HA級三橫梁組合式橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)優(yōu)化

李勤策,龔 帥,喻丹鳳,楊福宇

（1.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心化湛管理處,廣東 廣州 524000;2.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100071）

HA級三橫梁組合式橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)優(yōu)化

李勤策1,龔 帥2,喻丹鳳1,楊福宇2

（1.廣東省南粵交通云湛高速公路管理中心化湛管理處,廣東 廣州 524000;2.北京華路安交通科技有限公司,北京市 100071）

為提升一些特殊危險(xiǎn)路段公路護(hù)欄對于大型車輛的防護(hù)能力，依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)，通過優(yōu)化施工方便性與經(jīng)濟(jì)性，提出一種三橫梁組合式護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并采用有限元仿真的技術(shù)手段，對其安全防護(hù)性能進(jìn)行分析，結(jié)果表明：優(yōu)化結(jié)構(gòu)具有與通過碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的橋梁護(hù)欄相當(dāng)或略優(yōu)的安全性能指標(biāo)，防護(hù)等級可達(dá)到HA級。研究結(jié)果能夠在特殊危險(xiǎn)路段對大型車輛形成良好防護(hù)，可有效降低由于大型運(yùn)輸車輛穿越或翻越橋側(cè)護(hù)欄墜落橋下的事故嚴(yán)重程度。

橋梁護(hù)欄；實(shí)車碰撞試驗(yàn)；防護(hù)等級；計(jì)算機(jī)仿真；安全性能

0 引言

在高速公路建設(shè)過程中，存在一些特殊危險(xiǎn)路段，如跨越或途經(jīng)飲用水源、高速鐵路、加油站等路段，這些危險(xiǎn)路段需要進(jìn)行特殊防護(hù)。2013年底，《公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》（JTG B05-01—2013）（以下簡稱《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》）頒布，將公路護(hù)欄的最高等級從SS級提高到HA級，極大提高了對特殊危險(xiǎn)路段大型車輛的防護(hù)能力。某三橫梁組合式護(hù)欄通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)能力達(dá)到了HA級，但是其加工和施工較為困難。以通過碰撞試驗(yàn)的HA級三橫梁組合式護(hù)欄為基礎(chǔ)，建立有限元計(jì)算機(jī)仿真模型，通過實(shí)車碰撞試驗(yàn)對仿真模型的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證后，研究得到三橫梁組合式護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)。

1 規(guī)范規(guī)定

1.1 防護(hù)等級

為提高公路護(hù)欄在特殊危險(xiǎn)路段的安全防護(hù)水平，2013年12月交通運(yùn)輸部頒布了《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》。《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》的表3.0.1提出護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段、護(hù)欄過渡段和中央分隔帶開口護(hù)欄的防撞等級按設(shè)計(jì)防護(hù)能力劃分為八級（見表1）[1]，相對于原來的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)在《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》中增設(shè)了HB級與HA級高防護(hù)等級，這兩種等級的護(hù)欄要求采用1.5 t小客車、25 t大客車、40 t整體貨車和55 t拖頭貨車對護(hù)欄進(jìn)行系統(tǒng)碰撞分析（見圖1），大幅度提高了公路護(hù)欄對大型車輛的安全防護(hù)能力。

表1 護(hù)欄的防護(hù)等級[1]

圖1 HB與HA級護(hù)欄規(guī)定碰撞車型

1.2 碰撞條件

《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》對護(hù)欄不同防護(hù)等級對應(yīng)的碰撞條件規(guī)定，HA級護(hù)欄碰撞條件見表2。

2 某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄及優(yōu)化方案

2.1 某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄

圖2為經(jīng)碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證防護(hù)等級達(dá)到HA級的某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄基本結(jié)構(gòu)[2-4]：護(hù)欄總高1.5 m；混凝土基座高550 mm，底寬500 mm，迎撞面采用改進(jìn)型F坡面形式；上部金屬梁柱結(jié)構(gòu)高950 mm，由橫梁、立柱組成，橫梁呈上、中、下三排分布，橫梁凈間距為220 mm，下橫梁中心距混凝土基座頂面210 mm；立柱為人字形，由Q345B材質(zhì)鋼板焊接而成，立柱中心線間距為2 m；預(yù)埋螺栓型號為M30，錨固深度為430 mm。

表2 HA級護(hù)欄碰撞試驗(yàn)條件[1]

圖2 某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄基本結(jié)構(gòu)（單位：mm）

該三橫梁組合式橋梁護(hù)欄防護(hù)等級達(dá)到HA級，對于特殊危險(xiǎn)路段大型車輛具有良好的防護(hù)效果，但是在實(shí)際工程應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該護(hù)欄存在一些問題（見圖3）：立柱粗大，不符合“強(qiáng)梁弱柱”的設(shè)計(jì)理念；立柱不易加工，產(chǎn)生廢料，經(jīng)濟(jì)不佳；立柱安裝較為困難，施工費(fèi)用高；不通透，景觀效果不佳。可見三橫梁組合式橋梁護(hù)欄還具有較大優(yōu)化空間。

圖3 立柱加工和安裝困難

2.2 優(yōu)化方案

為提升上述三橫梁組合式橋梁護(hù)欄施工方便性和經(jīng)濟(jì)性，基于這種結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提出三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化方案，如圖4所示，可見優(yōu)化方案在原三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的基礎(chǔ)上僅將立柱改為斜H形立柱，并保持其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變，其設(shè)計(jì)理念符合“強(qiáng)梁弱柱”的原則，同時(shí)這種立柱形式更易加工和安裝，且節(jié)省了材料量，又具有良好的抗彎性能和景觀效果。

圖4 三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化結(jié)構(gòu)（單位：mm）

3 優(yōu)化方案規(guī)范符合性分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，針對三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化方案的護(hù)欄高度、混凝土墻體坡面形式、金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接及橫梁凈距分別進(jìn)行規(guī)范符合性分析。

3.1 護(hù)欄高度

《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T D81—2006）（以下簡稱《設(shè)計(jì)細(xì)則》）對于HA級的橋梁組合式護(hù)欄高度尚未給出明確規(guī)定，根據(jù)理論分析和以往多次實(shí)車試驗(yàn)驗(yàn)證，優(yōu)化方案護(hù)欄高度采用1.5 m具有合理性，能夠保證護(hù)欄的安全防護(hù)性能，因此符合規(guī)范要求。

3.2 混凝土墻體坡面形式

根據(jù)《設(shè)計(jì)細(xì)則》第5.4.4條規(guī)定，組合式護(hù)欄的混凝土部分推薦采用改進(jìn)型F坡面，如圖5所示，未經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，不得隨意改變護(hù)欄迎撞面的截面形狀[5]。優(yōu)化方案護(hù)欄混凝土墻體采用改進(jìn)型坡面，符合規(guī)范要求。

3.3 金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接

金屬梁柱結(jié)構(gòu)與混凝土墻體通過地腳螺栓連接，兩者連接強(qiáng)度不僅與地腳螺栓強(qiáng)度有關(guān)，還與混凝土對地腳螺栓的錨固深度有關(guān)。優(yōu)化方案采用的10.9級M30高強(qiáng)螺栓及其預(yù)埋深度均符合《地腳螺栓（錨栓）通用圖》（HG/T 21545—2006）行業(yè)規(guī)范要求，且該螺栓強(qiáng)度及預(yù)埋深度可靠性已經(jīng)過碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證。

圖5 組合式護(hù)欄推薦坡面形式（單位：mm）

3.4 橫梁凈距

根據(jù)《設(shè)計(jì)細(xì)則》第5.4.1條引入的美國橋梁護(hù)欄幾何尺寸的新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁之間的凈距宜位于如圖6a所示的陰影區(qū)以內(nèi)或以下；與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁的總高度之和與立柱高度之比宜位于如圖6b所示的陰影區(qū)以內(nèi)或以上。優(yōu)化方案護(hù)欄橫梁之間的凈距與立柱的退后距離均位于如圖6a所示的陰影區(qū)內(nèi)三角形位置，可見屬于優(yōu)選方案；同時(shí)優(yōu)化方案與立柱的退后距離對應(yīng)的橫梁的總高度之和與立柱高度之比均位于如圖6b所示的陰影區(qū)內(nèi)三角形位置，屬于可選方案。綜上所述，優(yōu)化方案橫梁凈距符合規(guī)范要求。

通過與相關(guān)規(guī)范對比分析，優(yōu)化方案護(hù)欄總高度、混凝土墻體坡面形式、金屬梁柱結(jié)構(gòu)底部連接、橫梁凈距均符合規(guī)范要求。

圖6 橋梁護(hù)欄構(gòu)件規(guī)格和設(shè)置位置的選取標(biāo)準(zhǔn)[5]

4 優(yōu)化方案安全性能評估

從安全角度出發(fā)，采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的計(jì)算機(jī)仿真模型對優(yōu)化方案護(hù)欄安全性能進(jìn)行評估。

4.1 評估指標(biāo)

根據(jù)《評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對護(hù)欄進(jìn)行安全性能評估的指標(biāo)包括阻擋功能、緩沖功能和導(dǎo)向功能，以下為具體說明：

（1）阻擋功能指護(hù)欄應(yīng)阻擋車輛穿越、翻越和騎跨，護(hù)欄構(gòu)件及其脫離碎片不得侵入車輛乘員艙[1]。

（2）緩沖功能指乘員碰撞速度的縱向與橫向分量均不得大于12 m/s，乘員碰撞后加速度的縱向與橫向分量均不得大于200 m/s2[1]。

（3）導(dǎo)向功能指車輛碰撞護(hù)欄后不得翻車，運(yùn)行軌跡在如圖7所示的導(dǎo)向駛出框內(nèi)不得越過直線F，其中參數(shù)A和B的取值規(guī)定見表3[1]。

圖7 車輛運(yùn)行軌跡要求

4.2 評估方法

根據(jù)評估指標(biāo)，按如圖8所示的評估路線對三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化方案的安全防護(hù)性能進(jìn)行評估。

4.3 仿真模型可靠性驗(yàn)證

圖9為四種車型碰撞過程的仿真與試驗(yàn)對比圖，可以看出仿真與試驗(yàn)的四種車型行駛姿態(tài)基本相同，從車輛行駛姿態(tài)角度驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。

表3 參數(shù)A和B的取值

圖8 評估路線圖

圖9某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄碰撞過程仿真與試驗(yàn)對比

圖10 為四種車型碰撞后某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄變形的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比圖，可以看出護(hù)欄整體變形情況相似，從護(hù)欄變形角度驗(yàn)證了仿真模型的可靠性。

圖10 某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄變形的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比

建立的計(jì)算機(jī)仿真模型通過與大量碰撞試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗(yàn)證，表明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性，為三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化方案的安全性能評估奠定了基礎(chǔ)。

4.4 護(hù)欄安全性能評估

采用經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度計(jì)算機(jī)仿真模型對優(yōu)化方案護(hù)欄進(jìn)行仿真碰撞分析[6-9]，并將得到的仿真結(jié)果與某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄仿真結(jié)果進(jìn)行定性對比，以評估優(yōu)化方案的安全性能。

表4為四種車型碰撞優(yōu)化方案模型及某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄模型過程，可見優(yōu)化方案護(hù)欄具有良好的阻擋功能，通過對比，可見與某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄性能相當(dāng)，車輛均平穩(wěn)駛出，沒有出現(xiàn)穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)。

表5為小客車碰撞優(yōu)化方案護(hù)欄及某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的乘員碰撞速度與乘員碰撞后加速度的仿真結(jié)果對比，可見兩種護(hù)欄形式均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對乘員碰撞速度不得大于12 m/s及乘員碰撞后加速度不得大于200 m/s2的要求。通過對比可見優(yōu)化方案護(hù)欄的緩沖功能優(yōu)于某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄，說明優(yōu)化方案相對某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄在保持橫梁剛度不變的情況下，通過適當(dāng)降低立柱剛度使護(hù)欄緩沖功能有所提升，同時(shí)也驗(yàn)證了“強(qiáng)梁弱柱”設(shè)計(jì)理念的合理性。

表4 車輛碰撞護(hù)欄過程對比

表5 小客車碰撞護(hù)欄加速度值對比

表6為四種車型碰撞優(yōu)化方案護(hù)欄與某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的行駛軌跡圖，可見車輛碰撞護(hù)欄后行駛軌跡均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對導(dǎo)向駛出框的要求，同時(shí)通過對車輛行駛軌跡進(jìn)行對比分析，可以看出優(yōu)化方案護(hù)欄與某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的導(dǎo)向功能基本相當(dāng)。

表7為大型車輛碰撞后優(yōu)化方案護(hù)欄與某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的上部鋼結(jié)構(gòu)變形情況對比，可以直觀地看出優(yōu)化方案護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)變形比某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄更加平順，再次驗(yàn)證了“強(qiáng)梁弱柱”設(shè)計(jì)理念的合理性。

以上仿真結(jié)果分析表明，優(yōu)化方案護(hù)欄均具有與通過碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的某三橫梁組合式橋梁護(hù)欄相當(dāng)或略優(yōu)的安全性能指標(biāo)，防護(hù)等級可達(dá)到HA級；優(yōu)化方案符合“強(qiáng)梁弱柱”的設(shè)計(jì)理念是其安全性能指標(biāo)優(yōu)于通過HA級碰撞試驗(yàn)護(hù)欄結(jié)構(gòu)

表6 車輛碰撞護(hù)欄過程行駛軌跡對比

表7 碰撞后護(hù)欄上部鋼結(jié)構(gòu)變形情況對比

的主要原因。

5 結(jié)語

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范規(guī)定，結(jié)合經(jīng)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的某橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)，提出三橫梁組合式橋梁護(hù)欄優(yōu)化方案，建立高精度計(jì)算機(jī)仿真模型，對優(yōu)化方案進(jìn)行安全性能評估，結(jié)果表明三橫梁組合式橋梁護(hù)欄的防護(hù)等級達(dá)到HA級，可對特殊危險(xiǎn)路段大型車輛進(jìn)行有效防護(hù)，能夠有效降低由于大型運(yùn)輸車輛穿越或翻越橋側(cè)護(hù)欄墜落橋下的概率，可在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。

[1]JTG B05-01—2013，公路護(hù)欄安全性能評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[2]龐杰,李雷,謝鵬.基于橋側(cè)護(hù)欄形式的中央分隔帶護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究[J].公路工程,2017,42(2):33-37.

[3]蔡向陽.高防護(hù)等級景觀橋梁鋼護(hù)欄的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與評價(jià)[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2015(8)：208-209,248.

[4]龔平,王新,王燕德.高防護(hù)等級橋梁鋼護(hù)欄景觀設(shè)計(jì)研究[J].公路交通科技:應(yīng)用技術(shù)版,2016(3)：341-344.

[5]JTG/T D81—2006，公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則[S]．

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U443.7

B

1009-7716（2017）12-0068-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.12.020

2017-08-22

李勤策（1981-），男，廣東臺山人，高級工程師，從事公路建設(shè)工作。