在役舊橋梁組合式護(hù)欄升級(jí)改造研究

龔帥，劉航，鄧寶，亢寒晶，王新，閆書明

(1.北京華路安交通科技有限公司，北京市 100070；2.山東高速股份有限公司)

中國(guó)在役舊橋梁組合式護(hù)欄大多是按照94版公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范(已廢止，簡(jiǎn)稱“94規(guī)范”)進(jìn)行修建，早期由于公路交通量較小、車型較為單一，該結(jié)構(gòu)護(hù)欄可以滿足當(dāng)時(shí)的安全運(yùn)營(yíng)需求，在較長(zhǎng)一段時(shí)期為保護(hù)道路運(yùn)營(yíng)安全發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，但是隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，公路交通流量大幅度提升，同時(shí)運(yùn)營(yíng)車輛的車重、車速和復(fù)雜程度逐漸增加，這些在役舊橋梁組合式護(hù)欄已不能滿足當(dāng)前安全防護(hù)要求，存在一定風(fēng)險(xiǎn)隱患，有必要對(duì)其進(jìn)行提升安全性能研究。該文采用計(jì)算機(jī)仿真模擬和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)相結(jié)合的技術(shù)手段，對(duì)在役舊橋梁組合式護(hù)欄防護(hù)能力進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上，基于再利用提出升級(jí)改造方案，并利用經(jīng)過驗(yàn)證的仿真模型對(duì)改造方案進(jìn)行安全性能評(píng)估。

1 原護(hù)欄防護(hù)能力碰撞分析

1.1 原護(hù)欄結(jié)構(gòu)

圖1為在役舊橋梁組合式護(hù)欄典型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)按“94規(guī)范”屬于PL3級(jí)，與現(xiàn)行設(shè)計(jì)規(guī)范中SB級(jí)防護(hù)等級(jí)接近。該護(hù)欄總高度約為1 m，上部是由鑄鋼立柱和圓管橫梁組成的鋼結(jié)構(gòu)，下部是新澤西坡面形式的鋼筋混凝土基座。

1.2 有限元模型建立及試驗(yàn)護(hù)欄建造

根據(jù)在役舊橋梁組合式護(hù)欄典型結(jié)構(gòu)，建立橋梁護(hù)欄有限元模型，長(zhǎng)度為40 m。護(hù)欄型鋼部分與混凝土基座部分各采用四邊形殼單元和六面體單元進(jìn)行模擬，鋼筋采用梁?jiǎn)卧M。圖2為建立的橋梁組合式護(hù)欄模型。

圖1 在役舊橋梁組合式護(hù)欄典型結(jié)構(gòu)(單位：mm)

圖2 有限元仿真模型

按1∶1結(jié)構(gòu)尺寸和設(shè)計(jì)材料型號(hào)在碰撞試驗(yàn)廣場(chǎng)上建造橋梁組合式試驗(yàn)護(hù)欄，護(hù)欄總長(zhǎng)為40 m，如圖3所示。

1.3 仿真模擬與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果

按照四(SB)級(jí)碰撞條件中的10 t大型車(包含大

圖3 試驗(yàn)護(hù)欄

型巴士和大型卡車)以80 km/h的速度，20°碰撞角，碰撞能量280 kJ，進(jìn)行車輛碰撞護(hù)欄的仿真模擬和實(shí)車碰撞試驗(yàn)，驗(yàn)證護(hù)欄實(shí)際防護(hù)能力。

圖4為大客車以相應(yīng)碰撞條件碰撞橋梁組合式護(hù)欄計(jì)算機(jī)仿真模擬與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，碰撞過程中車身發(fā)生傾斜，最后車輛側(cè)翻，不滿足護(hù)欄對(duì)車輛碰撞防護(hù)性能的要求；通過對(duì)比兩組碰撞分析結(jié)果，可以看到仿真與試驗(yàn)的碰撞過程車身姿態(tài)基本一致。

圖4 大客車碰撞原護(hù)欄結(jié)構(gòu)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

圖5為大貨車以相應(yīng)碰撞條件碰撞橋梁組合式護(hù)欄計(jì)算機(jī)仿真模擬與實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果，車輛在碰撞過程中車身嚴(yán)重傾斜，上部橫梁插入車體，最后發(fā)生絆阻，不滿足護(hù)欄對(duì)車輛碰撞防護(hù)性能的要求；通過對(duì)比兩組結(jié)果，可以看到仿真與試驗(yàn)的碰撞過程車身姿態(tài)十分接近。

圖5 大貨車碰撞原護(hù)欄結(jié)構(gòu)仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過以上碰撞分析可知，原橋梁組合式護(hù)欄達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求的橋梁護(hù)欄最低防護(hù)等級(jí)SB級(jí)要求；通過仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算機(jī)仿真模型的可靠性與準(zhǔn)確性。

2 基于原護(hù)欄升級(jí)改造方案

從綠色循環(huán)利用的設(shè)計(jì)理念出發(fā)，結(jié)合安全性與施工方便性，提出3種改造方案。

2.1 鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案

拆除原橋梁組合式護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)，在原護(hù)欄的混凝土墻體上方和背部植螺栓，以H形鋼作為立柱，通過混凝土墻體背部螺栓和L形連接板錨固在混凝土墻體背部，通過螺栓在背部立柱上方安裝防阻塊，通過焊接連接防阻塊與方管橫梁，護(hù)欄整體有效高度為1.3 m。鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案的設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為五(SA)級(jí)(設(shè)計(jì)防護(hù)能量400 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案(單位：mm)

2.2 植筋加高式改造方案

拆除橋梁組合式護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)，在混凝土墻體上設(shè)置混凝土加高段，加高段的豎向鋼筋采用植筋方式錨固于原護(hù)欄混凝土墻體內(nèi)，在加高段混凝土上方設(shè)置阻爬坎。設(shè)計(jì)加高段墻體的迎撞側(cè)植筋采用φ16鋼筋，背部植筋、其他豎向鋼筋以及縱向配筋均為φ12鋼筋，間距設(shè)計(jì)為18 cm，鋼筋全部采用三級(jí)鋼筋。護(hù)欄路面以上有效高度為1.1 m。植筋加高式改造方案的設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為六(SS)級(jí)(設(shè)計(jì)防護(hù)能量520 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖7所示。

2.3 包封式改造方案

拆除原上部鋼結(jié)構(gòu)，在原混凝土墻體頂部植筋，鑿開原混凝土墻體底部露出原護(hù)欄筋，與包封筋焊接，再按改造后輪廓綁筋，將原混凝土墻體迎撞面由新澤西坡面更新為規(guī)范中的加強(qiáng)型坡面。根據(jù)以往護(hù)欄設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)新澆筑墻體迎撞側(cè)植筋采用φ16鋼筋，背部植筋、其他豎向鋼筋以及縱向配筋均為φ12鋼筋，間距設(shè)計(jì)為18 cm，鋼筋全部采用三級(jí)鋼筋。護(hù)欄路面以上有效高度為1.1 m。包封式改造方案的設(shè)計(jì)防護(hù)等級(jí)為六(SS)級(jí)(設(shè)計(jì)防護(hù)能量520 kJ)，結(jié)構(gòu)如圖8所示。

圖7 植筋加高式改造方案(單位：mm)

圖8 包封式改造方案(單位：mm)

3 改造方案防護(hù)能力評(píng)估

基于已驗(yàn)證的有限元仿真模型，按照現(xiàn)行評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)相應(yīng)碰撞條件的規(guī)定，建立仿真模型對(duì)3種改造方案的防護(hù)能力進(jìn)行評(píng)估。

3.1 鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案評(píng)估結(jié)果

圖9為車輛碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案的仿真結(jié)果，由圖9可見護(hù)欄能夠有效防止小客車、大客車和大貨車翻越和跨過護(hù)欄，并能夠?qū)囕v進(jìn)行有效吸能和導(dǎo)正。

圖9 車輛碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表1為完整的鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案的防護(hù)能力評(píng)估結(jié)果。

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案，仿真結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)五(SA)級(jí)要求，防護(hù)能量達(dá)到400 kJ。

表1 鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案評(píng)估結(jié)果

3.2 植筋加高式改造方案評(píng)估結(jié)果

圖10為車輛碰撞植筋加高式改造方案的仿真結(jié)果，由圖10可見護(hù)欄能夠有效攔截車輛，并能夠?qū)囕v進(jìn)行有效吸能和導(dǎo)正，未出現(xiàn)小客車、大客車或大貨車翻越和跨過護(hù)欄的現(xiàn)象。

表2為完整的植筋加高式改造方案的防護(hù)能力評(píng)估結(jié)果。

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞植筋加高式改造方案，仿真結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)六(SS)級(jí)要求，防護(hù)能量達(dá)到520 kJ。

圖10 車輛碰撞植筋加高式改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表2 植筋加高式改造方案評(píng)估結(jié)果

3.3 包封式改造方案評(píng)估結(jié)果

圖11為車輛碰撞包封式改造方案的仿真結(jié)果，由圖11可見護(hù)欄能夠有效阻擋車輛，并對(duì)其進(jìn)行有效緩沖和導(dǎo)向，未出現(xiàn)車輛翻越和跨過護(hù)欄現(xiàn)象。

圖11 車輛碰撞包封式改造方案仿真結(jié)果(單位：m)

表3為包封式改造方案的防護(hù)能力評(píng)估結(jié)果。

表3 包封式改造方案評(píng)估結(jié)果

通過仿真模擬分析，可見3種車型碰撞包封式改造方案，仿真結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)六(SS)級(jí)要求，防護(hù)能量達(dá)到520 kJ。

4 結(jié)語

在役舊橋梁組合式護(hù)欄原結(jié)構(gòu)達(dá)不到現(xiàn)行規(guī)范要求的橋梁護(hù)欄最低防護(hù)等級(jí)SB級(jí)要求。提出的3種改造方案仿真結(jié)果各項(xiàng)安全性能指標(biāo)均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，其中鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)改造方案滿足五(SA)級(jí)要求，防護(hù)能量達(dá)到400 kJ；植筋加高式改造方案與包封式改造方案均滿足六(SS)級(jí)要求，防護(hù)能量達(dá)到520 kJ。3種改造方案雖然通過了仿真碰撞分析驗(yàn)證，但若將其應(yīng)用于實(shí)際公路工程上，建議采用實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)對(duì)護(hù)欄的安全防護(hù)性能做進(jìn)一步評(píng)價(jià)。