一種新型裝配式橋梁人-車隔離防撞護欄研究

周勁宇， 唐俊義， 黃靖云

(1.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司， 廣東 廣州 510000； 2.重慶交通大學 土木工程學院， 重慶市 400074；3.重慶市璧山區(qū)青杠街道規(guī)劃建設(shè)管理環(huán)保辦公室，重慶市 400074)

防撞護欄作為公路交通安全設(shè)施中最常見的被動防護設(shè)施，可以一定程度上確保路側(cè)行人和車上乘員的生命安全，同時兼有誘導(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，失控車輛沖破護欄墜落橋下的事故時有發(fā)生[3]，研究表明：發(fā)生墜橋事故的一大原因在于既有橋梁人行道與車行道的高差太小(一般為25 cm)導(dǎo)致失控車輛易爬上并越過人行道進而沖破護欄。為有效提升橋梁護欄的防撞性能，合理解決失控車輛沖破護欄發(fā)生墜橋事件，該文針對既有橋梁加固設(shè)計和新橋設(shè)計過程分別提出不同的解決方案。

1 現(xiàn)有解決方案研究

根據(jù)前文所述，合理有效解決失控車輛發(fā)生墜橋事件的思路在于合理設(shè)計車行道與人行道的相對高度或是根據(jù)需要在路側(cè)邊緣設(shè)立防撞護欄，以此防止失控車輛爬上人行道造成更大的人員傷亡與財產(chǎn)損失。

1.1 新橋設(shè)計

剛性護欄由于質(zhì)量較大，受到碰撞后基本不產(chǎn)生變形，能抵抗強大橫向水平?jīng)_擊力[4]，因此在設(shè)計中通常將這種護欄設(shè)置在人行道邊緣以此來抵御失控車輛的碰撞；另外考慮到現(xiàn)有的人行道和行車道高差太小，也有在新橋設(shè)計時直接采用增高人行道的方案。這兩類方案本質(zhì)上都是采用以混凝土為主的剛性護欄，因此對于橋梁護欄的防撞性能有較大提升，但是車輛與該類護欄碰撞時，車輛將產(chǎn)生變形，給乘員生命帶來一定安全風險[5-7]。同時，剛性護欄的應(yīng)用也將明顯增加橋梁自重，造成后續(xù)橋梁的維修養(yǎng)護成本提高。

1.2 舊橋加固設(shè)計

既有橋梁的加固設(shè)計中由于恒載增加會導(dǎo)致橋梁的力學行為與設(shè)計出入較大，因此通常多采用在人行道路緣石上設(shè)置欄桿立柱錨固座，錨固座之間固定金屬管的防撞方案[8]。應(yīng)用該類半剛性護欄的優(yōu)點在于其欄桿多采用鋼管等柔性構(gòu)件，具有較好韌性和緩沖能力，能夠起到保護乘車人員和減少車輛損失的目的；同時結(jié)構(gòu)輕型、安裝簡便。但該類設(shè)施防車輛翻越效果較差，且在其受力后易出現(xiàn)金屬管和錨栓損壞從而導(dǎo)致護欄直接失效[9-11]。

可以看出，現(xiàn)有各類橋梁防撞護欄方案均存在各自的應(yīng)用特點和不足之處。因此，迫切需要研發(fā)一種新型橋梁防撞護欄，在不明顯增加橋梁自重、影響橋梁受力行為的基礎(chǔ)上，提高護欄韌性和抗沖擊能力，實現(xiàn)有效可靠的車輛防撞和對車內(nèi)成員的保護。

2 新型裝配式橋梁人車隔離防撞護欄概念設(shè)計

2.1 設(shè)計思路

前文所述的兩類護欄雖然在防止汽車墜落、確保乘車人員安全與減小車輛損失方面具有各自的應(yīng)用優(yōu)勢，但是均存在明顯的不足之處。因此，該文在現(xiàn)有阻擋車輛墜橋措施基礎(chǔ)上提出一種針對橋梁既有人行道高度不足阻檔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欄(以下簡稱新型隔離護欄，如圖1所示)。其設(shè)計思路主要體現(xiàn)在以下3個方面：

圖1 新型隔離護欄(單位:mm)

(1) 豎立面欄桿從構(gòu)造形式上對既有人行道有效增高，阻止車輛爬越，同時采用倒U形截面設(shè)計以增大其橫向剛度。

(2) 欄桿通過錨固座與混凝土路緣石連接成為整體，充分發(fā)揮路緣石的圬工自重對車輛沖擊的抑制作用。

(3) 錨固座同時采用水平螺栓和豎直螺栓與路緣石連接，充分發(fā)揮錨固螺栓的抗剪性能。

2.2 傳力路徑概念分析

基于上述設(shè)計，研究中對新型隔離護欄和既有隔離護欄(以下簡稱常規(guī)護欄)進行了碰撞荷載下的傳力路徑概念分析，如圖2所示。

圖2 傳力途徑對比圖

從圖2可以看出：發(fā)生碰撞時，相較于常規(guī)護欄僅依靠立柱和底部鋼板的焊接效果來抵御護欄內(nèi)部產(chǎn)生的拉應(yīng)力，新型隔離護欄傳力方式更為科學、可靠。當荷載作用到前抗力板上時，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，由于荷載會對錨固座產(chǎn)生彎矩作用，在錨固座內(nèi)部同時會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，通過其抗剪傳遞到混凝土中。

3 基于精細化有限元的對比分析

為進一步分析驗證新型隔離護欄的防撞性能，研究中選取上述既有隔離防撞護欄進行對比分析，其具體結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。

圖3 既有隔離護欄尺寸圖(單位:mm)

3.1 車輛橫向碰撞荷載標準值確定

在進行橋梁護欄設(shè)計時，通常需要首先確定護欄的設(shè)計防護等級[12-14]，其后依據(jù)JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》[15]確定車輛碰撞荷載標準值Ft，如表1所示。該文所提出的新型隔離護欄屬于柔性護欄結(jié)構(gòu)，因此分析中選取該類護欄設(shè)計中較常用的SA級，同時相應(yīng)地選取了該等級下最大的345 kN作為標準碰撞荷載。

表1 汽車橫向碰撞荷載標準值

3.2 有限元模型建立

3.2.1 建模與網(wǎng)格劃分

研究采用Ansys-APDL通用有限元軟件對兩類護欄建立了精細化有限元分析模型，如圖4所示。模型主要包括橋梁和人行道結(jié)構(gòu)、護欄、錨固座和錨固螺栓。其中，護欄和錨固座采用由三維彈塑性殼單元Shell181進行模擬，單元尺寸為100 mm。橋梁和人行道結(jié)構(gòu)采用三維實體單元Solid65模擬，全局尺寸為20 mm，在錨固座處局部精細化為5 mm。螺栓采用三維實體單元Solid185模擬，尺寸為5 mm。

圖4 護欄的有限元模型

3.2.2 邊界條件與構(gòu)造連接模擬

由于該文主要研究對象為護欄，因此僅對橋梁和人行道結(jié)構(gòu)建立了局部模型進行模擬。分析中對有限元模型的左、右、前、后端和底面進行3個方向自由度的約束。同時，模型中存在螺栓與錨固座、螺栓與混凝土、錨固座與混凝土以及欄桿與錨固座的多個接觸關(guān)系。其中，螺栓與混凝土的接觸界面上采用位移插值耦合的方式進行連接。其余均采用面-面接觸單元建立模型。

3.2.3 材料本構(gòu)模型選取

為統(tǒng)一起見，研究中針對兩類護欄均采用橋梁用結(jié)構(gòu)鋼Q345作為護欄鋼板，而螺栓的性能等級取為10.9級。相應(yīng)地，分析中采用雙線性模型對鋼材的彈塑性本構(gòu)進行模擬。

3.2.4 荷載作用模擬

根據(jù)JTG/T D81—2017《公路交通安全設(shè)施設(shè)計細則》中關(guān)于車輛橫向荷載標準值的選取規(guī)則并考慮到碰撞過程中荷載實際作用范圍，該文選取了防護等級五(SA)對應(yīng)下的標準荷載及分布長度，即345 kN荷載和2.4 m作用長度的組合。

3.3 標準和極限碰撞荷載下護欄詳細應(yīng)力與變形

3.3.1 護欄變形

圖5為兩類護欄在標準荷載下的變形分析(圖5中，左為常規(guī)護欄，右為新型隔離護欄)。

圖5 護欄變形對比(單位：mm)

總體來看，在標準荷載下，常規(guī)護欄變形有明顯的傾倒趨勢，其最上端變形達到8.55 mm。相反，新型隔離護欄主要呈現(xiàn)凹陷變形，仍能保持與水平面相對垂直，其最大變形值僅為常規(guī)護欄的52%(4.46 mm)。此外，新型隔離護欄中，遠離荷載作用范圍的變形明顯減小。而極限碰撞荷載作用下，常規(guī)護欄出現(xiàn)顯著的傾側(cè)變形，可能導(dǎo)致車輛在其達到極限狀態(tài)之前即已翻越護欄墜橋。相應(yīng)地，新型隔離護欄仍然主要呈現(xiàn)出凹陷變形的趨勢，從而保證在其極限狀態(tài)達到之前都能夠為碰撞車輛提供有效的保護 。

3.3.2 護欄應(yīng)力

圖6為兩類護欄在標準荷載下的等效應(yīng)力(即馮米塞斯應(yīng)力)。

圖6 護欄應(yīng)力對比(單位：MPa)

從圖6可以看出：常規(guī)護欄的峰值應(yīng)力出現(xiàn)在柱座底部，而新型隔離護欄的峰值應(yīng)力僅出現(xiàn)在錨固節(jié)點板螺栓孔附近。特別地，常規(guī)護欄底部已出現(xiàn)了較為明顯的塑性屈服。因此在極限應(yīng)力狀態(tài)下，其塑性屈服進一步發(fā)展，將導(dǎo)致護欄整體剛度下降從而無法繼續(xù)承載。相應(yīng)地，新型隔離護欄的錨固座峰值應(yīng)力尚低于屈服應(yīng)力，具有較好的進一步承載能力，且在極限應(yīng)力狀態(tài)下護欄在錨固座節(jié)點板孔壁和橫隔板處出現(xiàn)塑性屈服，且屈服區(qū)域分布較為廣泛，充分發(fā)揮了各個部件的材料性能。因此也證明在傳力路徑上較常規(guī)護欄更為科學合理。

3.3.3 螺栓應(yīng)力

兩類護欄螺栓在標準荷載下的等效應(yīng)力見圖7。

圖7 兩類護欄錨固螺栓應(yīng)力對比(單位：MPa)

相較于常規(guī)護欄中的錨固螺栓，新型隔離護欄的錨固中水平螺栓應(yīng)力峰值降低約55%，豎直螺栓應(yīng)力峰值降低約38%。對比結(jié)果表明：相較于常規(guī)護欄，新型隔離護欄的連接構(gòu)造在標準荷載作用下尚存在較為可觀的承載力儲備。此外，雖然兩種護欄的錨固螺栓應(yīng)力均在彈性范圍內(nèi)，但常規(guī)護欄的水平螺栓最大應(yīng)力已經(jīng)達到了612 MPa，非常接近屈服應(yīng)力900 MPa，表明其剩余承載能力有限。達到極限應(yīng)力狀態(tài)時，兩種護欄中水平螺栓的峰值等效應(yīng)力較為接近，均在700 MPa左右，未達到塑性屈服狀態(tài)。同時，兩種護欄中豎直螺栓均達到了900 MPa的屈服應(yīng)力。值得注意的是，新型隔離護欄中錨固螺栓已出現(xiàn)大范圍的塑性屈服，表明其最終失效是由于螺栓無法繼續(xù)承載導(dǎo)致。相反地，常規(guī)護欄的錨固螺栓僅出現(xiàn)極為局部的塑性屈服，結(jié)合在標準工況下的應(yīng)力情況可以表明其最終失效是由柱座的塑性失效引起，而螺栓尚有一定承載能力。

3.3.4 混凝土的破壞形式

兩種護欄的混凝土開裂失效區(qū)域(灰色部分)如圖8所示。

由圖8可以看出：兩種護欄中，豎直螺栓和水平螺栓處混凝土均存在不同程度的失效。此外，在常規(guī)護欄的水平螺栓附近，已出現(xiàn)較大范圍的混凝土失效，而新型隔離護欄僅在錨固螺栓附近出現(xiàn)了較為有限的混凝土失效。在極限狀態(tài)下采用常規(guī)護欄時混凝土橋面開裂區(qū)域僅局限在角點附近，而采用新型隔離護欄時，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)在防撞中的效率。

圖8 混凝土失效區(qū)域

4 新型隔離護欄的構(gòu)造完善

從前文的有限元分析中可以看出：在標準碰撞荷載作用下常規(guī)護欄已有明顯的傾倒趨勢，可能導(dǎo)致車輛在其達到極限狀態(tài)之前即已翻越護欄墜橋。造成這一現(xiàn)象的原因在于此類護欄在設(shè)計時除了需要達到汽車碰撞荷載要求還需要起到隔離行人的目的。因此解決這一問題，該設(shè)計護欄在已有的汽車防撞設(shè)計基礎(chǔ)上，僅需在頂部安裝一欄桿便可以達到隔離行人的目的，同時也發(fā)揮了材料的最大性能。

5 結(jié)論

從當前橋梁防撞護欄普遍存在的車輛破欄墜橋事故風險出發(fā)，深入剖析當前橋梁防撞護欄研究現(xiàn)狀，結(jié)合各類護欄的應(yīng)用優(yōu)勢，提出了一種新型裝配式橋梁人車隔離防撞護欄，采用概念分析、精細化有限元對比分析等手段，對其防撞性能進行了深入闡釋，得到以下結(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欄。該類護欄在實現(xiàn)裝配式施工的基礎(chǔ)上，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) 在標準碰撞荷載作用下，兩類護欄均滿足規(guī)范要求且存在一定的承載力儲備。其中，常規(guī)護欄變形有明顯的傾倒趨勢而新型隔離護欄主要呈現(xiàn)凹陷變形，仍能保持與水平面相對垂直。此外，新型隔離護欄最大變形值僅為常規(guī)護欄的52%。

(3) 常規(guī)護欄在標準荷載作用下已在其柱座底面出現(xiàn)了局部塑性變形，表明其承載能力增加有限。相反地，新型隔離護欄在標準荷載下錨固座峰值應(yīng)力尚低于屈服應(yīng)力。此外，標準荷載下新型隔離護欄的錨固螺栓應(yīng)力較常規(guī)護欄顯著降低，其中水平螺栓峰值應(yīng)力降低約55%，豎直螺栓峰值應(yīng)力降低約38%。此外，在標準荷載作用下常規(guī)護欄的水平螺栓附近已出現(xiàn)較大范圍的混凝土失效，而新型隔離護欄僅在錨固螺栓附近出現(xiàn)了較為有限的混凝土失效。

(4) 新型隔離護欄的極限承載能力為934 kN，達到常規(guī)護欄的極限承載力(592 kN)的1.5倍。同時，極限承載能力分析表明，常規(guī)護欄首先在其柱座底部出現(xiàn)較大的屈服區(qū)域，導(dǎo)致碰撞荷載無法進一步傳遞至人行道路緣石，從而引起護欄整體失效。相反地，新型隔離護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)承載導(dǎo)致。此外，采用新型隔離護欄時，極限狀態(tài)下混凝土橋面板開裂范圍明顯較常規(guī)護欄增加，表明其充分發(fā)揮了路緣石的材料性能，從而達到承受更大碰撞荷載的目的。

(5) 該文提出的護欄在已有的構(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，發(fā)揮了材料的最大效益。