鋼背竹景觀護欄結構設計與試驗研究

吳清高 周琪 吳霜

摘 ?要：竹材具有生長周期短、產量高、比強度大、環(huán)保及可再生等特點，可作為景觀護欄構件的優(yōu)質材料。竹材膠合板作為竹材的主要加工成品，易于切割和組裝，是景觀護欄優(yōu)選的型材。竹材膠合板比強度較高，但其抗拉強度和延伸率較低，不宜作為單獨的承力構件。通過將竹材膠合板與型鋼構件按一定方式組合和優(yōu)化，設計完成了一種鋼背竹景觀護欄，并對該護欄進行了B級碰撞條件下的安全性能評價。結果表明，鋼背竹景觀護欄具有良好的阻擋功能、導向功能和緩沖功能，符合評價標準要求。

關鍵詞：竹材膠合板 ?鋼背竹 ?景觀護欄 ?安全性能評價 ?實車碰撞試驗

中圖分類號：U417.1 ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? 文章編號：1672-3791（2019）05（b）-0063-05

護欄作為道路最主要的安全防護設施，其主要作用是防止車輛沖出路外或進入對向車道，使車輛回復到正常行駛方向，最大限度地減少對乘員的傷害。在進行護欄設計時，往往考慮安全性和經濟性兩方面，而較少地考慮景觀性能。隨著我國經濟的快速發(fā)展，人民生活水平的不斷提高，道路使用者對護欄的功能要求也發(fā)生了變化。護欄不僅要是安全的，還要是美觀與環(huán)境友好的。基于這種需求，研究人員正著手景觀護欄的研究和開發(fā)。

目前，國外關于景觀護欄的研究比較成熟，但其景觀護欄的防撞等級較低且型式以鋼背木為主[1-2]。國內對景觀護欄的研究相對較少，主要涉及常規(guī)混凝土護欄或鋼護欄的外觀設計[3-4]。綜合考慮護欄的安全、美觀和環(huán)境友好功能，優(yōu)選的景觀護欄是鋼背木護欄。鋼背木護欄的木材體積相對較大，而木材資源又相對缺少，大量地使用木材必然造成資源浪費。竹材由于具有生長周期短、產量高、比強度高、環(huán)保及可再生等特點，可作為木材的替代品。因此，有必要選定一種竹材，研究開發(fā)一種景觀護欄，使其符合中國護欄安全性能評價標準要求。

1 ?竹材的選定

竹材膠合板是通過將竹條進行橫向和縱向組坯，按一定的纖維排列方式和配比方式，經過涂膠、片材組合、熱壓后制作而成，具有膠合性能好、強度高、耐老化、耐腐燭等特點，易于切割和組裝，是作為景觀護欄優(yōu)選的型材。竹材膠合板的比強度較高，甚至比低碳鋼還高，護欄設計時能否用其作為單獨的承力構件需要進一步分析。以往研究表明，竹材膠合板是一種正交各向異性材料，其順紋方向力學性能較好，其中順紋抗拉強度最高[5-7]。因此，該文首先對竹材膠合板試驗樣品進行順紋抗拉試驗，以獲得順紋彈性模量、順紋抗拉強度、延伸率等信息。試驗樣品原材為毛竹，產自浙江省諸暨市。考慮到現行技術標準中尚無對竹材膠合板受拉標準試件尺寸的規(guī)定，此次竹材膠合板試件標準尺寸參考《木材順紋抗拉強度試驗方法》（GB/T 1938-2009）[8]。試驗采用電子萬能材料試驗機（CSS44250）進行勻速加載，加載速率為1mm/min，以保證試件在2min內發(fā)生破壞。共完成3個試件的拉伸試驗，破壞形態(tài)如圖1所示。

根據試驗拉伸曲線，通過計算獲得試件的順紋抗拉彈性模量、順紋抗拉強度和延伸率，如表1所示。

根據圖1和表1可知，竹材膠合板試件在其順紋方向受到拉力作用時，延伸率在1%以內，發(fā)生了脆性破壞，加之，竹材膠合板的順紋抗拉彈性模量和順紋抗拉強度相對較低，因此，該文選用的竹材膠合板不宜作為單獨的承力構件，需將其與強度較高、韌性較好、使用較為普遍的鋼構件按一定方式組合和優(yōu)化，設計一種鋼背竹景觀護欄。

2 ?設計目標及試驗條件

目前，通往景區(qū)的道路對于景觀護欄的需求量最大，而景區(qū)道路以二級及以下道路為主。根據現行護欄設計規(guī)范JTG D81-2006的規(guī)定，二級及以下道路護欄設置的一般等級為B級[9]。因此，該文擬開發(fā)的鋼背竹景觀護欄的目標設計等級為B級，碰撞能量需達到70kJ。

根據現行護欄設計規(guī)范的規(guī)定，采用新護欄產品之前，需按照現行《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的要求，對護欄進行實車碰撞試驗，并評價護欄的導向功能、阻擋功能和緩沖功能[10]。鋼背竹景觀護欄需進行B級安全性能驗證，試驗碰撞條件如表2所示。

3 ?護欄方案設計

梁柱式護欄由于具有吸能好、重量輕、結構型式靈活、占用面積小、通透性好等優(yōu)點，鋼背竹景觀護欄的結構應優(yōu)先選用梁柱式結構，即主要承力構件為立柱和橫梁。考慮到設計護欄需同時滿足小型車和中型車的防護要求，護欄應至少包括上下兩層橫梁。從節(jié)約和施工方便的角度，兩層橫梁為優(yōu)選。經調查統(tǒng)計，小型車輛的保險杠下翼緣高度不大于36cm、車頭高度一般小于80cm，為防止小型車輛下鉆護欄，下層橫梁中心高度為50cm比較合適。為防止大型車輛越出護欄或側翻，同時為避免失控車輛的乘員頭部直接撞擊護欄，上層橫梁中心高度為90cm比較合適。

立柱和橫梁宜采用易于獲取和加工方便的型材，如方管、矩形管、圓管等。由于竹材膠合板一般為平板，為了降低加工難度和減少竹材的浪費，鋼構件主要采用方鋼或矩形鋼，鋼構件通過膠粘和螺栓連接方式與竹板進行組合。立柱采用方鋼外包竹板，橫梁采用矩形鋼外包竹板。下層橫梁主要防護對象為小型車輛，為了增加與小型車輛碰撞時的接觸面積和控制材料成本，可通過增加橫梁寬度、減小鋼管厚度的方式來實現。上層橫梁主要防護對象為中型車輛，為了增加橫梁的剛度，可通過增加鋼管厚度來解決。立柱與橫梁之間不設防阻塊而直接相連，以保持護欄的美觀和協(xié)調。

考慮到二級及以下道路存在彎道較多，護欄單元長度不宜過長，2m較為合適。由于該類別道路路肩較窄、基礎條件不理想，護欄立柱在車輛碰撞下可能發(fā)生傾覆。因此，護欄立柱基礎可采用現澆連續(xù)式素混凝土型式，能較大地提高基礎的強度和可靠度，并使成本增加較少。

綜合考慮安全性、可靠性、經濟性、加工方便性、美觀和適用性等因素，完成了鋼背竹景觀護欄的方案設計，如圖2所示。

4 ?碰撞試驗分析

4.1 計算機模擬碰撞試驗分析

目前，實車足尺寸碰撞試驗是評價護欄安全性能認可度最高的方法，但其費用較高。在護欄開發(fā)驗證過程中，通常采用計算機模擬碰撞試驗作為輔助手段對護欄的安全性能進行初步驗證，并根據結果對結構進行優(yōu)化。根據鋼背竹景觀護欄的CAD模型、材料性能參數以及相關簡化假設，通過劃分網格、設定材料參數、設置邊界條件等工作，最終建立了護欄的有限元模型（如圖3所示），共有約43.0萬個節(jié)點、36.0萬個單元。在車輛碰撞過程中，竹板吸能效果相比鋼構件要小很多，為了提高計算的效率，在碰撞點后6m、前14m區(qū)域內的立柱和橫梁將鋼構件和竹板進行組合建模，其他區(qū)域僅對鋼構件進行建模。模型中矩形鋼、方鋼采用薄殼單元，其Q235鋼材料選用多線性、彈塑性、各向同性硬化材料進行模擬，并通過Cowper-Symons模型考慮材料的應變率硬化效應。模型中竹板采用實體單元，材料簡化為雙線性彈塑性模型，通過定義塑性失效應變和最大失效主應力來模擬竹板的脆性斷裂。螺栓采用彈簧單元外包殼單元的方式處理，采用基于懲罰函數法的接觸算法解決接觸非線性問題。

根據表2實車碰撞試驗條件，采用國際上應用廣泛的非線性顯式動力學有限元分析程序LS-DYNA對鋼背竹景觀護欄進行了計算機模擬碰撞試驗，車輛導向后姿態(tài)和護欄變形如圖4所示。

小型客車、中型客車和大型客車碰撞護欄后，車輛均沒有穿越、翻越和騎跨護欄，行駛姿態(tài)正常并平穩(wěn)駛出，護欄發(fā)揮了較好的阻擋功能和導向功能。小型客車碰撞護欄后，乘員碰撞速度和乘員碰撞后加速度均滿足標準規(guī)定。

由鋼背竹景觀護欄的計算機模擬碰撞試驗結果可知，其安全性能的各項評價指標均符合現行JTG B05-01標準的要求，但還需進行實車碰撞試驗驗證，最終評價結論必須以實車碰撞試驗結果為準。

4.2 實車碰撞試驗分析

根據現行JTG B05-01標準對公路B級防護等級護欄安全性能評價的要求，對鋼背竹景觀護欄進行了實車碰撞試驗。實際碰撞小轎車質量為1.47t，碰撞速度為60.11km/h，碰撞角度為20.3°;實際碰撞中型客車質量為10.01t，碰撞速度為40.06km/h，碰撞角度為20.1°;實際碰撞中型貨車質量為10.02t，碰撞速度為40.06km/h，碰撞角度為20.1°。碰撞試驗前護欄及車輛如圖5所示。

圖6的實車碰撞試驗過程表明，護欄有效地阻擋了碰撞車輛，沒有發(fā)生翻車、穿越、翻越、騎跨和下穿護欄等現象;中型客車和中型貨車碰撞后均保持正常的行駛姿態(tài)，平穩(wěn)駛離護欄，輛輪跡在駛離點后20m范圍內沒有越過導向駛出框邊界線，滿足邊界要求（見圖7）;小型客車碰撞后盡管發(fā)生了一定的阻拌現象，但車輛最終停在碰撞區(qū)域，車輛輪跡在駛離點后10m范圍內沒有越過導向駛出框邊界線，滿足邊界要求（見圖7）;車輛碰撞過程中，竹板和鋼構件協(xié)調變形較好（見圖8），護欄構件沒有侵入車輛乘員艙。因此，鋼背竹景觀護欄具有良好的阻擋功能和導向功能。

實車碰撞試驗中，在小型客車的重心位置安裝了加速度傳感器，用以測量車輛在碰撞過程中的加速度。基于連枷空間模型（Flail Space Model），根據圖9車輛重心處縱向和橫向加速度時間歷程曲線，可以計算出乘員碰撞速度的縱向與橫向分量分別為9.5m/s和1.9m/s，均小于12m/s，符合評價標準要求。乘員碰撞后加速度縱向分量的10ms間隔最大值為103.88m/s2，乘員碰撞后加速度橫向分量的10ms間隔最大值為24.50m/s2，均小于200m/s2，滿足評價標準規(guī)定。

作為輔助性評價指標，在小型客車內安裝了試驗假人用來測試假人頭部和胸部相關性能指標[11]，其結果如表3所示。

小型客車碰撞時乘員碰撞速度、乘員碰撞后加速度、假人頭部性能指標等結果表明，鋼背竹護欄具有良好的緩沖功能。

5 ?結論

（1）竹材膠合板具有較強的比強度，但其抗拉強度和延伸率較低，不宜作為單獨的護欄承力構件。

（2）通過將竹材膠合板與鋼構件按一定方式組合和優(yōu)化，綜合考慮安全性、可靠性、經濟性、加工方便性、美觀和適用性等因素，設計完成了鋼背竹景觀護欄。

（3）按照《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的要求，對鋼背竹景觀護欄進行了B級碰撞條件下的安全性能評價。結果表明，該護欄具有良好的阻擋功能、導向功能和緩沖功能，滿足評價標準要求。

參考文獻

[1] American Association of State Highway and Transportation Officials，AASHTO[S].Roadside design guide 4th Edition Washington，DC，2011.

[2] 車両用防護柵標準仕様·同解說[S].1999.

[3] 方堅宇，張穎，劉小勇，等.鳳凰型美觀混凝土護欄開發(fā)研究[J].公路工程，2008，33（6）：126-129.

[4] JTG/T D81—2006，公路交通安全設施設計細則[S].

[5] 李霞鎮(zhèn)，徐明，蔡蕓，等.電測法測試結構用重組竹彈性常數的研究[J].安徽農業(yè)大學學報，2015，42（5）：756-760.

[6] 楊瑞珍.Glubam材料的性能研究與應用[D].湖南大學，2013.

[7] 王文靜，左宏亮，郭楠，等.膠合竹順紋受拉力學性能試驗研究[J].低溫建筑技，2015，202（4）：38-40.

[8] GB/T 1938-2009，木材順紋抗拉強度試驗方法[S].

[9] JTG D81—2006，公路交通安全設施設計規(guī)范[S].

[10] JTG B05-01—2013，公路護欄安全性能評價標準[S].

[11] 中國汽車技術研究中心.C-NCAP管理規(guī)則（2018年版[EB/OL].[2018-07-03].http：//www.c-ncap.org/cms/files/cncap-regulation-2018.pdf.