橋梁中分帶SAm級混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

符秋生

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450）

橋梁中分帶SAm級混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化

符秋生

（廣東冠粵路橋有限公司，廣東 廣州 511450）

對原設(shè)計(jì)SAm級中分帶護(hù)欄的安全性進(jìn)行實(shí)車足尺試驗(yàn)，考核設(shè)計(jì)是否滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)安全等級，再對原配筋方案等進(jìn)行優(yōu)化以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性的要求。通過等強(qiáng)度原則對原設(shè)計(jì)中分帶護(hù)欄進(jìn)行優(yōu)化，并采用有限元仿真技術(shù)對優(yōu)化改進(jìn)后的設(shè)計(jì)按照規(guī)范的安全評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行安全性分析。結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的中分帶護(hù)欄既能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)強(qiáng)度等級，又具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。

中分帶護(hù)欄；優(yōu)化設(shè)計(jì)；計(jì)算機(jī)仿真；安全性評價(jià)；經(jīng)濟(jì)性評價(jià)

0 引言

混凝土護(hù)欄屬于剛性護(hù)欄結(jié)構(gòu)，車輛碰撞時(shí)基本不變形，主要通過坡面使車輛爬升（或傾斜）并轉(zhuǎn)向來吸收碰撞能量，從而達(dá)到有效保護(hù)乘員的效果[1]。

高速公路橋梁中分帶混凝土護(hù)欄是必不可少的交通安全防護(hù)設(shè)施[2]。若橋梁中分帶護(hù)欄防護(hù)能力不足，失控車輛易穿越或翻越中分帶進(jìn)入對向車道，引起多人傷亡的惡性二次交通事故。鑒于橋梁中分帶混凝土護(hù)欄的重要性，該結(jié)構(gòu)經(jīng)常被進(jìn)行加強(qiáng)設(shè)計(jì)，即增加混凝土護(hù)欄配筋量。這樣可以有效增加護(hù)欄的剛度，但是對于坡面和高度固定的混凝土護(hù)欄來說，剛度的過度增強(qiáng)對于其防護(hù)效果的提高并不明顯，反而造成鋼筋等材料的浪費(fèi)，增加道路建設(shè)的成本。因此，橋梁中分帶護(hù)欄在嚴(yán)格滿足設(shè)計(jì)安全防護(hù)等級的情況下，可以進(jìn)行護(hù)欄結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，以達(dá)到更好的的經(jīng)濟(jì)性。

以經(jīng)過實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)的橋梁混凝土護(hù)欄為依據(jù)，通過等強(qiáng)度理論對原設(shè)計(jì)的配筋方案進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提出高速公路橋梁中分帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。按照優(yōu)化方案建立計(jì)算機(jī)仿真模型，采用實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證其可靠性后，對優(yōu)化方案的安全防護(hù)性能進(jìn)行分析[3]。

1 原橋梁中分帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)

原高速公路原設(shè)計(jì)橋梁中分帶混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)防護(hù)能力為SAm級（400 kJ），如圖1所示。

圖1 SAm級橋梁混凝土護(hù)欄原設(shè)計(jì)斷面和配筋圖（單位：mm）

原橋梁中分帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)為：混凝土護(hù)欄路面以上有效高度為1 m；單側(cè)護(hù)欄頂寬20 cm、底寬45 cm，坡面為F型標(biāo)準(zhǔn)坡面形式；墻體鋼筋采用ф12和ф16兩種型號，ф12和ф16豎向鋼筋設(shè)置間距為167 mm，縱向ф12鋼筋數(shù)量為18根，預(yù)埋筋采用ф16型號的鋼筋，設(shè)置間距為167 mm；護(hù)欄采用現(xiàn)澆工藝施工。

2 廣清高速橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)和碰撞試驗(yàn)

2.1 護(hù)欄墻體結(jié)構(gòu)

廣州至清遠(yuǎn)高速公路（簡稱“廣清高速”）SAm級橋梁混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)為：混凝土護(hù)欄路面以上有效高度為1 m，頂寬為28 cm，低寬為43.2 cm，坡面形式為加強(qiáng)型標(biāo)準(zhǔn)坡面形式；護(hù)欄采用預(yù)制安裝方式施工，預(yù)制塊長度為5 m，預(yù)制塊縱向連接方式為背部型鋼連接；護(hù)欄墻體鋼筋采用ф12和ф16兩種型號，每塊護(hù)欄預(yù)制塊中豎向鋼筋設(shè)置間距為200 mm，縱向鋼筋數(shù)量為20根，護(hù)欄截面形式和配筋見圖2。

圖2 SAm級橋梁混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)斷面和配筋圖（單位：mm）

2.2 碰撞試驗(yàn)

按規(guī)范中確定的碰撞條件，分別用小客車、大客車和大貨車進(jìn)行實(shí)車足尺試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 實(shí)車足尺試驗(yàn)

通過實(shí)車足尺試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在三種碰撞條件下護(hù)欄與車輛發(fā)生碰撞后依然完好，車輛順利導(dǎo)出。護(hù)欄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求，能夠有效防護(hù)大型車輛，具備400 kJ的防護(hù)能力。

3 仿真模型及驗(yàn)證

根據(jù)以往試驗(yàn)碰撞條件，建立計(jì)算機(jī)仿真模型，采用實(shí)車碰撞試驗(yàn)檢測數(shù)據(jù)對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證[4-7]，為優(yōu)化方案安全防護(hù)性能評估奠定基礎(chǔ)。

圖4為三種車型碰撞過程的仿真與試驗(yàn)對比圖，可以看出仿真與試驗(yàn)的三種車型行駛姿態(tài)基本相同，從車輛行駛姿態(tài)和重心加速度方面驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖4 三種車型碰撞護(hù)欄過程仿真與試驗(yàn)對比

圖5 為鋼筋混凝土護(hù)欄仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比，可見仿真和試驗(yàn)的護(hù)欄裂縫及損壞程度基本一致，驗(yàn)證了鋼筋混凝土護(hù)欄仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖5 混凝土護(hù)欄仿真與試驗(yàn)對比圖

通過以上護(hù)欄碰撞試驗(yàn)與仿真計(jì)算的結(jié)果對比可知，仿真模型具有較高的可靠性。

③由“今天子咸通五年，公為御史大夫，自始去襄，于茲六年矣”，推知“咸通五年”之六年前為大中十四年（公元860年），如此則引文中“四十年”為“十四年”之誤。

4 護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)方案及仿真

4.1 護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

從安全性、經(jīng)濟(jì)性、規(guī)范符合性的角度出發(fā)，基于橋梁段中分帶混凝土護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)，通過等強(qiáng)度原則對原護(hù)欄設(shè)計(jì)中墻體配筋形式及鋼筋型號進(jìn)行合理優(yōu)化，用HRB400鋼筋等強(qiáng)替換原設(shè)計(jì)HRB335鋼筋。

依據(jù)“廣清高速橋梁護(hù)欄”墻體結(jié)構(gòu)對橋梁中分帶混凝土護(hù)欄原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化：將原護(hù)欄F型坡面優(yōu)化為加強(qiáng)型，將護(hù)欄墻體內(nèi)鋼筋型號ф12和ф16優(yōu)化為12，單側(cè)縱向鋼筋數(shù)量由20根優(yōu)化為16根；將原設(shè)計(jì)翼緣板預(yù)埋鋼筋型號由14優(yōu)化為16，預(yù)埋鋼筋間距由100 mm優(yōu)化為200 mm，優(yōu)化后的橫截面圖和配筋圖見圖6。

圖6 優(yōu)化后的護(hù)欄橫截面和配筋圖（單位：mm）

4.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的計(jì)算機(jī)仿真

橋梁中分帶混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)優(yōu)化為加強(qiáng)型迎撞面，同時(shí)減少了鋼筋的數(shù)量，增加了縱向鋼筋的設(shè)置間距，因此需要按照優(yōu)化后的護(hù)欄斷面尺寸、鋼筋型號和數(shù)量及相應(yīng)材料參數(shù)建立計(jì)算機(jī)仿真模型。采用三種不同車型的車輛進(jìn)行安全性能分析。碰撞條件參照現(xiàn)行規(guī)范《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D81—2006）中規(guī)定，確定碰撞條件見表1。

表1 碰撞條件

根據(jù)《高速公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG/TF83—2004）對車輛碰撞后行駛姿態(tài)指標(biāo)規(guī)定，評定優(yōu)化方案的安全性能是否滿足要求。

4.2.1 小客車碰撞計(jì)算機(jī)仿真

圖7 小客車碰撞仿真結(jié)果

通過以上分析，可見小客車碰撞優(yōu)化后橋梁段中分帶混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2.2 大客車碰撞計(jì)算機(jī)仿真

仿真結(jié)果如圖8顯示：大客車碰撞護(hù)欄過程中，車輛行駛姿態(tài)良好，車輛碰撞后的輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。

圖8 大客車碰撞仿真

通過以上分析，可見大客車碰撞優(yōu)化后橋梁段中分帶混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.2.3 大貨車碰撞計(jì)算機(jī)仿真

仿真結(jié)果如圖9顯示：大貨車碰撞護(hù)欄過程中，車輛行駛姿態(tài)良好，車輛碰撞后的輪跡滿足導(dǎo)向駛出框要求。

圖9 大貨車碰撞仿真結(jié)果

通過以上分析，可見大貨車碰撞優(yōu)化后橋梁段中分帶混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)等級的安全標(biāo)準(zhǔn)。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)中建筑材料的消耗量是重要的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，原設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案的材料用量對比見表2。

表2 材料用量對比（每公里）

通過材料用量對比表2可以看出，由于優(yōu)化后橋梁中分帶混凝土護(hù)欄較原設(shè)計(jì)橋梁中分帶混凝土護(hù)欄的截面尺寸略有調(diào)整，配筋方案不同，混凝土和鋼筋的用量均有變化，其中優(yōu)化設(shè)計(jì)后雙側(cè)每延公里C30混凝土用量增加了6 m3，不到原設(shè)計(jì)的1%，但節(jié)省鋼筋用量約57 t，約占原設(shè)計(jì)的36.9%。若C30混凝土單價(jià)按400元/m3計(jì)，鋼筋單價(jià)按4 000元/t計(jì)，則優(yōu)化后橋梁中分帶混凝土護(hù)欄雙側(cè)每延公里均可節(jié)省工程造價(jià)約22萬元。

6 結(jié)論

通過對高速橋梁中分帶護(hù)欄優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出了鋼筋量優(yōu)化護(hù)欄結(jié)構(gòu)，根據(jù)計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果，小客車、大客車、大貨車三種車型對優(yōu)化護(hù)欄方案碰撞的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。研究成果已成功在高速橋梁路段應(yīng)用，在不降低護(hù)欄安全防護(hù)能力的基礎(chǔ)上，極大地節(jié)約了道路建設(shè)成本，能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

[1]JTG/T D81—2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S].．

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

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

[4]閆書明,包琦瑋,惠斌,等.整體貨車和拖頭貨車碰撞護(hù)欄分析[J].特種結(jié)構(gòu),2011,28(1)：82-85.

[5]閆書明.有限元仿真方法評價(jià)護(hù)欄安全性能的可行性[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(1)：152-156．

[6]周煒,張?zhí)靷b,崔海濤,等.轎車與公路護(hù)欄碰撞的有限元仿真[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(3)：298-303.

[7]閆書明.防撞活動(dòng)護(hù)欄碰撞分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2013,37(5)：1046-1050.

U443.7

B

1009-7716（2016）05-0116-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.032

2015-12-29

符秋生（1965-），男，廣東雷州人，副總經(jīng)理，高級工程師，長期從事高速公路建設(shè)管理工作。