高速公路中央分隔帶活動護欄設計與試驗研究*

崔洪軍，邢江柯，李 霞，朱志強，武偉偉，楊懷軍

(1.河北工業(yè)大學 土木與交通學院，天津 300401；2.上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司天津分公司，天津 300401)

高速公路中央分隔帶活動護欄是為了車輛在特殊情況下能夠進入反方向車道上行駛而設置的，因此活動護欄必須同時兼具便捷的移動性和較強的防撞能力。目前我國常用的活動護欄過多注重其移動性，在防撞性能方面存在明顯欠缺。一旦車輛遇到事故發(fā)生穿越時，極有可能與對向車輛相撞，從而引發(fā)重大的交通安全事故[1-3]。

混凝土護欄具有防撞能力強、導向功能好以及養(yǎng)護和維修工作量小等優(yōu)點，在實際工程中被大量采用。但現(xiàn)有的混凝土活動護欄體積和重量過大，難以移動，當遇到緊急情況時，無法及時開口放行，可能會造成更為嚴重后果。因此，設計一種防撞性強且移動性好的新型混凝土活動護欄對提升高速公路行駛安全性及發(fā)生事故后的處理效率都有重大意義[4-8]。

筆者結(jié)合相關學者的研究成果[9-14]及JTG D 81—2006《公路交通安全設施設計規(guī)范》[15]的相關規(guī)定，參照Am級F型混凝土護欄的構(gòu)造要求，在混凝土護欄內(nèi)部設計一套移動裝置，利用有限元軟件對裝置各部分部件進行了受力模擬計算。針對移動裝置設計對護欄配筋進行了設計，結(jié)合配筋設計了一種護欄的新型連接方式，并利用該連接方式設計護欄的抗傾覆方式。最終通過實驗驗證了該型活動護欄具有活動性能好、抗撞能力強的優(yōu)勢。

1 移動裝置設計

混凝土實驗護欄長2 m，底寬0.566 m，總重1.46 t。由于護欄自重很大，為保持護欄平衡，設計采用4個腳輪來支撐護欄移動，單個腳輪的承載力設計為600 kg。為使護欄具有更好地靈活性，將4個腳輪分為前后兩組且采用不同型式的腳輪，前輪采用萬向輪，后輪采用定向輪，尺寸均為6.67 cm。

整套移動裝置由手柄、螺桿、外套筒、底桿及腳輪這5部分組成。其中：底板、底桿和腳輪連接方式為一體式連接，并可嵌套于護欄外套筒內(nèi)。工作人員可通過旋轉(zhuǎn)手柄，實現(xiàn)外套筒內(nèi)壁與螺桿外壁螺紋的相互咬合，以達到混凝土護欄自由升降的目的，如圖1。

圖1 移動裝置整體示意Fig. 1 Overall schematic view of movable device

1.1 手柄設計

根據(jù)文獻[16] ，外套筒螺紋螺母手柄設計參數(shù)：鋼材型號為Q235；最大應力為41 MPa；極限強度為235 MPa；手柄形狀為T型。

手柄上部橫桿長度是螺桿中心到人手施力點的距離，考慮到螺桿頭部尺寸及工人握手距離，手柄實際長度還應加上(150～250) mm，此處取250 mm，則有式(1)：

(1)

式中：Lp為手柄長度；K為加于手柄上的臂力，根據(jù)實際情況，K=75 N；T為螺旋副間的摩擦阻力矩，T=45 N·m。

通過式(1)可獲得Lp的值為850 mm；考慮到外套筒以及螺桿的實際尺寸，將T型豎桿的長度取為350 mm，T型豎桿的直徑取為28 mm。

把手柄簡化成一個懸臂梁，按彎曲強度確定T型上部橫桿直徑dp，其強度條件如式(2)、(3)：

(2)

(3)

式中：[σ]為極限強度，[σ]=120 MPa；dp≥21.5 mm，由材料的統(tǒng)一標準，將dp=24 mm。

手柄底端截面的設計尺寸如圖2，通過建立局部有限元模型對手柄接觸部分進行受力分析，得到其應力云圖和位移云圖如圖3。

圖2 一字突起截面Fig. 2 Section diagram of horizontal straight protuberance

圖3 一字突起仿真Fig. 3 Simulation nephograms of horizontal straight protuberance

1.2 螺桿設計

為滿足螺桿的耐磨性、強度、形狀要求，將螺桿中徑d2按式(4)要求選定，

(4)

式中：F為設計最大起重量，F(xiàn)=12 kN；Pp為螺紋副許用壓強，由于此例屬于鋼對鋼的低速轉(zhuǎn)動，Pp=10 MPa；Ψ為整體式螺母換算系數(shù)，Ψ=1.2。

根據(jù)標準螺紋中徑的相關規(guī)定，由式(4)可求得，取d2=25.5 mm。由此獲得螺桿的螺紋規(guī)格及相關參數(shù)，如表1。

表1 螺桿設計參數(shù)Table 1 Design parameters of bolt

為讓各部件能協(xié)調(diào)工作，螺桿與手柄配合部位選用一字槽，其尺寸與手柄底端一字突起部分對應，對螺桿接觸部分進行受力分析，得到螺桿接觸部分的應力云圖和位移云圖(圖4)。

圖4 一字槽仿真云圖Fig. 4 Simulation nephograms of horizontal straight groove

1.3 外套筒螺紋螺母設計

考慮到0.5 mm的安裝誤差，將外套筒螺紋螺母按表2的尺寸設計，外套筒如圖5。

表2 外套筒設計參數(shù)Table 2 Design parameters of outer sleeve

圖5 外套筒尺寸Fig. 5 Size of outer sleeve

1.4 鉸接軸、底桿、墊塊及底板設計

鉸接軸、底桿、墊塊及底板的材料均采用Q235鋼，為了與套筒良好配合，將底桿上部設置成圓柱體，直徑為28 mm。上端的凹槽與套筒上焊接的突起配合，以固定底桿，底桿中部用來完成正方體到圓柱體的過度，設計尺寸如圖6。

圖6 各部件尺寸Fig. 6 Size of component

針對部件的較脆弱、易損壞部位，通過有限元模型作靜力分析，可以得到底桿下端以及墊塊的應力云圖和位移云圖如圖7。

通過模擬各部件受力后的狀態(tài)得到了上述仿真云圖，統(tǒng)計重點接觸位置仿真結(jié)果，如表3。

圖7 底桿下端和墊塊仿真云圖Fig. 7 Simulation nephograms of lower end of the bottom bar and cushion block

危險位置最大應力/MPa材料強度極限/MPa最大位移/μm是否滿足設計使用要求手柄接觸部位(一字突起)93.82354.95滿足螺桿接觸部位(一字槽)82.13554.97滿足墊塊27.72351.19滿足底桿下端接觸部分31.42353.77滿足

2 連接方式設置

筆者結(jié)合以往護欄研發(fā)相關經(jīng)驗，綜合考慮護欄受力整體性、拆裝方便性和地基錨固難易程度等3個方面，設計了一種縱向連接方式。并在配筋上采用一體式構(gòu)造方案，通過護欄外露弧形鋼筋交替外伸的方法，使兩護欄塊的外伸弧形鋼筋能夠交叉咬合，然后內(nèi)插鋼管實現(xiàn)相鄰混凝土單元有效連接。撞擊后，該裝置還可通過微調(diào)弧形鋼筋形狀、替換新鋼管的方式實現(xiàn)縱向連接快速還原，如圖8、9。

圖8 弧形鋼筋式連接Fig. 8 Connection mode of curved reinforcement

圖9 一體式鋼筋配筋示意Fig. 9 Reinforcement figure of integrated steel

3 抗傾覆設計

為保證護欄裝置在撞擊過程中抗傾覆要求，需合理設置埋深及鋼管尺寸，且應滿足力學平衡條件，如式(5)：

(5)

鋼管埋深如式(6)：

(6)

式中：Fmax為護欄所受撞擊力，其值可由傳感器測得；H為護欄高；h為撞擊點到護欄頂距離；B為護欄底部寬度；G為護欄裝置總重量，單個護欄重量為1.46 t；n位鋼管數(shù)量。

由式(6)可獲得鋼管的埋深為38 cm，為充分保證護欄裝置的抗傾覆性能，d=40 cm；參考相關工程經(jīng)驗，將鋼管壁厚取為5 mm，直徑取為38 mm。

4 移動性驗證

移動護欄之前，首先需要用手柄將護欄提升至指定高度。實際操作中，旋轉(zhuǎn)手柄力度不是很大，一般成年人可以完成，手柄每旋轉(zhuǎn)一周，混凝土護欄可升高0.5 cm，整體升高到4 cm約需要2 min，提升效果良好。

因混凝土護欄重量較大，啟動時需較大推動力，兩個成年人方可完成；移動中需推動力較小，一個人即可完成，推動速度可達0.4 m/s，方向控制也比較靈活，可做小角度旋轉(zhuǎn)，活動性能良好。

5 防撞能力驗證

通過對多起相關交通事故調(diào)查，發(fā)生事故時，車輛通常會在慣性作用下連續(xù)碰撞幾跨護欄。筆者提出的撞擊試驗主要針對單跨護欄，其吸收能量占總能量比值在相關文獻有具體規(guī)定[17]，可據(jù)此推算護欄裝置整體防撞能力。

筆者通過借鑒相關學者的研究成果[18-19]，利用重錘模擬汽車撞擊護欄試驗，以驗證新型護欄防撞能力，并根據(jù)實際情況對本次試驗做如下假設：

1) 由于重錘質(zhì)量大，忽略其做單擺運動過程的能量損失；

2) 因混凝土單元塊受撞擊面傾幅小，可將其看作垂直平面；

3) 重錘做單擺運動過程中可能會產(chǎn)生輕微轉(zhuǎn)動，基于重錘的球冠面設計，可不計此影響。

5.1 實驗方案設計

在地面上每隔2.08 m打插桿孔，推動護欄至合適位置，使護欄底部套環(huán)與地面插桿孔對齊，將鋼管穿過套環(huán)并插入孔中，再次微調(diào)護欄，以確保護欄安裝合理。

架設高速攝像機系統(tǒng)，并連接控制器顯示裝置。為方便后期測距、測速，需在護欄旁邊設置比對標尺，并在傳感器上方涂染顏料以作位置標注。

利用質(zhì)點振動系統(tǒng)中的單擺運動原理，預先通過吊車將重錘升起到指定位置，使重錘中心對準傳感器。實驗開始后，釋放重錘，讓其在重力作用下做單擺運動，到達最低點時恰與護欄中央傳感器相撞。

5.2 實驗結(jié)果分析

1) 撞擊能力滿足要求。通過對碰撞視頻資料進行測速，可得重錘撞向護欄的即時速度為5.9 m/s，重錘彈起的速度為0.9 m/s。本次試驗重錘的質(zhì)量為3.141 t，根據(jù)速度變化，推算出護欄吸收能量為53.4 kJ，滿足文獻[20] 對護欄碰撞吸收能量的研究。

2) 從碰撞結(jié)果來看，該新型混凝土護欄有效阻擋了重錘沖擊，而且碰撞中未出現(xiàn)護欄傾倒、混凝土破碎、組件飛出等現(xiàn)象，證明該型護欄具有較強的防撞能力，如圖10。

圖10 護欄碰撞后損壞情況Fig. 10 Damage after guardrail collision

3) 高速攝像機攝錄的撞擊過程中4個瞬間，如圖11、12。

圖11 撞擊瞬間Fig. 11 Instant of collision

圖12 碰撞后細節(jié)Fig. 12 Detailed view after collision

由圖11可看出：6塊混凝土單元均有不同程度位移，其中：直接被撞擊的護欄位移明顯，最外側(cè)護欄位移偏小。這證明護欄間的連接方式有效，保障了護欄板整體受力，同時也將撞擊力傳遞給地基，并保證了護欄的穩(wěn)定性。

由圖12可知：受正面撞擊的混凝土護欄出現(xiàn)一條貫穿整個混凝土塊的細小裂縫，有一個套環(huán)發(fā)生撕裂(因施工人員讀錯圖紙，導致套環(huán)鋼筋直徑變小所致)，整套護欄裝置僅出現(xiàn)了輕微破壞。

4) 試驗后護欄整體變形如圖13。通過對碰撞視頻資料進行測距得到：護欄最大變形為423.9 mm，殘余變形224 mm，滿足高速公路安全性能評價標準要求。

圖13 碰撞后護欄整體變形Fig. 13 Global deformation after guardrail collision

6 結(jié) 論

1) 筆者設計的新型混凝土活動護欄在保證具備足夠的防撞能力和隔離防護性能基礎上，能更加快捷、自如地移動，達到臨時開放的功能，更好地發(fā)揮其在中央分隔帶開口處的作用。文中提出的混凝土護欄連接方式，與現(xiàn)今常用連接方式相比，具有更好的力學傳導效果和增強混凝土護欄抗傾覆能力。同時對移動裝置設計方案進行了實例驗證，滿足靈活移動的設計目的。

2) 筆者提出的沖擊試驗主要針對單跨護欄，未考慮直接撞擊護欄單元塊連接縫時的安全性。在實際混凝土護欄施工中，針對護欄連接部分，需進行偏安全驗算，并通過采用高強度套環(huán)鋼筋、錨固鋼管及合理設置鋼管埋置深度等方式，以提高整套護欄裝置的安全、可靠性；該混凝土護欄縱向連接方式可能涉及到內(nèi)插鋼管防盜問題，在實際護欄施工中，可通過鋼管處橫向打孔及合理安裝橫向螺栓的方式予以解決。

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