土基對(duì)波形護(hù)欄安全性能的影響

黎 波

(酉陽(yáng)縣隆達(dá)公路建設(shè)投資有限公司，重慶 409800)

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車(chē)與橋梁護(hù)欄碰撞后造成人員傷亡的比例逐年攀升，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失。2018年12月重慶萬(wàn)州二橋公交車(chē)撞破護(hù)欄墜入江中導(dǎo)致了巨大的人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失。鑒于上述交通事故給國(guó)家和人民造成了嚴(yán)重的生命財(cái)產(chǎn)損失，探討護(hù)欄與汽車(chē)的碰撞、提高護(hù)欄在發(fā)生碰撞時(shí)對(duì)車(chē)輛內(nèi)部乘員的生命保護(hù)對(duì)提高道路、橋梁的安全等級(jí)具有十分重要的意義。

目前國(guó)內(nèi)外主要通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真模擬以及實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)來(lái)評(píng)估護(hù)欄與車(chē)輛發(fā)生碰撞之后汽車(chē)的變形應(yīng)力用以評(píng)估護(hù)欄的安全性能，實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)雖然能夠比較準(zhǔn)確反映汽車(chē)碰撞后的狀態(tài)但其費(fèi)用較高并且可重復(fù)性低，計(jì)算機(jī)有限元仿真模擬具有造價(jià)低可重復(fù)性高的優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛采用。大連理工大學(xué)的于學(xué)兵[1]采用有限元模擬的方法來(lái)評(píng)定半剛性三波護(hù)欄的安全性能，發(fā)現(xiàn)目前三波形護(hù)欄安全性能較高。重慶交通大學(xué)的周延朝[2]采用計(jì)算機(jī)仿真模擬汽車(chē)與護(hù)欄碰撞的過(guò)程減少了實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)的過(guò)程，為今后新型護(hù)欄的設(shè)計(jì)打下了基礎(chǔ)。通過(guò)上述文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)：計(jì)算機(jī)仿真分析相較于實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)具有可重復(fù)性高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)。但是這些文獻(xiàn)對(duì)于護(hù)欄的研究更多的關(guān)注了護(hù)欄結(jié)構(gòu)本身的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性對(duì)汽車(chē)與護(hù)欄發(fā)生碰撞后乘員安全性，忽視了立柱所在基礎(chǔ)對(duì)于護(hù)欄整體性能也有著較大的影響。因此本文研究了由于在實(shí)際施工過(guò)程中種植土和回填土壓實(shí)度實(shí)際上達(dá)不到規(guī)范要求，在車(chē)輛撞擊護(hù)欄的時(shí)候護(hù)欄橫向位移偏大，導(dǎo)致護(hù)欄的整體剛度降低。本文以地基壓實(shí)土和回填土為研究對(duì)象，壓實(shí)土滿足規(guī)范要求的90%的壓實(shí)度，回填土無(wú)法滿足90%的壓實(shí)度，分析了兩種土基在遭受車(chē)輛碰撞時(shí)受力特性，探討了土基對(duì)于波形梁護(hù)欄在遭受車(chē)輛碰撞時(shí)安全性能是否滿足規(guī)范要求的問(wèn)題，給出了加固建議。

1 研究現(xiàn)狀

湖南大學(xué)的胡高賢[3]研究了土基對(duì)護(hù)欄安全性能的影響。研究發(fā)現(xiàn):在護(hù)欄與車(chē)輛發(fā)生激烈碰撞的時(shí)候，碰撞所產(chǎn)生的能量在很大程度上是由護(hù)欄的變形與橫向位移吸收的。當(dāng)土基壓實(shí)度較小的情況下，護(hù)欄的橫橋向位移取決于土基壓實(shí)度，橫橋向位移隨著土基壓實(shí)度增大而減小；當(dāng)土基壓實(shí)度超過(guò)96%時(shí)，護(hù)欄的橫橋向位移主要受護(hù)欄各部件強(qiáng)度影響。立柱截面的內(nèi)力分布特點(diǎn)與上述情況一致。因此，在道路橋梁兩側(cè)的護(hù)欄施工時(shí)，對(duì)于土基壓實(shí)度的處理是重點(diǎn)，土基壓實(shí)度既不能過(guò)高也不能過(guò)低，只有壓實(shí)度保持在90%左右，護(hù)欄才能發(fā)揮。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所的丁樺[4]對(duì)實(shí)測(cè)成雅路路基壓實(shí)粘土中立柱的受力情況進(jìn)行分析研究。研究發(fā)現(xiàn)：《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》中護(hù)欄立柱的土基要求是壓實(shí)黏土，壓實(shí)黏土可以有效的阻止護(hù)欄在遭受碰撞后發(fā)生橫向位移，但據(jù)統(tǒng)計(jì)，在施工中立柱護(hù)欄的土基很難滿足規(guī)范中的要求，也就是地基土壓實(shí)度不足90%。基于此種情況，可以采用在路面鋪裝下設(shè)置預(yù)制混凝土塊體的加固方法，來(lái)加固隔離帶護(hù)欄基礎(chǔ)。

河南省周口市公路勘察設(shè)計(jì)院的劉偉[5]對(duì)目前我國(guó)在實(shí)際工程使用量最大的A 級(jí)波形梁進(jìn)行了研究，以剛護(hù)欄立柱和立柱基礎(chǔ)為主要研究對(duì)象。研究發(fā)現(xiàn)：在進(jìn)行實(shí)車(chē)碰撞實(shí)驗(yàn)后，常用的A級(jí)波形梁鋼護(hù)欄立柱將會(huì)在地表下0.15 m～0.25 m處發(fā)生失穩(wěn)以及彎曲變形的現(xiàn)象。要確保A級(jí)波形梁護(hù)欄防護(hù)性能滿足規(guī)范要求，必須確保立柱能夠在護(hù)欄梁位移小于0.28 m范圍內(nèi)保持對(duì)護(hù)欄有12.5 kN左右的反作用力。在汽車(chē)與波形梁護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)，立柱將會(huì)發(fā)生彎折，為保證波形梁護(hù)欄的安全性能，要求立柱的彎折點(diǎn)位置不低于路面以下0.2 m。經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)壓實(shí)黏土立柱地基承載力可以滿足護(hù)欄的安全性能要求但是當(dāng)?shù)鼗翂簩?shí)度不足90%時(shí)不滿足規(guī)范要求。

2 波形護(hù)欄碰撞力學(xué)性能分析

2.1 土壤與立柱的相互作用分析

汽車(chē)在與護(hù)欄碰撞過(guò)程中立柱與地基土之間的作用力變化十分復(fù)雜，本文采用日本土木研究所等單位對(duì)護(hù)欄立柱強(qiáng)度的專門(mén)實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果：碰撞加載之后立柱彎曲及彎矩最大位置大致發(fā)生在路面鋪裝以下400 mm處，故基礎(chǔ)對(duì)波形梁護(hù)欄立柱的約束可以簡(jiǎn)化為在地表下400 mm處對(duì)立柱施加一個(gè)全約束。對(duì)于常見(jiàn)的A級(jí)波形梁護(hù)欄，梁板立柱與防阻塊之間的連接采用點(diǎn)焊來(lái)模擬螺栓的連接關(guān)系，當(dāng)汽車(chē)與護(hù)欄發(fā)生碰撞后碰撞力達(dá)到或者超過(guò)失效力的時(shí)候，連接失效，立柱和梁板將會(huì)脫離。失效的判別法則如式(1)所示[1]:

(1)

其中，fsn為軸向極限拉力;fss為極限剪切力；m為法向點(diǎn)焊力指數(shù)；n為剪切點(diǎn)焊力指數(shù)。

2.2 護(hù)欄受力分析

通過(guò)分析可知當(dāng)護(hù)欄承受汽車(chē)撞擊的時(shí)候，護(hù)欄抵抗汽車(chē)撞擊的反力主要由兩方面提供：一是波形梁、立柱等護(hù)欄結(jié)構(gòu)吸收碰撞能量阻擋汽車(chē)翻越、騎跨護(hù)欄，二是土基對(duì)護(hù)欄的橫橋方向的移動(dòng)產(chǎn)生限制，限制作用產(chǎn)生了反作用力，這一部分的力可以看作被動(dòng)土壓力，當(dāng)汽車(chē)與護(hù)欄發(fā)生碰撞的時(shí)候護(hù)欄立柱承受地基土的被動(dòng)土壓力以及汽車(chē)撞擊力的受力圖如圖1所示。

護(hù)欄立柱的位移變形主要是路面鋪裝以下0.15 m～0.25 m處的彎曲與變形位移造成的，理論上可以將這種彎曲狀態(tài)簡(jiǎn)化為一種理想的鋼塑性失穩(wěn)特征。

這種理想的鋼塑性失穩(wěn)狀態(tài)認(rèn)為，護(hù)欄在車(chē)輛碰撞的時(shí)候，其能夠承受的最大彎矩介于立柱的最大彈性彎矩和最大屈服彎矩之間，立柱所能承受的最大彎矩計(jì)算方法見(jiàn)式(2)：

Mmax=α×Me+(1-α)×Mp

(2)

其中，Mmax為最大彎矩;Me為最大彈性彎矩;Mp為屈服彎矩;α為0和1之間的系數(shù)。

對(duì)于現(xiàn)有的φ114×4的立柱，Mmax約為10 kN·m。立柱的極限作用力計(jì)算見(jiàn)式(3)：

(3)

由式(2)、式(3)計(jì)算的結(jié)果可知，在目前常用的A級(jí)波形梁護(hù)欄中，護(hù)欄當(dāng)滿足在護(hù)欄梁0.28 m范圍內(nèi)保持大約1.25 t的反力的條件，在目前的波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)中，護(hù)欄在與汽車(chē)發(fā)生激烈碰撞時(shí)護(hù)欄的橫橋向位移和內(nèi)力將與原來(lái)未換算的結(jié)構(gòu)保持一致。也就是說(shuō)現(xiàn)有規(guī)范規(guī)定的波形梁護(hù)欄，為了使護(hù)欄在發(fā)生碰撞的時(shí)候安全性能得到保障，護(hù)欄的立柱彎折點(diǎn)位置不能過(guò)低。當(dāng)上述情況得到滿足的時(shí)候，不論采用何種類(lèi)型的基礎(chǔ)，護(hù)欄結(jié)構(gòu)的安全性能能夠滿足規(guī)范要求。

綜上所述，當(dāng)立柱基礎(chǔ)壓實(shí)度足夠的時(shí)候(壓實(shí)土)，無(wú)論基礎(chǔ)采取什么方式，當(dāng)波形梁護(hù)欄立柱發(fā)生碰撞的時(shí)候，汽車(chē)的安全性能是滿足規(guī)范要求的，當(dāng)基礎(chǔ)壓實(shí)度降低到最小臨界值90%后，護(hù)欄立柱彎折點(diǎn)的位置會(huì)隨著土基壓實(shí)度的降低而降低，這個(gè)時(shí)候立柱的橫向剛度會(huì)降低，極限水平抗力也會(huì)降低，護(hù)欄的安全性能下降。

3 加固建議

3.1 加密立柱

依據(jù)JTG/T—D81—2017公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則規(guī)定[4]因特殊原因無(wú)法滿足護(hù)欄地基土壓實(shí)度要求時(shí)，經(jīng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件、防護(hù)車(chē)型和護(hù)欄結(jié)構(gòu)的科學(xué)分析和合理論證，局部路段護(hù)欄結(jié)構(gòu)可參照下列方式適當(dāng)進(jìn)行變更。由于現(xiàn)場(chǎng)條件的限制，需局部變更立柱間距時(shí)，打入式立柱間距可縮短到表中的距離，例如目前常用的Gr-A-4E型波形梁護(hù)欄(見(jiàn)圖2)，按照表1可以將立柱間距降低到2.0 m。

加密立柱可以使汽車(chē)在撞擊護(hù)欄的時(shí)候其沖擊力和能力能夠通過(guò)更多的立柱傳遞到地基土，這樣減小單個(gè)立柱受到撞擊的時(shí)候所承受的橫向力，減少立柱在遭受撞擊時(shí)產(chǎn)生的橫向位移，降低發(fā)生車(chē)禍時(shí)人員傷亡的幾率。

3.2 混凝土基礎(chǔ)加固

基于當(dāng)波形梁護(hù)欄立柱地基承載力不能達(dá)到規(guī)范90%的要求時(shí)，承載力得不到滿足，建議提高立柱的剛度、增大立柱的密度，立柱增加可以分散撞擊力到地基，以防立柱被撞倒，增強(qiáng)護(hù)欄的阻擋功能，當(dāng)波形梁護(hù)欄立柱地基承載力不能達(dá)到規(guī)范90%的要求時(shí)，亦可采用增設(shè)局部預(yù)制混凝土塊的方法加固。

對(duì)壓實(shí)度不足的地基土基礎(chǔ)利用混凝土加固的目的是為了增加車(chē)輛與護(hù)欄發(fā)生碰撞時(shí)地基土的被動(dòng)土壓力。傳統(tǒng)的中央分隔帶波形梁護(hù)欄的斷面布置圖見(jiàn)圖3，其立柱直接插入土體中，由于在施工過(guò)程中，地基土多為回填土，多數(shù)回填土不便于進(jìn)行壓實(shí)處理，導(dǎo)致實(shí)際工程中地基土壓實(shí)度多達(dá)不到規(guī)范要求的90%。而設(shè)置混凝土加固基礎(chǔ)可以很好的解決這一問(wèn)題，混凝土加固方法見(jiàn)圖4。

4 結(jié)語(yǔ)

研究波形梁護(hù)欄的安全性能對(duì)城市、高速公路橋梁具有重要的意義。依據(jù)施工中立柱土基壓實(shí)度往往不能達(dá)到規(guī)范要求的實(shí)際問(wèn)題，通過(guò)對(duì)護(hù)欄立柱在發(fā)生碰撞時(shí)的力學(xué)分析得出以下結(jié)論：

1)當(dāng)壓實(shí)土的壓實(shí)度在90%以上時(shí)，護(hù)欄吸收汽車(chē)與護(hù)欄碰撞產(chǎn)生的能量比例較大，在碰撞時(shí)護(hù)欄的安全性能主要由護(hù)欄的整體強(qiáng)度決定，護(hù)欄滿足安全性能的要求。

2)種植土、回填土立柱基礎(chǔ)的承載能力普遍不能滿足規(guī)范要求的90%壓實(shí)度要求，吸收碰撞能量的能力較弱，此時(shí)護(hù)欄的安全性能主要由地基土壓力決定，不能滿足護(hù)欄安全性能要求。

3)當(dāng)?shù)鼗翂簩?shí)度不足90%的時(shí)候，采用加密立柱或者混凝土加固基礎(chǔ)后，地基承載力基本滿足要求。