jié)構(gòu)更為協(xié)調(diào)，前翼板的設(shè)置也更容易進(jìn)行螺栓連接[5]。進(jìn)一步考慮結(jié)構(gòu)的美觀性，設(shè)計(jì)采用類H 型立柱，立柱間距2 m。

護(hù)欄總高度是護(hù)欄最關(guān)鍵的參數(shù)之一，設(shè)計(jì)規(guī)范[2-3]規(guī)定SB 級(jí)及以下防護(hù)等級(jí)的梁柱式鋼護(hù)欄總高度不應(yīng)小于1 m，SA 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄總高度不應(yīng)小于1.25 m。進(jìn)一步按照不同防護(hù)等級(jí)碰撞車輛條件和抗車輛傾覆的要求[1，3]，設(shè)計(jì)A 級(jí)結(jié)構(gòu)總高度1 m，SB 級(jí)結(jié)構(gòu)總高度1.15 m。

2.4 橫梁設(shè)計(jì)

橫梁安裝在立柱上，位于護(hù)欄前側(cè)，是直接承受碰撞的構(gòu)件，也是最能體現(xiàn)護(hù)欄整體線形、景觀效果的結(jié)構(gòu)。橫梁設(shè)計(jì)包括斷面形狀規(guī)格、橫梁的高度布置、橫梁與立柱之間的連接等方面[5-6]。

綜合構(gòu)件強(qiáng)度、抗彎能力和景觀效果的考慮，設(shè)計(jì)采用3 排140 mm（寬）×120 mm（高）×4 mm（厚）半橢圓空心鋼管[7]。梁柱式護(hù)欄的橫梁迎撞面宜與立柱保持一定的距離，若過近則車輛碰撞發(fā)生變形時(shí)局部構(gòu)件會(huì)從橫梁縫隙擠入并卡到立柱上發(fā)生絆阻[8]（見圖2）。為了減少絆阻情況的發(fā)生，在橫梁背部焊接寬度為110 mm 和170 mm 的防阻塊，防阻塊背部可通過螺栓與立柱連接，同時(shí)解決了橫梁安裝問題。

圖2 車輛與立柱發(fā)生絆阻

護(hù)欄最下排橫梁主要防護(hù)小客車，小客車車輪半徑一般為0.3～0.4 m，將最下排橫梁下沿高度設(shè)計(jì)為0.3 m，則中心高度為0.36 m。對(duì)于A 級(jí)結(jié)構(gòu)，將3排橫梁進(jìn)行均布，則中上橫梁中心高度分別為0.65 m、0.94 m。圖3 為小客車仿真碰撞結(jié)果，可見A 級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)小客車防護(hù)效果良好，護(hù)欄下橫梁變形最大。

圖3 A 級(jí)結(jié)構(gòu)小客車仿真碰撞

每排橫梁規(guī)格尺寸相同，即每排橫梁橫向承載力也相同。A 級(jí)結(jié)構(gòu)橫梁橫向承載力加權(quán)平均高度為（0.36+0.65+0.94）/3=0.65 m，大于設(shè)計(jì)規(guī)范[2-3]規(guī)定的0.6 m，滿足要求。大型車的仿真碰撞過程也順利通過，圖4 為護(hù)欄變形情況。由圖4 可見，護(hù)欄整體受力較為協(xié)調(diào)，中上橫梁變形較大，因此對(duì)于大型車的防護(hù)中，上橫梁更為關(guān)鍵。

圖4 A 級(jí)結(jié)構(gòu)大型車仿真碰撞結(jié)果

對(duì)于SB 級(jí)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中下橫梁與A 級(jí)結(jié)構(gòu)相同，上橫梁按照總高度可得中心高度為1.09 m，銜接過渡時(shí)僅將上橫梁進(jìn)行漸變過渡即可。A 級(jí)結(jié)構(gòu)橫梁的強(qiáng)度表現(xiàn)較為合適，SB 級(jí)結(jié)構(gòu)對(duì)防護(hù)能量的要求則顯著增加，需要進(jìn)一步考察橫梁承載力。計(jì)算得到SB 級(jí)結(jié)構(gòu)橫梁橫向承載力加權(quán)平均高度為（0.36+0.65+1.09）/3=0.7 m，等于設(shè)計(jì)規(guī)范[2-3]規(guī)定的0.7 m，滿足要求；仿真碰撞結(jié)果顯示SB 級(jí)結(jié)構(gòu)雖然能成功防護(hù)車輛碰撞，但上橫梁發(fā)生了較大變形破壞（見圖5（a））。將SB 級(jí)結(jié)構(gòu)上橫梁厚度由4 mm 增加到6 mm 的仿真結(jié)果見圖5（b），此時(shí)護(hù)欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到有效提高。綜上，確定的A 級(jí)和SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖見圖6，構(gòu)件規(guī)格尺寸見表2。

圖5 S B 級(jí)結(jié)構(gòu)大型車仿真碰撞結(jié)果

圖6 A 級(jí)和S B 級(jí)梁柱式護(hù)欄結(jié)構(gòu)圖（單位：mm）

表2 構(gòu)件規(guī)格尺寸

3 安全性能評(píng)價(jià)

3.1 阻擋和導(dǎo)向功能

按照碰撞條件組織實(shí)車碰撞試驗(yàn)[1]，對(duì)設(shè)計(jì)的A級(jí)和SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄安全性能進(jìn)行評(píng)價(jià)。表3 為車輛碰撞A 級(jí)和SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄過程，可看出2種護(hù)欄均能成功攔截車輛，車輛順利導(dǎo)出并恢復(fù)行駛狀態(tài)，輪跡在評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍內(nèi)，其阻擋功能、導(dǎo)向功能均滿足要求。

表3 車輛碰撞A 級(jí)和S B 級(jí)護(hù)欄過程

3.2 緩沖功能

表4 為小客車碰撞2 種護(hù)欄的乘員碰撞速度、乘員碰撞后加速度指標(biāo)值。由表4 可見，2 種護(hù)欄的緩沖功能均滿足要求。

表4 緩沖功能指標(biāo)

3.3 變形受限防護(hù)功能

在護(hù)欄背部設(shè)置構(gòu)筑物的路段，宜控制碰撞時(shí)的護(hù)欄變形和大型車輛外傾程度以保護(hù)護(hù)欄背部構(gòu)筑物（小客車碰撞不考察外傾情況）。如表5、表6 所示，試驗(yàn)測(cè)得A 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄的最大工作寬度為0.7 m，不及某A 級(jí)波形梁護(hù)欄最大工作寬度（1.45 m）的一半，車輛外傾程度也大幅度減??；SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄的最大工作寬度為1 m，大幅小于某SB 級(jí)波形梁護(hù)欄的最大工作寬度（1.85 m），車輛外傾程度同樣大幅度減小。因此，這2 種護(hù)欄更適用于工作寬度受限路段，可對(duì)護(hù)欄背部構(gòu)筑物形成保護(hù)。

表5 護(hù)欄試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 與波形梁護(hù)欄對(duì)比

4 工程應(yīng)用

A 級(jí)和SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄已投入到實(shí)際應(yīng)用。在加工廠內(nèi)進(jìn)行橫梁與防阻塊焊接時(shí)，需注意應(yīng)力形變，關(guān)注橫梁的垂直度并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整；現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)，注意保證鋼管埋入混凝土基礎(chǔ)內(nèi)深度。應(yīng)用照片如圖7 所示。由圖7 可見，護(hù)欄線形優(yōu)美、視線通透性好，已成功防護(hù)幾起交通事故，且護(hù)欄變形小、安全儲(chǔ)備高。

圖7 護(hù)欄應(yīng)用

5 結(jié) 語

按照部分高速公路路基段護(hù)欄工作寬度受限的條件，結(jié)合其景觀協(xié)調(diào)、視線通透、防護(hù)等級(jí)需求，進(jìn)行了護(hù)欄選型、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、立柱和高度設(shè)計(jì)、橫梁設(shè)計(jì)分析，得到了適用于高速公路工作寬度受限路基段景觀型A 級(jí)和SB 級(jí)梁柱式鋼護(hù)欄結(jié)構(gòu)；經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證了護(hù)欄安全性能滿足要求，較同等級(jí)波形梁護(hù)欄工作寬度和車輛外傾值大幅減小，適用于工作寬度受限路段；根據(jù)工程應(yīng)用及車輛碰撞護(hù)欄交通事故分析，2 種護(hù)欄具備較高的安全儲(chǔ)備，安全防護(hù)效果良好，可供類似工程參考。