一種新型裝配式橋梁人-車隔離防撞護(hù)欄

唐俊義， 周志祥， 余忠儒， 鄧國軍， 劉 年

(1.重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院， 重慶 400074; 2.深圳大學(xué)土木與交通工程學(xué)院， 深圳 518060)

防撞護(hù)欄作為公路交通安全設(shè)施中最常見的被動(dòng)防護(hù)設(shè)施，一定程度上能夠保護(hù)路側(cè)行人和車上乘員的生命安全，同時(shí)兼有誘導(dǎo)駕駛員視線、增加行車安全感和美化公路環(huán)境的作用[1-2]。但近年來，失控車輛沖破護(hù)欄墜入橋下的事故時(shí)有發(fā)生，經(jīng)研究表明，發(fā)生墜橋事故的一大原因?yàn)榧扔袠蛄喝诵械琅c車行道的高差太小(一般為25 cm)以致失控車輛易爬上并越過人行道進(jìn)而沖破護(hù)欄。

目前的改進(jìn)方案主要有：①在新橋人行道路緣石上設(shè)置剛性護(hù)欄；②提高人行道高度以及在舊橋中設(shè)欄桿立柱錨固座，錨固座之間固定金屬管的防撞方案。王儒飛[3]研究了汽車碰撞荷載下錨固區(qū)混凝土受力情況。王海淵等[4]根據(jù)理論分析，同時(shí)利用臺車試驗(yàn)及計(jì)算機(jī)仿真，研發(fā)了一種梁柱式混凝土梁。焦馳宇等[5]采用數(shù)值模擬的方法，對一種新型鋁合金防撞護(hù)欄的安全性能進(jìn)行了評判。蘭興陽等[6]提出了一種以廢舊鋼材為主的新型高強(qiáng)度鋁合金波形護(hù)欄，并利用有限元仿真模擬對其安全性能進(jìn)行評價(jià)。裴玉龍[7]等利用現(xiàn)有碰撞模型，提出了汽車三維運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的碰撞模型并進(jìn)行了碰撞結(jié)果模擬。研究現(xiàn)狀表明[8-10]：以混凝土為主的剛性防撞等級較高，但會(huì)給乘員生命帶來安全風(fēng)險(xiǎn)[11-13]，同時(shí)也將明顯增加橋梁自重，不利于后期養(yǎng)護(hù)維修；以金屬管為主的半剛性護(hù)欄雖能保護(hù)乘車人員和減少車輛損失，同時(shí)結(jié)構(gòu)輕盈、安裝簡便，但該類設(shè)施防車輛翻越效果較差，在其受力后易出現(xiàn)金屬管和錨栓損壞從而導(dǎo)致護(hù)欄直接失效[14-17]。

為有效提高護(hù)欄的防撞性能，合理解決失控車輛沖破護(hù)欄發(fā)生墜橋事件，針對現(xiàn)有防撞護(hù)欄存在的顯著問題。在現(xiàn)有半剛性護(hù)欄的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)有交通道路實(shí)際交通情況研發(fā)一種橋梁路測高防護(hù)等級裝配式人車隔離防撞護(hù)欄，護(hù)欄防撞性能優(yōu)異，防護(hù)等級為五級；不同構(gòu)件分工明確，降低構(gòu)件用鋼量；采用裝配式施工，施工效率高；構(gòu)件傳力方式科學(xué)，適用于新舊橋。根據(jù)該新型防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)方案，采用有限元模型對新型防撞護(hù)欄(簡稱“新型護(hù)欄”)與既有標(biāo)準(zhǔn)化防撞護(hù)欄(簡稱“傳統(tǒng)護(hù)欄”)在車輛撞擊下的力學(xué)行為進(jìn)行分析評判，以此來對新型防撞護(hù)欄進(jìn)行安全性能評價(jià)。

1 新型裝配式橋梁人車隔離防撞護(hù)欄概念設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)思路

從目前的標(biāo)準(zhǔn)化隔離護(hù)欄(圖1、表1)可以看出，現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)化方案存在自重大、構(gòu)件功能混亂導(dǎo)致防撞性能不足以及設(shè)計(jì)復(fù)雜不易施工等缺點(diǎn)。針對這些不足，提出的新型防撞護(hù)欄設(shè)計(jì)思路(圖2)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

t為厚度圖1 標(biāo)準(zhǔn)化隔離護(hù)欄尺寸圖Fig.1 Standardized size drawing of isolation guardrail

圖2 新型隔離護(hù)欄設(shè)計(jì)圖Fig.2 Design drawing of new isolationguardrail

表1 標(biāo)準(zhǔn)化隔離護(hù)欄尺寸說明

(1)半剛性護(hù)欄具有較好的韌性和延展性，乘車人員安全性有保證，同時(shí)金屬材質(zhì)相對于混凝土自重大大減小，因此護(hù)欄主體采用金屬鋼板。

(2)錨固座同時(shí)采用水平螺栓和豎直螺栓與路緣石連接，使得欄桿和混凝土路緣石連接成為整體，解決半剛性護(hù)欄防撞性能不足的問題。

(3)采用倒U形截面設(shè)計(jì)方案，增大護(hù)欄橫向剛度和有效高度。

(4)針對汽車防撞和隔離行人采用了不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，防止因功能混亂導(dǎo)致防撞性能不足的問題，同時(shí)降低結(jié)構(gòu)用鋼量(單位長度標(biāo)準(zhǔn)化隔離護(hù)欄體積約為0.11 m3，新型隔離護(hù)欄體積約為0.073 m3)。

(5)護(hù)欄整體采用預(yù)制工藝，可實(shí)現(xiàn)裝配式施工，保證結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時(shí)有效提高整體施工效率。

1.2 舊橋加固設(shè)計(jì)

基于上述設(shè)計(jì)，研究中對新型隔離護(hù)欄和既有隔離護(hù)欄進(jìn)行了碰撞荷載下的傳力路徑概念分析，如圖3所示。發(fā)生碰撞時(shí)，相較于傳統(tǒng)護(hù)欄僅依靠立柱和底部鋼板的焊接效果來抵御護(hù)欄內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，新型護(hù)欄力方式更為科學(xué)、可靠。當(dāng)荷載作用到前抗力板上時(shí)，一部分荷載直接通過底座鋼板往錨固座后方傳遞。這部分荷載主要對豎直螺栓形成剪力作用，而通過螺栓的抗剪傳遞到混凝土中；此外，由于荷載會(huì)對錨固座產(chǎn)生彎矩作用，在錨固座內(nèi)部會(huì)形成沿著由前抗力板到背板的剪力流，這部分作用主要由水平螺栓承擔(dān)，通過其抗剪傳遞到混凝土中。

圖3 傳力途徑對比圖Fig.3 Contrast diagram of force transfer path

可以看出，既有橋梁防撞護(hù)欄方案雖有其應(yīng)用特點(diǎn)，但與新型橋梁防撞護(hù)欄相比，仍有不足之處。此外，新型橋梁防撞護(hù)欄在不明顯增加橋梁自重、影響橋梁受力行為的基礎(chǔ)上，可提高護(hù)欄韌性和抗沖擊能力，實(shí)現(xiàn)有效可卡片的車輛防撞護(hù)欄對車內(nèi)乘員的保護(hù)。

2 基于精細(xì)化有限元對比分析

2.1 確定車輛橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值

在進(jìn)行橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)時(shí)，首先需確定護(hù)欄的設(shè)計(jì)防護(hù)等級，其后依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》[18]確定車輛碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值Ft(表2)。本文所提出的新型護(hù)欄屬于柔性護(hù)欄結(jié)構(gòu)，因此分析中選取該類護(hù)欄設(shè)計(jì)中較常用的SA級，同時(shí)相應(yīng)地選取了該等級下最大的345 kN作為標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載。

表2 汽車橫向碰撞荷載標(biāo)準(zhǔn)值

2.2 有限元模型建立

研究采用ANSYS-APDL通用有限元軟件對兩類護(hù)欄建立了精細(xì)化有限元分析模型，如圖4所示。模型主要包括橋梁和人行道結(jié)構(gòu)、護(hù)欄、錨固座和錨固螺栓，各參數(shù)如表3所示。

表3 模型構(gòu)件參數(shù)

圖4 護(hù)欄有限元模型Fig.4 Finite element model of guardrails

2.3 從標(biāo)準(zhǔn)到容許碰撞荷載下防撞性能分析

為定量分析兩類護(hù)欄的力學(xué)行為，本文引入放大系數(shù)kf，模擬了碰撞荷載從標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載到容許碰撞荷載的變化過程，得到了不同碰撞荷載下的仿真結(jié)果。

2.3.1 容許碰撞荷載確定

依據(jù)前文所述的護(hù)欄傳力概念分析可知，護(hù)欄受到碰撞荷載時(shí)，其主要的應(yīng)力由螺栓來承擔(dān)。因此當(dāng)螺栓應(yīng)力達(dá)到900 MPa左右時(shí)，依據(jù)所給出的材料本構(gòu)模型可判定此時(shí)螺栓已進(jìn)入屈服階段，該狀態(tài)下的荷載即為容許碰撞荷載。從有限元模擬結(jié)果顯示，兩類護(hù)欄的容許碰撞荷載約為586.5 kN(即kf=1.7)。

2.3.2 護(hù)欄變形

圖5、圖6給出了兩類護(hù)欄在不同荷載下的變形情況。總體來看，在標(biāo)準(zhǔn)荷載下，傳統(tǒng)護(hù)欄變形有明顯的傾倒趨勢，其最上端變形達(dá)到8.55 mm。相反地，新型護(hù)欄主要呈現(xiàn)凹陷變形，仍能保持與水平面相對垂直，其最大變形值僅為傳統(tǒng)護(hù)欄的52%(4.46 mm)。此外，從變形最值的變化趨勢中可以看出，新型護(hù)欄的變形整體上也小于傳統(tǒng)護(hù)欄(均下降約10%)，在容許碰撞荷載狀態(tài)下，傳統(tǒng)護(hù)欄的變形達(dá)到17.33 mm，比新型護(hù)欄增大了30%(13.32 mm)，同時(shí)變形趨勢出現(xiàn)非線性增長，說明此時(shí)鋼管已經(jīng)產(chǎn)生了塑性變形，結(jié)合模擬結(jié)果展示的傳統(tǒng)護(hù)欄出現(xiàn)的側(cè)傾變形可知車輛在其達(dá)到極限狀態(tài)之前即已翻越護(hù)欄墜橋。相應(yīng)地，新型護(hù)欄仍然主要呈現(xiàn)出凹陷變形的趨勢，從而保證在其極限狀態(tài)達(dá)到之前都能夠?yàn)榕鲎曹囕v提供有效的保護(hù)。

圖5 護(hù)欄主體變形增長對比Fig.5 Comparison diagram of deformation growth of guardrail body

圖6 護(hù)欄變形對比Fig.6 Comparison of guardrail deformation

2.3.3 護(hù)欄應(yīng)力

圖7給出了兩類護(hù)欄在不同荷載狀態(tài)下的等效應(yīng)力(即von Mises應(yīng)力)。可以看出，傳統(tǒng)護(hù)欄的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在柱座底部，特別是局部已經(jīng)出現(xiàn)了較為明顯的塑性屈服而新型護(hù)欄的峰值應(yīng)力僅出現(xiàn)在錨固節(jié)點(diǎn)板螺栓孔附近。可以推測在容許碰撞荷載下，其塑性屈服將進(jìn)一步發(fā)展，導(dǎo)致護(hù)欄整體剛度下降從而無法繼續(xù)承載。相反，新型護(hù)欄的錨固座峰值應(yīng)力尚低于屈服應(yīng)力，仍具有較好的承載能力。達(dá)到容許荷載時(shí)，護(hù)欄中的錨固座節(jié)點(diǎn)板孔壁和橫隔板處出現(xiàn)類塑性屈服，且屈服區(qū)域分布較為廣泛，充分發(fā)揮了各個(gè)部件的材料性能。由此也證明在傳力路徑上新型護(hù)欄更為科學(xué)合理。

圖7 護(hù)欄應(yīng)力對比Fig.7 Stress comparison of guardrail

2.3.4 螺栓應(yīng)力

兩類護(hù)欄螺栓在標(biāo)準(zhǔn)荷載下不同螺栓的應(yīng)力增長曲線如圖8所示，其等效應(yīng)力分布由圖9所示。相較于傳統(tǒng)護(hù)欄中的錨固螺栓，新型護(hù)欄的錨固中水平螺栓應(yīng)力峰值降低約55%，豎直螺栓應(yīng)力峰值增長約35%。對比結(jié)果表明，兩類護(hù)欄在標(biāo)準(zhǔn)荷載下的錨固螺栓應(yīng)力分布具有明顯差異，而從螺栓的應(yīng)力增長曲線也可以看出，傳統(tǒng)護(hù)欄的水平螺栓與新型護(hù)欄的豎直螺栓均是最先達(dá)到屈服強(qiáng)度的部件。這是由于兩類護(hù)欄在螺栓布置上各有側(cè)重：傳統(tǒng)護(hù)欄在底座上布置了4根豎直螺栓而在抗力板上布置了兩根水平螺栓，而新型護(hù)欄的布置方式正好相反。因此在進(jìn)行定量分析時(shí)，針對兩類螺栓選擇了在同一斷面內(nèi)處于相同位置的左右兩根螺栓的應(yīng)力最值。

圖8 螺栓應(yīng)力增長趨勢對比Fig.8 Bolt stress growth trend comparison

圖9 兩類護(hù)欄錨固螺栓應(yīng)力對比Fig.9 Stress comparison of two types of guardrail anchoring bolt

進(jìn)一步對兩類護(hù)欄不同螺栓的應(yīng)力值進(jìn)行對比可得如下結(jié)論。

(1)兩類螺栓的應(yīng)力增長趨勢均是線性增長，在碰撞荷載接近586.5 kN(即kf=1.7)時(shí)出現(xiàn)非線性增長，也側(cè)面證明了容許碰撞荷載極值是586.5 kN。

(2)新型護(hù)欄的豎直螺栓達(dá)到屈服強(qiáng)度時(shí)其水平螺栓尚存在較為可觀的承載力儲(chǔ)備；但傳統(tǒng)護(hù)欄的水平螺栓達(dá)到其屈服強(qiáng)度時(shí)，豎直螺栓也已經(jīng)達(dá)到了800 MPa，非常接近屈服應(yīng)力900 MPa，表明剩余承載能力有限。

(3)水平螺栓應(yīng)力在增長過程中，傳統(tǒng)護(hù)欄的螺栓應(yīng)力一直約為新型護(hù)欄的2.4倍；而對于豎直螺栓的應(yīng)力，新型護(hù)欄的螺栓應(yīng)力始終約為傳統(tǒng)護(hù)欄的1.3倍。

2.3.5 螺栓變形

兩類螺栓變形增長對比如圖10所示，從兩類螺栓的遞增直線中可以看出：

圖10 螺栓變形增長趨勢Fig.10 Bolt deformation growth trend

(1)無論是水平螺栓或是豎直螺栓，傳統(tǒng)護(hù)欄的螺栓變形程度均高于新型護(hù)欄，均增大了約30%。

(2)傳統(tǒng)護(hù)欄的荷載-應(yīng)變直線斜率高于新型護(hù)欄且有不斷增大的趨勢。

2.3.6 混凝土失效區(qū)域

兩種護(hù)欄的混凝土開裂失效區(qū)域(灰色部分)如圖11所示，其中左邊為傳統(tǒng)護(hù)欄的模擬結(jié)果，右邊為新型護(hù)欄?？梢钥闯?，兩種護(hù)欄中，豎直螺栓和水平螺栓處混凝土均存在不同程度的失效。特別地，在傳統(tǒng)護(hù)欄的水平螺栓附近，已出現(xiàn)較大范圍的混凝土失效，而新型護(hù)欄僅在錨固螺栓附近出現(xiàn)了較為有限的混凝土失效。在容許碰撞荷載作用下，采用常規(guī)護(hù)欄時(shí)混凝土橋面開裂區(qū)域僅局限在角點(diǎn)附近，而采用新型隔離護(hù)欄時(shí)，這一開裂區(qū)域出現(xiàn)了較為可觀的開裂失效，可以充分發(fā)揮主梁圬工結(jié)構(gòu)在防撞中的效用。

圖11 混凝土失效區(qū)域Fig.11 Failure zone of concrete

3 極限承載能力對比

根據(jù)前文所述，當(dāng)護(hù)欄的螺栓達(dá)到其屈服強(qiáng)度即認(rèn)為護(hù)欄已經(jīng)失效不能再繼續(xù)承載，但是從三線性的本構(gòu)關(guān)系可以知道，螺栓進(jìn)入屈服階段后仍具有一定的承載能力。而從護(hù)欄主體變形的定量分析中可以看出，護(hù)欄仍具有一定的變形能力，且新型護(hù)欄本身也未發(fā)生傾斜。因此為對比兩類護(hù)欄的極限承載能力，在不考慮螺栓屈服強(qiáng)度限制的情況下，在護(hù)欄主體進(jìn)入塑性變形時(shí)認(rèn)為此時(shí)護(hù)欄處于極限狀態(tài)，該狀態(tài)下的荷載即為極限碰撞荷載。

圖12所示為兩類護(hù)欄中最大位移U隨碰撞荷載Ft的增加的變化情況，即荷載-位移曲線?？梢钥闯觯趦深愖o(hù)欄的荷載-位移曲線中，最大位移首先隨荷載的增加而呈現(xiàn)線性增長(即彈性階段)，其后斜率逐步下降(即彈塑性段)，當(dāng)增長到極限承載力時(shí)，斜率幾乎為0，護(hù)欄無法繼續(xù)承載而出現(xiàn)整體失效?？梢钥闯觯滦妥o(hù)欄的極限承載能力為934 kN，約為標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載的271%，同時(shí)較傳統(tǒng)護(hù)欄的極限承載力(592 kN)提高約58%。此外，在極限狀態(tài)下，新型護(hù)欄的最大位移約為19 mm，較傳統(tǒng)護(hù)欄最大位移(17 mm)提高約12%。以上分析表明，較傳統(tǒng)護(hù)欄而言，新型護(hù)欄在極限承載力和延性方面均有較顯著的提升。

圖12 護(hù)欄位移與荷載的關(guān)系Fig.12 The relation between guardrail displacement and load

4 新型護(hù)欄的完善設(shè)計(jì)

依據(jù)上文有限元分析可知，在標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載下傳統(tǒng)護(hù)欄已有明顯的傾倒趨勢，可能導(dǎo)致車輛在其達(dá)到極限狀態(tài)之前即已翻越護(hù)欄墜橋。造成這一現(xiàn)象的原因在于此類護(hù)欄在設(shè)計(jì)時(shí)除了需要滿足汽車碰撞荷載要求之外還需要起到隔離行人的作用。為解決這一問題，本設(shè)計(jì)護(hù)欄在已有的汽車防撞設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，僅需在頂部安裝一輕型欄桿便可以達(dá)到隔離行人的目的，同時(shí)也發(fā)揮了材料的最大性能。最終的效果圖如圖13所示。

圖13 新型隔離護(hù)欄完善構(gòu)造Fig.13 Completed construction of new isolation guardrail

5 結(jié)論

從當(dāng)前橋梁防撞護(hù)欄普遍存在的車輛破欄墜橋事故風(fēng)險(xiǎn)出發(fā)，深入剖析當(dāng)前橋梁防撞護(hù)欄研究現(xiàn)狀，結(jié)合各類護(hù)欄的應(yīng)用優(yōu)勢，提出了一種新型裝配式橋梁人車隔離防撞護(hù)欄，采用概念分析、精細(xì)化有限元對比分析等手段，對其防撞性能進(jìn)行了深入闡釋，得到了以下重要結(jié)論。

(1)提出了一種針對橋梁既有人行道高度不足阻擋失控汽車爬越破欄墜橋問題的第三類橋梁欄桿，即新型裝配式橋梁人車隔離防撞護(hù)欄。該類護(hù)欄利用錨固座與路緣石連接形成整體，從而充分發(fā)揮路緣石的圬工自重對車輛沖擊的抑制作用。

(2)在標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載下，兩類護(hù)欄均滿足規(guī)范要求且存在一定的承載力儲(chǔ)備。其中，傳統(tǒng)護(hù)欄變形有明顯的傾倒趨勢而新型護(hù)欄主要呈現(xiàn)凹陷變形，仍能保持與水平面相對垂直。此外，新型護(hù)欄最大變形值僅為傳統(tǒng)護(hù)欄的52%。

(3)傳統(tǒng)護(hù)欄在標(biāo)準(zhǔn)碰撞荷載下已在其柱座底面出現(xiàn)了局部塑性變形，表明其進(jìn)一步承載能力有限。相反地，新型護(hù)欄在標(biāo)準(zhǔn)荷載下錨固座峰值應(yīng)力尚低于屈服應(yīng)力。此外，在標(biāo)準(zhǔn)荷載作用下傳統(tǒng)護(hù)欄的水平螺栓附近已出現(xiàn)較大范圍的混凝土失效，而新型護(hù)欄僅在錨固螺栓附近出現(xiàn)了較為有限的混凝土失效。

(4)新型護(hù)欄的極限承載能力為934 kN，達(dá)到傳統(tǒng)護(hù)欄的極限承載力(592 kN)的1.5倍。同時(shí)，極限承載能力分析表明，傳統(tǒng)護(hù)欄首先在其柱座底部出現(xiàn)較大的屈服區(qū)域，從而導(dǎo)致碰撞荷載無法進(jìn)一步傳遞至人行道路緣石，從而引起護(hù)欄整體失效。相反地，新型護(hù)欄中錨固螺栓已出現(xiàn)大范圍塑性屈服，表明其最終失效是由于螺栓無法繼續(xù)承載引起。此外，采用新型護(hù)欄時(shí)，極限狀態(tài)下混凝土橋面板開裂范圍較傳統(tǒng)護(hù)欄明顯增加，表明其充分發(fā)揮了路緣石的材料性能，從而達(dá)到承受更大碰撞荷載的目的。

(5)本文提出的新型護(hù)欄在已有的構(gòu)造基礎(chǔ)上僅需在上部添加行人隔離欄桿便可以起到隔離行人的目的，在滿足防撞等級要求的前提下，不僅發(fā)揮了材料的最大效益且減少了用鋼量(單位長度下既有隔離護(hù)欄體積約為0.11 m3，而新型隔離護(hù)欄體積約為0.073 m3)。特別地，本設(shè)計(jì)護(hù)欄采用裝配式施工，可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高效率，高精度，高質(zhì)量，低成本等目的。