一種中央分隔帶分離式改進(jìn)混凝土護(hù)欄的研究

張 淑 寶

(漳州廈蓉高速擴(kuò)建工程有限公司，福建 漳州 363000)

0 引 言

中央分隔帶分離式混凝土護(hù)欄由于其防護(hù)等級(jí)高，對(duì)于輕微的車輛碰撞，一般無(wú)需維修，已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于高速公路上。為了不影響中央分隔帶的管線埋設(shè)，通常采用嵌固式基礎(chǔ)，護(hù)欄墻體放置在枕梁上，兩側(cè)墻體之間設(shè)置支撐塊，依靠路面和支撐塊的嵌固作用使護(hù)欄結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。護(hù)欄墻體為預(yù)制形式，每節(jié)長(zhǎng)4 m，預(yù)制段上預(yù)埋連接螺栓，用連接方鋼將護(hù)欄縱向連接成整體。安裝后，路面距護(hù)欄頂面100 cm，采用加強(qiáng)型坡面，護(hù)欄高度及坡面形式均與JTG/T D 81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)細(xì)則》)一致。

混凝土護(hù)欄一般為墻式護(hù)欄，對(duì)于梁柱式混凝土護(hù)欄則需要特殊開(kāi)發(fā)[1]。由于公路路面養(yǎng)護(hù)時(shí)，路面罩面一般厚度不大，根據(jù)JTG D 81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱《設(shè)計(jì)規(guī)范》)及《設(shè)計(jì)細(xì)則》的要求，當(dāng)路面罩面厚度小于(含)7.5 cm，即路面將混凝土護(hù)欄底部的7.5 cm直面完全覆蓋，中央分隔帶分離式混凝土護(hù)欄總高度降低為92.5 cm時(shí)，護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)仍然可以達(dá)到SAm級(jí)；但當(dāng)罩面厚度大于10 cm，即護(hù)欄高度為90 cm時(shí)，車輛在碰撞護(hù)欄后出現(xiàn)了翻車現(xiàn)象[2](圖1)，不能滿足SAm級(jí)防護(hù)等級(jí)要求，因此需要對(duì)護(hù)欄進(jìn)行加高，以提升護(hù)欄的防護(hù)性能。

圖1 車輛碰撞護(hù)欄后翻車

如果采用混凝土植筋加高或者混凝土預(yù)制塊加高，則不僅難以保障體積較小的現(xiàn)澆混凝土或混凝土預(yù)制塊自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且會(huì)增加混凝土塊后期的維修養(yǎng)護(hù)難度；如果采用組合式護(hù)欄加高，則根據(jù)《設(shè)計(jì)細(xì)則》要求，組合式護(hù)欄的總高度應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)混凝土護(hù)欄的基礎(chǔ)上增加10 cm，即護(hù)欄總高度為110 cm，這不但會(huì)增加提升方案的實(shí)施難度，而且對(duì)原護(hù)欄的景觀效果有較大影響。為保持護(hù)欄原有的景觀效果，同時(shí)降低改進(jìn)護(hù)欄在施工時(shí)對(duì)現(xiàn)有中央分隔帶內(nèi)綠植的影響，護(hù)欄的高度以保持100 cm高度較為合理。

筆者參考文獻(xiàn)[3-9]，將組裝式鋼構(gòu)件與原有混凝土護(hù)欄進(jìn)行連接，得到了一種改進(jìn)混凝土護(hù)欄，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。研究表明：改進(jìn)混凝土護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)滿足JTG B 05-01—2013《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》(以下簡(jiǎn)稱《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》)的SAm級(jí)(五級(jí))防護(hù)要求。

1 改進(jìn)混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)

中央分隔帶分離式改進(jìn)混凝土護(hù)欄由原混凝土護(hù)欄及增加的組裝式鋼構(gòu)件組成，如圖2。組裝式鋼構(gòu)件包括橫梁、套管、支撐梁和連接螺栓等。

圖2 改進(jìn)混凝土護(hù)欄

由于護(hù)欄頂部的寬度較窄，為保證頂部橫梁可靠連接，采用植入螺栓的方式連接，橫梁縱向之間設(shè)置套管；為降低施工難度，減少植入螺栓數(shù)量，拼接螺栓與連接螺栓共用。鑒于護(hù)欄增高后無(wú)法增加種植土厚度，導(dǎo)致上部護(hù)欄結(jié)構(gòu)在受到碰撞時(shí)變形增大。因此，在兩側(cè)橫梁之間每2 m增設(shè)1個(gè)支撐梁，支撐梁與橫梁之間的連接也采用與連接螺栓共用的方式。為便于施工，拼接處采用單側(cè)(內(nèi)側(cè))開(kāi)口型橫梁和套管，如圖3。套管螺栓孔為通孔，支撐梁主斷面為槽鋼，兩端焊接鋼板，可直接扣接在連接螺栓上，支撐梁與套管連接后可約束套管的移動(dòng)。

圖3 套管

提升結(jié)構(gòu)的施工順序?yàn)椋涸谠炷磷o(hù)欄頂部鉆孔→植入化學(xué)螺栓→套入橫梁→放入套管→套入支撐梁→擰緊螺栓→完成安裝。

2 改進(jìn)混凝土護(hù)欄仿真分析

2.1 仿真模型建立

建立改進(jìn)混凝土護(hù)欄的仿真模型(圖4)，模型主體采用solid單元(混凝土)+ beam(鋼筋)單元建立。護(hù)欄后部的連接型鋼采用beam單元建立，橫梁及支撐均采用shell單元建立。根據(jù)《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求，護(hù)欄模型總長(zhǎng)度設(shè)為40 m，采用嵌固 + 枕梁 + 支撐塊的約束方式。

圖4 改進(jìn)混凝土護(hù)欄仿真模型

2.2 仿真分析

選擇小轎車、大型客車及大型貨車3種車型來(lái)仿真分析改進(jìn)混凝土護(hù)欄的防撞性能，并與標(biāo)準(zhǔn)型護(hù)欄分析結(jié)果[2]進(jìn)行對(duì)比。

2.2.1 小轎車碰撞

由圖 5 仿真碰撞過(guò)程可見(jiàn)：小轎車與改進(jìn)混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞后，車輛能安全駛出，沒(méi)有翻車、穿越、騎跨等現(xiàn)象發(fā)生；改進(jìn)混凝土護(hù)欄主體沒(méi)有明顯的破壞。

圖5 小轎車碰撞改進(jìn)混凝土護(hù)欄過(guò)程

1)小轎車乘員加速度a

由于混凝土護(hù)欄坡面的主要作用是使小轎車在與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)沿護(hù)欄的坡面爬升，從而增加車輛與護(hù)欄的碰撞作用時(shí)間，降低車輛乘員碰撞后加速度。當(dāng)路面加鋪厚度t> 7.5 cm時(shí)，原護(hù)欄底部的部分坡面被新路面覆蓋，坡面長(zhǎng)度降低，導(dǎo)致車輛乘員碰撞后加速度值變大。小轎車與改進(jìn)混凝土護(hù)欄及標(biāo)準(zhǔn)型護(hù)欄發(fā)生碰撞后乘員加速度變化如圖6。由圖可見(jiàn)：車輛乘員縱向加速度ax、橫向加速度ay均不大于200 m/s2，滿足《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的要求。

圖6 小轎車與混凝土護(hù)欄碰撞后乘員加速度曲線

2)小轎車重心高度HG

圖7、圖8分別為小轎車與改進(jìn)混凝土護(hù)欄及標(biāo)準(zhǔn)型護(hù)欄發(fā)生碰撞過(guò)程中，車輛重心高度變化曲線和最大爬高形態(tài)。由圖可見(jiàn)：以初始狀態(tài)為0點(diǎn)，小轎車沿改進(jìn)護(hù)欄的爬升高度明顯小于標(biāo)準(zhǔn)型護(hù)欄的，重心最大爬升高度由395 mm降為75 mm。

圖7 碰撞護(hù)欄過(guò)程中小轎車重心高度曲線

圖8 碰撞護(hù)欄過(guò)程中小轎車最大爬高形態(tài)

2.2.2 大型客/貨車碰撞

由圖9大型客/貨車與改進(jìn)混凝土護(hù)欄發(fā)生碰撞的仿真過(guò)程可見(jiàn)：車輛均沒(méi)有翻車、穿越、騎跨等現(xiàn)象發(fā)生，車輛均安全駛出，護(hù)欄的阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能均滿足《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》要求。

圖9 大型客/貨車碰撞改進(jìn)混凝土護(hù)欄過(guò)程仿真

圖10為大型客/貨車仿真碰撞后，改進(jìn)混凝土護(hù)欄的支撐梁和橫梁應(yīng)力云圖，可見(jiàn)：

圖10 大型客/貨車碰撞后改進(jìn)混凝土護(hù)欄支撐梁及橫梁應(yīng)力云圖

1)改進(jìn)混凝土護(hù)欄中，上部增加的橫梁起到了主要攔截作用，大型客車碰撞時(shí)，橫梁變形較小，碰撞點(diǎn)附近套管處橫向支撐梁變形較為明顯，應(yīng)力峰值達(dá)到400 MPa。

2)大型貨車碰撞時(shí)，由于車輛上部結(jié)構(gòu)變形較大，車輛與橫梁和支撐梁剮蹭，導(dǎo)致有3根支撐梁產(chǎn)生破壞，但沒(méi)有影響車輛的正常駛出。

3 改進(jìn)混凝土護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)

在具備CNAS檢測(cè)資質(zhì)的北京深華達(dá)交通工程檢測(cè)有限公司碰撞試驗(yàn)場(chǎng)地，按照1∶1比例修筑混凝土護(hù)欄，并按照《評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的SAm級(jí)(五級(jí))碰撞條件進(jìn)行實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)。改進(jìn)混凝土護(hù)欄由兩側(cè)中央分隔帶混凝土護(hù)欄墻體、種植土、支撐梁、加高橫梁及套管、連接螺栓等組成。支撐梁為槽鋼770 mm × 120 mm × 61 mm；加高橫梁為矩形梁150 mm × 100 mm × 6 mm × 3 980 mm；拼接套管為矩形管120 mm × 80 mm × 8 mm × 300 mm；混凝土護(hù)欄高度900 mm，加高橫梁高度100 mm，護(hù)欄路面以上總體高度1 000 mm；護(hù)欄共計(jì)安裝10節(jié)，單節(jié)長(zhǎng)度4 000 mm，安裝總長(zhǎng)度40 000 mm，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30；加高橫梁通過(guò)化學(xué)錨栓錨固于混凝土護(hù)欄頂部。

改進(jìn)混凝土護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)后的照片如圖11，試驗(yàn)結(jié)果及評(píng)價(jià)指標(biāo)見(jiàn)表1。

圖11 車輛碰撞后改進(jìn)混凝土護(hù)欄照片

由圖11可見(jiàn)：小轎車碰撞后，改進(jìn)混凝土護(hù)欄無(wú)明顯變形；大型客、貨車碰撞后，改進(jìn)混凝土護(hù)欄的支撐梁分別出現(xiàn)了2～3處局部破壞，但均沒(méi)有對(duì)車輛的行駛軌跡造成不利影響。

由表1可知：筆者提出的中央分隔帶改進(jìn)分離式混凝土護(hù)欄的防護(hù)等級(jí)可滿足SAm級(jí)防護(hù)要求；根據(jù)試驗(yàn)大型客車的碰撞條件——車輛質(zhì)量14 120 kg，碰撞速度82 km/h，碰撞角度20.4°——計(jì)算，改進(jìn)混凝土護(hù)欄的防護(hù)能量最高可達(dá)445 kJ。

表1 改進(jìn)混凝土護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種中央分隔帶分離式改進(jìn)混凝土護(hù)欄；分別選用小轎車、大型客車、大型貨車3種車型，對(duì)改進(jìn)混凝土護(hù)欄進(jìn)行了仿真碰撞分析及實(shí)車碰撞試驗(yàn)。研究表明：小轎車碰撞后，乘員碰撞加速度值滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求；大型客車及大型貨車碰撞后，改進(jìn)混凝土護(hù)欄的支撐梁及橫梁產(chǎn)生變形，但能有效阻擋并導(dǎo)向車輛；改進(jìn)混凝土護(hù)欄的各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均能滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，防護(hù)等級(jí)可達(dá)到SAm級(jí)。