特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄設(shè)計(jì)研究

李勤策，亢寒晶,盧旭偉,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）

0 引言

混凝土橋梁護(hù)欄是一種較為常見(jiàn)的橋梁護(hù)欄形式，它是一種剛性護(hù)欄結(jié)構(gòu)，較易達(dá)到高防護(hù)等級(jí)。通過(guò)合理的坡面設(shè)計(jì)，可使車(chē)輛碰撞時(shí)爬升從而迫使失控車(chē)輛改變行駛方向，有效降低乘員的傷害程度[1]；通過(guò)合理的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和高度設(shè)計(jì)，可對(duì)車(chē)輛進(jìn)行有效攔截，特別是可以防止大型車(chē)沖出路外。混凝土護(hù)欄碰撞后幾乎沒(méi)有橫向變形，因此適合橋梁橋路段的防護(hù)。

國(guó)內(nèi)的高防護(hù)等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄最高高度為1.1 m，可滿足大部分橋梁路段的安全防護(hù)需求。但隨著交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展和交通壓力的增大，在一些特殊危險(xiǎn)路段，例如因橋梁線形、橋梁高度、交通量、車(chē)輛構(gòu)成、運(yùn)行速度等不利現(xiàn)場(chǎng)條件，或橋梁跨越國(guó)家高速公路網(wǎng)、高速鐵路、飲用水源地等易造成更嚴(yán)重碰撞后果的路段[2]，現(xiàn)有的高防護(hù)等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄已經(jīng)不能完全滿足安全防護(hù)需求，需要更高等級(jí)的混凝土橋梁護(hù)欄。

基于橋梁護(hù)欄的防護(hù)需求和混凝土護(hù)欄的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，采用理論計(jì)算和實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)與計(jì)算機(jī)仿真分析相結(jié)合的方法[3]，進(jìn)行特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的設(shè)計(jì)研究。

1 設(shè)計(jì)荷載

公路護(hù)欄的防護(hù)能力可按照《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B05-01—2013的規(guī)定進(jìn)行安全評(píng)估。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的防護(hù)等級(jí)見(jiàn)表1，其中最高防護(hù)等級(jí)為HA級(jí)，防護(hù)能量760 kJ[4]，是世界上護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)中防護(hù)能量最高的等級(jí)，選擇按照HA級(jí)碰撞條件要求進(jìn)行特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的設(shè)計(jì)研究。

表1 護(hù)欄防護(hù)等級(jí)

HA級(jí)護(hù)欄碰撞條件見(jiàn)表2，因鞍式貨車(chē)為分節(jié)結(jié)構(gòu)，較整體式大貨車(chē)在碰撞中產(chǎn)生的碰撞力小，整體式大貨車(chē)碰撞產(chǎn)生的碰撞力最大。

表2 HA級(jí)護(hù)欄碰撞條件

利用公式可計(jì)算在HA級(jí)條件下車(chē)輛碰撞混凝土護(hù)欄的最大橫向碰撞力。最大橫向碰撞力計(jì)算公式為[2]：

式中：Fmax為最大橫向碰撞力，kN；m為車(chē)輛質(zhì)量，kg；V1為車(chē)輛的碰撞速度，m/s；θ為車(chē)輛的碰撞角度，°；C為車(chē)輛重心至前保險(xiǎn)杠之間的距離，m；b為車(chē)輛的寬度，m；Z為護(hù)欄的橫向變形，m。

根據(jù)HA級(jí)護(hù)欄整體式貨車(chē)的碰撞試驗(yàn)條件，各參數(shù)取值為：m=40 000 kg，V1=65 km/h，θ=20°，C=5.2m，b=2.6m，Z=0m，則 Fmax=738.8 kN。特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的強(qiáng)度需能夠承受738.8 kN的橫向碰撞力。

2 護(hù)欄設(shè)計(jì)及配筋驗(yàn)算

2.1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的的適用混凝土護(hù)欄坡面結(jié)構(gòu)的坡面形式有單坡面和F型坡面，見(jiàn)圖1。

圖1 混凝土護(hù)欄坡面形式

在實(shí)踐應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，車(chē)輛碰撞單坡面混凝土護(hù)欄時(shí)車(chē)身向內(nèi)傾斜，較易發(fā)生車(chē)輛內(nèi)翻；F型坡面相比單坡面具有更好的導(dǎo)向性，并與單坡面具有相同的緩沖性能，因此選擇F型坡面為特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄坡面結(jié)構(gòu)形式。合理設(shè)置阻爬坎可有效改善護(hù)欄的導(dǎo)向功能和防車(chē)輛側(cè)翻功能，同時(shí)可以對(duì)護(hù)欄頂部進(jìn)行有效加強(qiáng)，因此護(hù)欄頂部設(shè)置阻爬坎。

護(hù)欄高度是混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)的重要參數(shù)，對(duì)混凝土護(hù)欄的安全防護(hù)功能至關(guān)重要，合理的高度設(shè)計(jì)可以顯著增加混凝土護(hù)欄的安全儲(chǔ)備。設(shè)計(jì)中HA級(jí)混凝土護(hù)欄路面以上高度可設(shè)計(jì)為1.3 m，《高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10621—2014）條文說(shuō)明給出的跨高速鐵路橋梁混凝土護(hù)欄路面以上高度為1.4 m[5]。護(hù)欄的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“以人為本”的原則，在條件允許的情況下適當(dāng)增加護(hù)欄的安全儲(chǔ)備，可以更好的防護(hù)大型車(chē)輛，能夠適應(yīng)多種特殊危險(xiǎn)路段，同時(shí)更可以對(duì)一些超載、超速車(chē)輛形成一定防護(hù)，因此取特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄路面以上高度1.4 m。

綜合特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的坡面設(shè)計(jì)和高度設(shè)計(jì)方案，得到護(hù)欄設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)（單位：mm）

2.2 護(hù)欄配筋驗(yàn)算

設(shè)計(jì)護(hù)欄墻體豎向配筋為直徑16 mm的III級(jí)鋼筋，間距150 mm；縱向配筋為直徑12 mm的III級(jí)25根鋼筋，見(jiàn)圖3。

圖3 配筋設(shè)計(jì)（單位：mm）

車(chē)輛碰撞護(hù)欄時(shí)受力位置、危險(xiǎn)截面見(jiàn)圖4。碰撞力受力點(diǎn)在距護(hù)欄頂面向下5 cm處，配筋強(qiáng)度是否滿足HA級(jí)碰撞力要求需進(jìn)行驗(yàn)算。

圖4 危險(xiǎn)截面（單位：mm）

2.2.1 抗彎承載力計(jì)算方法

要驗(yàn)算配筋強(qiáng)度，首先需要計(jì)算危險(xiǎn)截面的抗彎承載力。設(shè)截面N-N（N取I或II或III）的抗彎承載力為MN-N，在計(jì)算截面上取1 m的長(zhǎng)度作為計(jì)算區(qū)域，即b=1 000 mm。設(shè)區(qū)域內(nèi)受壓鋼筋面積A's，受拉鋼筋面積As，截面寬度h。護(hù)欄迎撞面保護(hù)層厚度為4.5 cm，背部保護(hù)層厚度為3 cm，所以受壓鋼筋中心到截面背部距離a′=38 mm，受拉鋼筋中心到截面迎撞面距離a=53 mm，設(shè)鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度f(wàn)y，抗壓強(qiáng)度f(wàn)'y，混凝土抗壓強(qiáng)度f(wàn)c，抗壓區(qū)域?qū)挾葂。

按照兩種方法進(jìn)行計(jì)算。

（1）方法一：按雙筋矩形截面驗(yàn)算

忽略混凝土的抗壓效果，由受力平衡得到：fcbx+f'yA's=fyAs，則 x＜2a'，說(shuō)明受壓區(qū)鋼筋不會(huì)達(dá)到其抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度，則抗彎承載力為：

Mu1=fyAs（h-a-a'）

（2）方法二：按單筋矩形截面驗(yàn)算

按照單筋截面不考慮受壓鋼筋時(shí)：

比較Mu2與Mu1大小，從安全角度考慮，抗彎承載力MN-N取Mu1-Mu2與中的較小值。

2.2.2 抗彎承載力計(jì)算

按照設(shè)計(jì)方案，各截面參數(shù)中h皆不相同，A's、As、b、a′、a 取值相同，為：A's=1 339 mm2，As=1 339 mm2，b=1 000 mm，a′=38 mm，a=53 mm；III級(jí)鋼筋設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度為fy=f'y=fsd=330 MPa，混凝土設(shè)計(jì)抗壓強(qiáng)度f(wàn)c=13.80 MPa。

（1）截面I-I抗彎承載力

測(cè)量得到h=238 mm。

按雙筋矩形截面計(jì)算截面I-I抗彎承載力Mu1=65.0 kN·m；

按照單筋截面計(jì)算有x=32.02 mm，Mu2=74.7kN·m。

由于Mu2＞Mu1，故計(jì)算截面的抗彎承載力：M1-1=Mu1=65.0 kN·m

（2）截面II-II抗彎承載力

測(cè)量得到h=414 mm。

按雙筋矩形截面計(jì)算截面II-II抗彎承載力為Mu1=142.7 kN·m；

按照單筋截面計(jì)算有x=32.02 mm，Mu2=152.4 kN·m。

由于 Mu2＞Mu1，截面 II-II抗彎承載力：MII-II=Mu1=14.27 kN·m。

（3）截面III-III抗彎承載力

測(cè)量得到h=565 mm。

按雙筋矩形截面計(jì)算截面III-III抗彎承載力為 Mu1=209.4 kN·m；

按照單筋截面計(jì)算有 x=32.02 mm，Mu2=219.2 kN·m。

由于 Mu2＞Mu1，截面 III-III抗彎承載力：MII-II=Mu1=209.4 kN·m。

2.2.3 屈服線理論

采用屈服線分析方法確定護(hù)欄對(duì)橫向荷載的抗力標(biāo)準(zhǔn)值Rw，當(dāng)碰撞發(fā)生在護(hù)欄標(biāo)準(zhǔn)段時(shí)：

屈服線發(fā)生的臨界長(zhǎng)度Lc應(yīng)為：

式中：Ft為橫向碰撞荷載，kN；H為護(hù)欄的有效高度，m；Lc為屈服線破壞模式的臨界長(zhǎng)度，m；Lt為碰撞荷載分布的縱向長(zhǎng)度，m；Rw為護(hù)欄的總的橫向承載能力，kN；Mw為關(guān)于豎向軸的承載彎矩，kN·m；Mb為除Mw外的橫梁附加承載彎矩，kN·m；Mc為懸臂型護(hù)欄關(guān)于橋梁縱軸的承載彎矩，kN·m。

現(xiàn)澆層厚度一般為0.1 m，根據(jù)護(hù)欄設(shè)計(jì)高度和現(xiàn)澆層厚度有H=（1.5-0.05）m=1.45 m。

單根縱筋橫截面積為A=113.04 mm2，根據(jù)配筋方案，在同一水平面的縱向筋共11組，設(shè)每組內(nèi)部距離最遠(yuǎn)的兩根縱筋之間的距離為li，測(cè)量得到 l1至 l11依次為 115 mm、96 mm、119 mm、149 mm、179 mm、220 mm、240 mm、270 mm、301 mm、416 mm、441 mm，則

取Lt=2.4 m，Mb=0，得到屈服線發(fā)生的臨界長(zhǎng)度Lc=4.25 m，最后得到Rw=815.9 kN。

Rw=815.9 kN＞Ft=738.8 kN，滿足強(qiáng)度要求。

3 護(hù)欄安全性能評(píng)估

通過(guò)以往試驗(yàn)與仿真的對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的高精度計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄進(jìn)行安全性能評(píng)估[6-8]。

3.1 仿真模型及驗(yàn)證

通過(guò)某混凝土護(hù)欄臺(tái)車(chē)試驗(yàn)仿真與實(shí)際的對(duì)比和某特高等級(jí)混凝土護(hù)欄仿真和實(shí)車(chē)碰撞的對(duì)比驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。

采用2 t臺(tái)車(chē)以30 km/h速度正面碰撞鋼筋混凝土護(hù)欄，采用仿真模型模擬相同情況下的臺(tái)車(chē)試驗(yàn)。圖5為碰撞結(jié)果的對(duì)比，可以看出仿真和試驗(yàn)混凝土護(hù)欄裂紋效果一致，說(shuō)明仿真模型具有較高的準(zhǔn)確性。

圖5 混凝土破壞情況對(duì)比

采用38 t重的鞍式貨車(chē)，碰撞速度65 km/h，碰撞角度20°，碰撞能量723 kJ，碰撞特高等級(jí)混凝土護(hù)欄，并按照該護(hù)欄碰撞條件建立計(jì)算機(jī)仿真模型。圖6為仿真模型模擬結(jié)果與實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的對(duì)比，可以看到車(chē)輛行駛姿態(tài)基本一致，驗(yàn)證了仿真模型模擬的準(zhǔn)確性，為采用該仿真模型進(jìn)行特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的安全性能評(píng)估奠定了基礎(chǔ)。

圖6 車(chē)輛碰撞護(hù)欄過(guò)程對(duì)比

3.2 計(jì)算機(jī)仿真安全性能評(píng)估

按照特高等級(jí)橋梁混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)、配筋和碰撞條件建立高精度計(jì)算機(jī)仿真模型，對(duì)特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄是否滿足《公路護(hù)欄安全性能評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)》JTG B05-01—2013指標(biāo)要求進(jìn)行評(píng)估。

3.2.1 小客車(chē)碰撞

圖7為小客車(chē)碰撞過(guò)程，可見(jiàn)車(chē)輛駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨和下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)[4]。

圖7 小客車(chē)碰撞過(guò)程

表3為小客車(chē)碰撞緩沖指標(biāo)，縱向和橫向乘員碰撞速度均小于12 m/s，縱向和橫向乘員碰撞后加速度均小于200 m/s2，護(hù)欄緩沖功能良好。

表3 小客車(chē)碰撞緩沖指標(biāo)

圖8為小客車(chē)行駛軌跡圖，可以看出小客車(chē)駛離護(hù)欄后10 m未越出4.7 m寬的駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖8 小客車(chē)碰撞行駛軌跡圖

3.2.2 大客車(chē)碰撞

圖9大客車(chē)碰撞過(guò)程，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越和騎跨護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好。

圖9 大客車(chē)碰撞過(guò)程

圖10為大客車(chē)行駛軌跡圖，可以看出大客車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出9.1 m寬的駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖10 大客車(chē)碰撞行駛軌跡圖

3.2.3 整體式貨車(chē)碰撞

圖11為整體式貨車(chē)碰撞過(guò)程，可見(jiàn)車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好[4]。

圖11 整體式貨車(chē)碰撞過(guò)程

圖12為整體式貨車(chē)行駛軌跡圖，可以看出整體式貨車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出8.8 m寬的駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖12 整體式貨車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖13為整體式貨車(chē)碰撞后護(hù)欄損壞情況，可見(jiàn)混凝土護(hù)欄表面有損壞，但未對(duì)結(jié)構(gòu)主體造成影響。

圖13 整體式貨車(chē)碰撞護(hù)欄損壞情況

3.2.4 鞍式貨車(chē)碰撞

圖14為鞍式貨車(chē)碰撞過(guò)程，車(chē)輛平穩(wěn)駛出，沒(méi)有發(fā)生穿越、翻越、騎跨、下穿護(hù)欄現(xiàn)象，碰撞后車(chē)輛恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，護(hù)欄阻擋功能良好[4]。

圖14 鞍式貨車(chē)碰撞過(guò)程

圖15為鞍式貨車(chē)行駛軌跡圖，可以看出鞍式貨車(chē)駛離護(hù)欄后20 m未越出9.6 m寬的駛出框，且車(chē)輛駛離后未翻車(chē)，護(hù)欄導(dǎo)向功能良好。

圖16為鞍式貨車(chē)碰撞后護(hù)欄損壞情況，可見(jiàn)，混凝土護(hù)欄表面有損壞，但未對(duì)結(jié)構(gòu)主體造成影響。

4 結(jié)論

按照HA防護(hù)等級(jí)碰撞力和碰撞條件的要求，進(jìn)行特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。通過(guò)理論計(jì)算，特高等級(jí)混凝土橋梁護(hù)欄強(qiáng)度滿足HA級(jí)護(hù)欄碰撞力要求；采用經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證的高精度計(jì)算機(jī)仿真模型，模擬HA級(jí)碰撞條件下四種車(chē)型碰撞特高等級(jí)混凝土護(hù)欄過(guò)程，安全性能評(píng)估結(jié)果顯示護(hù)欄的攔截功能、導(dǎo)向功能、緩沖功能均滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖15 鞍式貨車(chē)碰撞行駛軌跡圖

圖16 鞍式貨車(chē)碰撞護(hù)欄損壞情況

研究成果可為公路橋梁路段提供有效的安全防護(hù)，可在公路橋梁路段應(yīng)用，并為其他特高等級(jí)護(hù)欄和特殊危險(xiǎn)橋梁路段護(hù)欄的設(shè)計(jì)提供參考。

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

[2]JTG D81-2006,公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]閆書(shū)明.防撞活動(dòng)護(hù)欄碰撞分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) (交通科學(xué)與工程版),2013,37(5):1046-1050.

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

[5]TB 10621—2014,高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6]閆書(shū)明.有限元仿真方法評(píng)價(jià)護(hù)欄安全性能的可行性[J].振動(dòng)與沖擊,2011,30(1):152-156.

[7]閆書(shū)明,包琦瑋,惠斌,等.整體貨車(chē)和拖頭貨車(chē)碰撞護(hù)欄分析[J].特種結(jié)構(gòu),2011,28(1):82-85.

[8]周煒,張?zhí)靷b,崔海濤,等.轎車(chē)與公路護(hù)欄碰撞的有限元仿真[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,34(3):298-303.