HA級三橫梁組合式橋梁護欄設(shè)計優(yōu)化

李勤策,龔 帥,喻丹鳳,楊福宇

（1.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心化湛管理處,廣東 廣州 524000;2.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100071）

HA級三橫梁組合式橋梁護欄設(shè)計優(yōu)化

李勤策1,龔 帥2,喻丹鳳1,楊福宇2

（1.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心化湛管理處,廣東 廣州 524000;2.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100071）

為提升一些特殊危險路段公路護欄對于大型車輛的防護能力，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合經(jīng)實車碰撞試驗驗證的某三橫梁組合式橋梁護欄結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化施工方便性與經(jīng)濟性，提出一種三橫梁組合式護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并采用有限元仿真的技術(shù)手段，對其安全防護性能進行分析，結(jié)果表明：優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有與通過碰撞試驗驗證的橋梁護欄相當(dāng)或略優(yōu)的安全性能指標(biāo)，防護等級可達到HA級。研究結(jié)果能夠在特殊危險路段對大型車輛形成良好防護，可有效降低由于大型運輸車輛穿越或翻越橋側(cè)護欄墜落橋下的事故嚴(yán)重程度。

橋梁護欄；實車碰撞試驗；防護等級；計算機仿真；安全性能

0 引言

在高速公路建設(shè)過程中，存在一些特殊危險路段，如跨越或途經(jīng)飲用水源、高速鐵路、加油站等路段，這些危險路段需要進行特殊防護。2013年底，《公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）（以下簡稱《評價標(biāo)準(zhǔn)》）頒布，將公路護欄的最高等級從SS級提高到HA級，極大提高了對特殊危險路段大型車輛的防護能力。某三橫梁組合式護欄通過實車碰撞試驗驗證防護能力達到了HA級，但是其加工和施工較為困難。以通過碰撞試驗的HA級三橫梁組合式護欄為基礎(chǔ)，建立有限元計算機仿真模型，通過實車碰撞試驗對仿真模型的準(zhǔn)確性進行驗證后，研究得到三橫梁組合式護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

1 規(guī)范規(guī)定

1.1 防護等級

為提高公路護欄在特殊危險路段的安全防護水平，2013年12月交通運輸部頒布了《評價標(biāo)準(zhǔn)》。《評價標(biāo)準(zhǔn)》的表3.0.1提出護欄標(biāo)準(zhǔn)段、護欄過渡段和中央分隔帶開口護欄的防撞等級按設(shè)計防護能力劃分為八級（見表1）[1]，相對于原來的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在《評價標(biāo)準(zhǔn)》中增設(shè)了HB級與HA級高防護等級，這兩種等級的護欄要求采用1.5 t小客車、25 t大客車、40 t整體貨車和55 t拖頭貨車對護欄進行系統(tǒng)碰撞分析（見圖1），大幅度提高了公路護欄對大型車輛的安全防護能力。

表1 護欄的防護等級[1]

圖1 HB與HA級護欄規(guī)定碰撞車型

1.2 碰撞條件

《評價標(biāo)準(zhǔn)》對護欄不同防護等級對應(yīng)的碰撞條件規(guī)定，HA級護欄碰撞條件見表2。

2 某三橫梁組合式橋梁護欄及優(yōu)化方案

2.1 某三橫梁組合式橋梁護欄

圖2為經(jīng)碰撞試驗驗證防護等級達到HA級的某三橫梁組合式橋梁護欄基本結(jié)構(gòu)[2-4]：護欄總高1.5 m；混凝土基座高550 mm，底寬500 mm，迎撞面采用改進型F坡面形式；上部金屬梁柱結(jié)構(gòu)高950 mm，由橫梁、立柱組成，橫梁呈上、中、下三排分布，橫梁凈間距為220 mm，下橫梁中心距混凝土基座頂面210 mm；立柱為人字形，由Q345B材質(zhì)鋼板焊接而成，立柱中心線間距為2 m；預(yù)埋螺栓型號為M30，錨固深度為430 mm。

表2 HA級護欄碰撞試驗條件[1]

圖2 某三橫梁組合式橋梁護欄基本結(jié)構(gòu)（單位：mm）

該三橫梁組合式橋梁護欄防護等級達到HA級，對于特殊危險路段大型車輛具有良好的防護效果，但是在實際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該護欄存在一些問題（見圖3）：立柱粗大，不符合“強梁弱柱”的設(shè)計理念；立柱不易加工，產(chǎn)生廢料，經(jīng)濟不佳；立柱安裝較為困難，施工費用高；不通透，景觀效果不佳?？梢娙龣M梁組合式橋梁護欄還具有較大優(yōu)化空間。

圖3 立柱加工和安裝困難

2.2 優(yōu)化方案

為提升上述三橫梁組合式橋梁護欄施工方便性和經(jīng)濟性，基于這種結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，提出三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化方案，如圖4所示，可見優(yōu)化方案在原三橫梁組合式橋梁護欄的基礎(chǔ)上僅將立柱改為斜H形立柱，并保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，其設(shè)計理念符合“強梁弱柱”的原則，同時這種立柱形式更易加工和安裝，且節(jié)省了材料量，又具有良好的抗彎性能和景觀效果。

圖4 三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3 優(yōu)化方案規(guī)范符合性分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，針對三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化方案的護欄高度、混凝土墻體坡面形式、金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接及橫梁凈距分別進行規(guī)范符合性分析。

3.1 護欄高度

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》（JTG/T D81—2006）（以下簡稱《設(shè)計細則》）對于HA級的橋梁組合式護欄高度尚未給出明確規(guī)定，根據(jù)理論分析和以往多次實車試驗驗證，優(yōu)化方案護欄高度采用1.5 m具有合理性，能夠保證護欄的安全防護性能，因此符合規(guī)范要求。

3.2 混凝土墻體坡面形式

根據(jù)《設(shè)計細則》第5.4.4條規(guī)定，組合式護欄的混凝土部分推薦采用改進型F坡面，如圖5所示，未經(jīng)試驗驗證，不得隨意改變護欄迎撞面的截面形狀[5]。優(yōu)化方案護欄混凝土墻體采用改進型坡面，符合規(guī)范要求。

3.3 金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接

金屬梁柱結(jié)構(gòu)與混凝土墻體通過地腳螺栓連接，兩者連接強度不僅與地腳螺栓強度有關(guān)，還與混凝土對地腳螺栓的錨固深度有關(guān)。優(yōu)化方案采用的10.9級M30高強螺栓及其預(yù)埋深度均符合《地腳螺栓（錨栓）通用圖》（HG/T 21545—2006）行業(yè)規(guī)范要求，且該螺栓強度及預(yù)埋深度可靠性已經(jīng)過碰撞試驗驗證。

圖5 組合式護欄推薦坡面形式（單位：mm）

3.4 橫梁凈距

根據(jù)《設(shè)計細則》第5.4.1條引入的美國橋梁護欄幾何尺寸的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁之間的凈距宜位于如圖6a所示的陰影區(qū)以內(nèi)或以下；與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁的總高度之和與立柱高度之比宜位于如圖6b所示的陰影區(qū)以內(nèi)或以上。優(yōu)化方案護欄橫梁之間的凈距與立柱的退后距離均位于如圖6a所示的陰影區(qū)內(nèi)三角形位置，可見屬于優(yōu)選方案；同時優(yōu)化方案與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁的總高度之和與立柱高度之比均位于如圖6b所示的陰影區(qū)內(nèi)三角形位置，屬于可選方案。綜上所述，優(yōu)化方案橫梁凈距符合規(guī)范要求。

通過與相關(guān)規(guī)范對比分析，優(yōu)化方案護欄總高度、混凝土墻體坡面形式、金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接、橫梁凈距均符合規(guī)范要求。

圖6 橋梁護欄構(gòu)件規(guī)格和設(shè)置位置的選取標(biāo)準(zhǔn)[5]

4 優(yōu)化方案安全性能評估

從安全角度出發(fā)，采用經(jīng)實車碰撞試驗驗證的計算機仿真模型對優(yōu)化方案護欄安全性能進行評估。

4.1 評估指標(biāo)

根據(jù)《評價標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對護欄進行安全性能評估的指標(biāo)包括阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能，以下為具體說明：

（1）阻擋功能指護欄應(yīng)阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，護欄構(gòu)件及其脫離碎片不得侵入車輛乘員艙[1]。

（2）緩沖功能指乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2[1]。

（3）導(dǎo)向功能指車輛碰撞護欄后不得翻車，運行軌跡在如圖7所示的導(dǎo)向駛出框內(nèi)不得越過直線F，其中參數(shù)A和B的取值規(guī)定見表3[1]。

圖7 車輛運行軌跡要求

4.2 評估方法

根據(jù)評估指標(biāo)，按如圖8所示的評估路線對三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化方案的安全防護性能進行評估。

4.3 仿真模型可靠性驗證

圖9為四種車型碰撞過程的仿真與試驗對比圖，可以看出仿真與試驗的四種車型行駛姿態(tài)基本相同，從車輛行駛姿態(tài)角度驗證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

表3 參數(shù)A和B的取值

圖8 評估路線圖

圖9某三橫梁組合式橋梁護欄碰撞過程仿真與試驗對比

圖10 為四種車型碰撞后某三橫梁組合式橋梁護欄變形的仿真與試驗結(jié)果對比圖，可以看出護欄整體變形情況相似，從護欄變形角度驗證了仿真模型的可靠性。

圖10 某三橫梁組合式橋梁護欄變形的仿真與試驗結(jié)果對比

建立的計算機仿真模型通過與大量碰撞試驗數(shù)據(jù)進行對比驗證，表明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化方案的安全性能評估奠定了基礎(chǔ)。

4.4 護欄安全性能評估

采用經(jīng)實車碰撞試驗驗證的高精度計算機仿真模型對優(yōu)化方案護欄進行仿真碰撞分析[6-9]，并將得到的仿真結(jié)果與某三橫梁組合式橋梁護欄仿真結(jié)果進行定性對比，以評估優(yōu)化方案的安全性能。

表4為四種車型碰撞優(yōu)化方案模型及某三橫梁組合式橋梁護欄模型過程，可見優(yōu)化方案護欄具有良好的阻擋功能，通過對比，可見與某三橫梁組合式橋梁護欄性能相當(dāng)，車輛均平穩(wěn)駛出，沒有出現(xiàn)穿越、翻越和騎跨護欄現(xiàn)象，碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)。

表5為小客車碰撞優(yōu)化方案護欄及某三橫梁組合式橋梁護欄的乘員碰撞速度與乘員碰撞后加速度的仿真結(jié)果對比，可見兩種護欄形式均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)對乘員碰撞速度不得大于12 m/s及乘員碰撞后加速度不得大于200 m/s2的要求。通過對比可見優(yōu)化方案護欄的緩沖功能優(yōu)于某三橫梁組合式橋梁護欄，說明優(yōu)化方案相對某三橫梁組合式橋梁護欄在保持橫梁剛度不變的情況下，通過適當(dāng)降低立柱剛度使護欄緩沖功能有所提升，同時也驗證了“強梁弱柱”設(shè)計理念的合理性。

表4 車輛碰撞護欄過程對比

表5 小客車碰撞護欄加速度值對比

表6為四種車型碰撞優(yōu)化方案護欄與某三橫梁組合式橋梁護欄的行駛軌跡圖，可見車輛碰撞護欄后行駛軌跡均滿足評價標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)向駛出框的要求，同時通過對車輛行駛軌跡進行對比分析，可以看出優(yōu)化方案護欄與某三橫梁組合式橋梁護欄的導(dǎo)向功能基本相當(dāng)。

表7為大型車輛碰撞后優(yōu)化方案護欄與某三橫梁組合式橋梁護欄的上部鋼結(jié)構(gòu)變形情況對比，可以直觀地看出優(yōu)化方案護欄上部鋼結(jié)構(gòu)變形比某三橫梁組合式橋梁護欄更加平順，再次驗證了“強梁弱柱”設(shè)計理念的合理性。

以上仿真結(jié)果分析表明，優(yōu)化方案護欄均具有與通過碰撞試驗驗證的某三橫梁組合式橋梁護欄相當(dāng)或略優(yōu)的安全性能指標(biāo)，防護等級可達到HA級；優(yōu)化方案符合“強梁弱柱”的設(shè)計理念是其安全性能指標(biāo)優(yōu)于通過HA級碰撞試驗護欄結(jié)構(gòu)

表6 車輛碰撞護欄過程行駛軌跡對比

表7 碰撞后護欄上部鋼結(jié)構(gòu)變形情況對比

的主要原因。

5 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合經(jīng)實車碰撞試驗驗證的某橋梁護欄結(jié)構(gòu)，提出三橫梁組合式橋梁護欄優(yōu)化方案，建立高精度計算機仿真模型，對優(yōu)化方案進行安全性能評估，結(jié)果表明三橫梁組合式橋梁護欄的防護等級達到HA級，可對特殊危險路段大型車輛進行有效防護，能夠有效降低由于大型運輸車輛穿越或翻越橋側(cè)護欄墜落橋下的概率，可在實際工程中推廣應(yīng)用。

[1]JTG B05-01—2013，公路護欄安全性能評價標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[2]龐杰,李雷,謝鵬.基于橋側(cè)護欄形式的中央分隔帶護欄結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化研究[J].公路工程,2017,42(2):33-37.

[3]蔡向陽.高防護等級景觀橋梁鋼護欄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與評價[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2015(8)：208-209,248.

[4]龔平,王新,王燕德.高防護等級橋梁鋼護欄景觀設(shè)計研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2016(3)：341-344.

[5]JTG/T D81—2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則[S]．

[6]閆書明,惠斌,李巍,等.基于碰撞分析的特高防撞等級橋梁護欄安全評價[J].特種結(jié)構(gòu),2010,27(1):66-70.

[7]侯德藻,袁玉波,楊曼娟,等.在用橋梁護欄安全性能改進方法研究[J].公路交通科技,2010,27(5):110-116.

[8]鄧向陽,歐陽浩,閆書明,等.橋梁護欄安全防護體系研究[J].城市道橋與防洪,2010(9):172-176.

[9]閆書明．有限元仿真方法評價護欄安全性能的可行性[J].振動與沖擊,2011,30(1):152-156．

U443.7

B

1009-7716（2017）12-0068-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.020

2017-08-22

李勤策（1981-），男，廣東臺山人，高級工程師，從事公路建設(shè)工作。