長大下坡路段隧道入口鋼護欄結構形式研究

邰永剛，趙 源

(1. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191)

?

長大下坡路段隧道入口鋼護欄結構形式研究

邰永剛1,2，趙 源2

(1. 交通運輸部公路科學研究院，北京 100088；2. 北京交科公路勘察設計研究院有限公司，北京 100191)

針對長大下坡路段隧道入口處的鋼護欄結構，采用結構剛度設計原理進行設計，并通過計算機仿真方法分別對大型車和小型車與護欄的碰撞過程進行了分析研究。研究結果表明：該鋼護欄結構的防護等級可達到SA級，有利于降低車輛尤其是大型車輛撞擊到隧道口壁的事故發生，有效降低長下坡路段隧道入口處的事故嚴重程度。

道路工程；長大縱坡；鋼護欄；計算機仿真；隧道入口；碰撞

0 引 言

長大下坡路段安全問題是近年廣受關注的問題，相關研究成果也比較多，涉及事故成因、改善措施等各個方面，其中事故成因的研究包括駕駛員特性、車輛制動器溫升模型預測、道路線形選擇等方面[1-4]，而改善措施包括加強宣傳、限速、分車道行駛、修建被動防護設施等[5-6]。

但在特殊路段，例如長大下坡結合隧道路段，由于受到各方面條件的限制，緊急避險車道無法修建，護欄防護等級較低，且由于車輛在長下坡路段速度高，隧道口缺乏足夠的安全防護設施，一旦有車輛失控直接撞擊隧道外側護欄或直接撞擊到隧道口壁，很容易引發嚴重的傷害事故。除普通波形梁護欄和橋梁護欄外，國內外目前缺乏可供隧道入口使用的護欄結構形式。孟廣成等[7]研究了剛性護欄在隧道入口的設置方法，該方法主要是從護欄高度上對隧道口護欄進行了研究，對于鋼護欄結構沒有深入研究。鋼護欄相對于混凝土護欄，施工、養護更加便利，且視覺效果更好；雖然高等級鋼護欄造價偏高，但應用在隧道入口時護欄設置長度不需太長，通常幾十米長度即可滿足防護需求。

針對目前高速公路上隧道入口處護欄以波形梁護欄為主的現狀，筆者研究了一種鋼護欄結構形式，該護欄結構以普通梁柱式護欄為基礎，通過提高、加強等方法控制護欄變形量，降低車輛在與護欄碰撞過程中產生的側傾，減少車輛直接碰撞隧道口壁事故的發生。

1 護欄結構設計

1.1 基礎形式

隧道口處波形梁護欄基礎一般有兩種形式，分別為打樁式和預埋螺栓(法蘭)式。打樁式基礎一般應用于土路肩路段，部分隧道口處由于排水、通信管道等要求無法打樁，因此采用預埋式基礎；打樁式基礎強度受到土壤壓實度影響較大，且在南方多雨地帶土壤遇水后強度降低，更加不利于護欄的防護。由于隧道口處護欄變形要求盡量小，以防止車輛直接撞擊到隧道壁，因此在隧道口處建議采用預埋式基礎，但應設置較強的基礎形式，包括預埋基礎、螺栓強度和法蘭強度等，以降低螺栓或法蘭損壞后的更換難度。

綜上所述，本研究中護欄基礎擬采用預埋式基礎，仿真計算時通過螺栓受力分析結果，選擇適當的螺栓結構尺寸及法蘭尺寸。

1.2 上部結構設計

1.2.1 護欄高度設計

護欄高度越高，其防護范圍也越大，但護欄高度過高，護欄底部承受的彎矩會較大，需要通過增加護欄立柱底部強度等措施增強，相應的會增加護欄的材料用量。車輛在與護欄發生碰撞時，車輛的側傾在隧道口壁處是一項重大安全隱患，因此護欄的高度應能最大限度的控制車輛的側傾，根據美國Roadside Design Guide[8]中護欄高度的計算方法，SA級護欄的整體高度不應低于1.2 m；根據我國車型尤其是大型客車的車輛重心高度調研結果，大型及中型客車的重心高度一般都在1.2 m以上，某些大型旅游巴士的重心高度甚至超過1.5 m，因此護欄設計高度暫取為1.5 m。

1.2.2 橫梁設計

隧道入口護欄除橋梁護欄外，大多采用波形梁護欄，為更好的與波形梁護欄進行銜接，護欄橫梁可采用圓形或矩形截面，矩形截面橫梁連接簡單，截面慣性矩較大，因此本護欄設計中首選矩形截面橫梁。護欄高度1.5 m，橫梁(自下而上)高度(橫梁中心距路面)分別為：第1道橫梁高度0.308 m，主要考慮小型客車輪胎半徑一般在0.3 m左右，其主要作用是防止小客車的下鉆；第2道橫梁高度0.644 m，小客車前發動機位置一般在0.6～0.8 m之間，因此設置此高度是使車輛在碰撞時能導向；第3道橫梁高度為1.04 m，主要是增強護欄上部結構強度；第4道橫梁高度為1.44 m，整體高度1.5 m，主要防止大型車輛側翻，橫梁尺寸按高120 mm×寬100 mm設計，厚度分別取上橫梁6 mm(2根)和下橫梁4 mm(2根)[9]，下橫梁主要用于防止小型客車的絆阻，并降低車輛碰撞時的重心減速度值，上橫梁在大型車碰撞時能控制護欄變形，攔截車輛并正常導向車輛，如圖1。

圖1 護欄橫梁與車輛位置對照Fig.1 Contrast of position between the rail beam and the vehicle

1.2.3 立柱設計

梁柱式護欄尤其是多橫梁梁柱式護欄，小客車碰撞時一般不會發生絆阻，因此立柱仍然以H型截面立柱為主，以便能給橫梁整體提供足夠的支撐力并控制護欄的變形，立柱以變截面設計，最大截面為立柱底面H200×200×6×8(mm)，最小截面為立柱頂面H100×200×6×8(mm)，立柱間距暫取2 m，在隧道口附近增加一根立柱，避免護欄變形過大，導致車輛撞擊檢修道或隧道口壁。

1.2.4 其他構件設計

護欄橫梁與立柱之間采用螺栓連接，為防止凸出的螺栓帽刮蹭車輛，連接采用角鋼方式，使護欄面整體平順；護欄橫梁與橫梁之間采用套管連接的方式，螺栓豎向布置，連接方式如圖2。

圖2 護欄構件連接方式Fig.2 Connection of the rail structure

1.2.5 整體方案布置

由雙波梁護欄到特殊護欄段，必須進行高度、剛度的雙重過渡設計，過渡長度不應低于10 m；特殊護欄與隧道口的過渡是否合理直接決定車輛是否會碰撞到隧道口壁，因此其過渡長度不宜太短，本設計中暫取L=L1+L2=12 m+10 m=22 m。孟廣成等[7]的研究明確指出：護欄如果直接延伸到隧道內壁處，車輛在近隧道口處發生碰撞時容易發生側傾，會直接撞擊到隧道口壁，因此本研究將護欄逐漸過渡到檢修道邊緣，與隧道口壁不進行連接。

該護欄的設計防護等級為5級(SA級)，而公路路基護欄尤其是波形梁護欄的防護等級一般為3級，本設計中要求過渡段應逐級過渡，過渡段L1的等級宜在3、5級之間，為滿足要求，將護欄高度進行降低并逐步減少橫梁根數，以使該護欄結構具有較好的過渡效果，護欄整體方案如圖3。

圖3 護欄整體方案設計Fig.3 Whole structure design of the rail

2 護欄防護性能分析

根據我國最新頒布實施的JTG B 05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》[10]要求，5級護欄需要滿足的碰撞條件如表1。護欄碰撞點位置如圖3，建立車-護欄的碰撞模型進行仿真計算[11-15]。護欄評價指標如表2。

表1 護欄碰撞條件

表2 SA級碰撞條件下評價結果

2.1 貨車碰撞分析

仿真結果表明，貨車在碰撞護欄后，車輛安全駛出，沒有撞擊到隧道口，符合評價標準的相關要求，車輛行駛軌跡及護欄變形如圖4，護欄最大動態變形量0.286 6 m。

圖4 貨車行駛軌跡及護欄變形Fig.4 Truck trajectory and guard rail deformation

2.2 中型客車碰撞分析

仿真結果表明，客車在碰撞護欄后，車輛安全駛出，沒有撞擊到隧道口，符合評價標準的相關要求；車輛行駛軌跡及護欄變形如圖5。

圖5 客車行駛軌跡及護欄變形Fig.5 Bus trajectory and guard rail deformation

2.3 小客車碰撞分析

仿真結果表明，小客車在碰撞護欄后，車輛安全駛出，符合評價標準的相關要求，護欄變形較小。車輛行駛軌跡如圖6。

圖6 小客車行駛軌跡Fig.6 Car trajectory

2.4 地腳螺栓受力分析

根據仿真計算結果，客車碰撞時地腳螺栓受力最大，提取立柱柱腳螺栓最大受力，螺栓承受最大軸力230 kN，最大剪力170 kN。

螺栓采用8.8級高強度螺栓，按最大軸力230 kN進行校核：

(1)

式中：σ為8.8級高強螺栓的抗拉強度值；F為單個螺栓承受載荷；As為螺紋部分危險截面之計算面積。

按最大剪170 kN進行校核：

(2)

式中：τ為螺栓的抗剪強度值，τ= 0.7σ。

綜合式(1)、式(2)計算結果，根據文獻[16]的標準件截面對比，選取螺栓的直徑不應小于M24，公稱截面積353 mm2。

3 結 語

長大下坡隧道路段車輛速度較高，普通護欄無法滿足安全防護需求。筆者通過計算機仿真方法，并參考護欄的剛度分配設計方法，研究了一種高等級鋼護欄結構形式，該結構形式將標準段護欄與隧道洞壁進行了剛度和高度雙重過渡，防護等級達到SA級(5級)防護要求，可有效避免車輛與隧道口壁直接發生碰撞事故。

[1] 楊宏志,胡慶誼,許金良.高速公路長大下坡路段安全設計與評價方法[J].交通運輸工程學報,2010,10(3):10-16. Yang Hongzhi,Hu Qingyi,Xu Jinliang.Safety design and evaluation method of long-steep downgrade sections for expressway [J].Journal of Traffic and Transportation Engineering,2010,10(3):10-16.

[2] 潘兵宏,楊少偉,趙一飛.山區高速公路長大下坡路段界定標準研究[J].中外公路,2009,29(6):6-10. Pan Binghong,Yang Shaowei,Zhao Yifei.Research on definition standard of long and steep downgrades on mountainous expressway [J].Journal of China & Foreign Highway,2009,29(6):6-10.

[3] 杜博英,方守恩,遲爽.貨車制動在公路長大下坡安全研究中的應用[J].哈爾濱工業大學學報,2010,42(4):656-659. Du Boying,Fang Shouen,Chi Shuang.Using of truck braking in security research of long and steep downgrade on highway [J].Journal of Harbin Institute of Technology,2010,42(4):656-659.

[4] 劉宇佳.高速公路長大下坡速度控制方法與策略研究[D].長春:吉林大學,2011. Liu Yujia.Research on Speed Limited Methods and Strategies of Long Downhill Highway [D].Changchun:Jinlin University,2011.

[5] 牛建峰,王俊驊,董憲元.山區公路緊急避險車道駛入角研究[J].重慶交通大學學報：自然科學版,2010,29(4):604-608. Niu Jianfeng,Wang Junhua,Dong Xianyuan.Research on the angle to truck escapes ramps of mountain roads [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Nature Science,2010,29(4):604-608.

[6] 師恒周.公路長下坡路段避險車道設置位置分析[J].中外公路,2013,33(3):335-339. Shi Hengzhou.Analysis of road rescue lane set position on long downhill highway [J].Journal of China & Foreign Highway,2013,33(3):335-339.

[7] 孟廣成,邰永剛.公路隧道口安全防護隱患解決方案研究[J].公路交通科技,2011(12):289-292. Meng Guangcheng,Tai Yonggang.Research on solution of security hidden danger for road tunnel entrance [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2011(12):289-292.

[8] Roadside Design Guide [S].Washington D.C.:American Association of State Highway and Transportation Officials,2002.

[9] 北京中路安交通科技有限公司.港珠澳大橋主體工程初步設計護欄結構的實車碰撞試驗研究專題研究報告研究總報告[R].北京:北京中路安交通科技有限公司,2010:19-32. Beijing Zhonglu’an Traffic Technological Co.,Ltd.Preliminary Design for Main Construction of HZMB Study on Full-Scale Impact Test for Rail Structure Special Subject Study Report General Research Report [R].Beijing:Beijing Zhonglu’an Traffic Technological Co.,Ltd.,2010:19-32.

[10] JTG B 05-01—2013公路護欄安全性能評價標準[S].北京:人民交通出版社,2013. JTG B 05-01—2013 Standard for Safety Performance Evaluation of Highway Barriers [S].Beijing:China Communications Press,2013.

[11] Manjit S,Sood D,Gupta R K,et al.Dynamic yield strength of mild steel under impact loading [J].Defense Science Journal,2008,58(2):275-284.

[12] 孟廣成,邰永剛.材料應變率對護欄碰撞仿真結果影響研究[J].公路交通科技,2012(6):393-395. Meng Guangcheng,Tai Yonggang.Study on influence of material strain rate to simulation result of barrier crashworthiness [J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2012(6):393-395.

[13] 林國輝,邰永剛,包凌文,等.防撞護欄破壞點控制方法研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2012,31(5):1002-1006. Lin Guohui,Tai Yonggang,Bao Lingwen,et al.Research on method of safety barrier failure point control [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2012,31(5):1002-1006.

[14] 張改,邰永剛.新型公路可導向防撞墊的開發研究[J].重慶交通大學學報:自然科學版,2011,30(5):978-982. Zhang Gai,Tai Yonggang.Development and study on new-type road crash cushion [J].Journal of Chongqing Jiaotong University:Natural Science,2011,30(5):978-982.

[15] Hu Yuqun,Zhao Yapu.Scale effect of plastic strain rate [J].Chinese Journal of Aeronautics,2001,14(1):37-43.

[16] 成大先.機械設計手冊 [M].5版.北京:化學工業出版社,2008. Cheng Daxian.Hand Book of Mechanical Design [M].5th ed.Beijing:Chemical Industry Press,2008.

Steel Rail Structure at Tunnel Entrance in Section of Long and Steep Downgrades

Tai Yonggang1, 2, Zhao Yuan2

(1. Research Institute of Highway, Ministry of Transport, Beijing 100088, China; 2. Beijing Jiaoke Transport Consultants Co. Ltd., Beijing 100191, China)

According to the steel rail structure of tunnel entrance in section of the long and steep downgrades, the structure research on the steel rail structure at the tunnel entrance was carried out. The type of the steel structure was designed in the principle of the structure stiffness design, and the crash processes of large and small vehicles and rail were studied by the method of computer simulation. The results show that the protection level of the steel rail structure can reach SA level, and it is also good for reducing accidents of the vehicles especially large vehicles impacting to the tunnel entrance wall, which effectively reduces the severity of the accident at tunnel entrance in section of the long and steep downgrades.

road engineering; long and steep downgrades; steel rail; computer simulation; tunnel entrance; crash

10.3969/j.issn.1674-0696.2015.05.13

2014-09-01；

2014-11-13

交通運輸部西部交通科技項目(201231836520)

邰永剛(1979—)，男，山東諸城人，高級工程師，碩士，主要從事交通安全設施方面的研究。E-mail：bjcau@126.com。

U417.1

A

1674-0696(2015)05-065-04