高速公路中央分隔帶門型護欄開發研究

周琪 吳霜 卜倩淼 李勇

摘? ?要：研究開發一種新型SBm級雙層雙波門型護欄，可應用于高速公路中央分隔帶新建和改擴建工程。按照《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2017）SB級（280kJ）碰撞條件，采用計算機有限元仿真分析和實車碰撞試驗方法，驗證1.5t小客車、10t中型客車和18t中型貨車碰撞條件下護欄的安全性能。經檢驗，研發的門型護欄安全性能滿足SB級安全性能評價標準。與新設現行設計標準《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）（以下簡稱“現行設計標準”）SB級中分帶三波梁護欄相比，新建門型護欄用鋼量節省7.97%，將原有中分帶波形梁護欄改造為門型護欄，用鋼量節省28.35%。當大規模改造為研發的SB級門型護欄時，與新設SB級中分帶三波梁護欄相比，節約工程造價17.11%，與新設SB級中分帶混凝土護欄相比，節約工程造價29.15%，經濟效益明顯，具有良好的市場推廣前景。

關鍵詞：中央分隔帶? 門型護欄? 實車碰撞試驗? 有限元仿真

中圖分類號：U417? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）04（c）-0091-05

中央分隔帶護欄具有分隔對向車輛，防止車輛穿越對向車道的作用。現有中央分隔帶波形梁護欄采用分離式時，未能將兩道波形梁護欄連接形成整體，削弱了其整體剛度。中國2006年以前建設的高速公路，護欄設計依據[1]，要求護欄的防護能量僅為70kJ，中央分隔帶護欄一般采用Φ114×4.5mm立柱和3mm雙波梁板。2006—2017年間的護欄設計依據[2]，2017年至今的護欄設計依據[3]，要求對于貨車比例高的路段，其防護等級應達到SB級。我國在前期進行了部分中央分隔帶波形梁護欄提升改造，但均未將左右兩道護欄連接成為整體。本文開發一種新型SBm級雙層雙波門型護欄，可應用于高速公路中央分隔帶新建和改擴建工程。參照文獻[5]的SB級碰撞試驗條件要求，采用有限元分析和實車碰撞試驗分析方法，對研究方案的防護性能進行評價，并進行了經濟性分析。

1? 試驗方法與方案設計

1.1 試驗方法

大量研究[6-13]表明，隨著計算機仿真技術的發展完善，有限元已作為結構優化和安全性能預判的有效方法。為驗證SBm級雙層雙波門型護欄的防護能力，本文采用有限元仿真試驗分析和實車足尺碰撞試驗驗證。根據現行《公路護欄安全性能評價標準》（JTG-B05-01-2013）SB級（四級）的試驗碰撞條件，對該護欄初步方案和優化方案進行有限元仿真試驗分析，對確定后的優化方案進行實車足尺碰撞試驗驗證，碰撞試驗條件見表1。

1.2 初步方案

本文研發護欄應可應用于新建和改擴建，應在設計之初充分考慮利用原有波形梁護欄構件，并使設計方案能夠滿足SB級防護性能。從安全性、經濟性和適用性考慮，初步提出4種改造方案。

方案一和方案二均采用整體式門型立柱交替分設型普通立柱，方案一為上下兩層4mm雙波板，方案二為上層3mm+下層4mm雙波板。方案三和方案四采用分離式門型立柱外套管+立柱，方案三波形板的布置與方案二相同，方案四將上層波形板改為圓管橫梁。

按照SB級碰撞試驗條件，對四種初步設計方案進行有限元仿真試驗分析。

計算機仿真試驗結果表明：四種初步設計方案安全性均滿足SB級防護性能要求，但初步設計方案三中型客車在碰撞過程中挑起較高，存在翻越護欄的風險。

作為改造方案時，與新設SBm級三波護欄和整體式混凝土護欄相比，工程造價均有降低，方案三造價最低，分別節省34.24%和43.79%。

作為改造方案時，方案一、二、三均只能適用于原有防阻塊型護欄，方案四可用于原有防阻塊型和托架型護欄;方案三和方案四在路面加鋪后仍能使用，加鋪后護欄距離路面總高度保持不變，不影響美觀性。

方案一和方案二施工便捷性差，需鉆孔埋入整體式門柱;方案四橫梁托架與門型外套管連接復雜，加工難度大。

綜合比較，初步設計方案中，方案三造價最低，施工和加工最便捷，路面加鋪后仍然適用，為最優初步設計方案，但方案三只能用于原有托架型中央分隔帶護欄改造，進行繼續優化。

1.3 方案優化設計

在方案三的基礎上，進行優化設計。將防阻塊改為托架，進行防護性能分析。優化后的SBm級雙層雙波門型護欄由Φ114立柱、Φ140門型外套管、托架、3mm波形梁板、4mm波形梁板等構成。Φ114立柱打入或先鉆孔再打入中分帶種植土里，通過Φ140門型外套管將中分帶兩側Φ114立柱連接起來，形成門型組合式立柱，立柱間距為2m。將上下兩層波形梁板通過托架與門型組合式立柱相連，形成雙層雙波門型護欄。下層波形梁板厚度為4mm，中心距離路面或路緣石的高度為60cm;上層波形梁板厚度為3mm，中心距離路面或路緣石的高度為100cm。護欄結構如圖1所示。

2? 安全性能分析

2.1 小型客車試驗情況

通過對比小型客車實車碰撞試驗前后照片，小型客車碰撞過程中，車輛前部發生較大程度的變形，但對乘員艙的擠壓程度較輕。車輛碰撞護欄后，護欄的變形范圍為4m，護欄構件沒有脫落，護欄未侵入乘員艙，立柱土基礎破壞較輕，立柱路面以下部分折彎較小，護欄迎撞面有一定變形，殘留變形值為0.3m，護欄外邊緣變形較小，殘留變形僅有0.14m。

2.1.1 小型客車加速度數據

小型客車重心處加速度時間歷程曲線如圖8所示。

小型客車乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量10ms間隔平均值絕對值的最大值分別為ax=77.5m/s2和ay=91.2m/s2，均小于200m/s2，滿足評價標準要求。根據車輛重心處加速度數據，可計算出乘員碰撞速度縱向和橫向分量的絕對值分別為vx=7.9和vy=5.3m/s，均小于12m/s，符合標準要求。

2.1.2 小型客車運行軌跡

SBm級雙層雙波門型護欄實車碰撞試驗過程中，小型客車的運行軌跡如圖9所示。

仿真試驗中，護欄成功阻擋住了小型客車，車輛在t=0.2s時已經轉向，并逐漸行駛到正常路線，未發生騎跨和穿越護欄的現象，說明特殊路段處置方案三護欄對小型客車的阻擋功能和導向功能均滿足。

實車試驗中，小型客車碰撞護欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨和下穿防護欄。雖然車輛駛離護欄后，車頭部分與護欄發生二次接觸，產生一定的甩尾，但沒有發生翻車、掉頭現象，最終停在碰撞點前方26m靠近護欄的位置。車輛輪跡經過導向駛出框（A=4.72m，B=10m）時，輪跡最遠處與護欄迎撞面初始位置的距離X=2.84m，滿足邊界要求。

仿真和實車試驗護欄的最大動態變形量分別為0.35m和0.44m。

2.2 中型客車試驗情況

通過對比中型客車實車碰撞試驗前后照片，中型客車碰撞護欄后，護欄的變形范圍為15m，護欄構件沒有脫落，護欄未侵入乘員艙。碰撞區域內立柱土基礎有一定程度破壞，立柱路面以下部分折彎較為嚴重，護欄迎撞面變形較大，殘留變形值為1.0m，護欄外邊緣變形相對較小，殘留變形為0.53m。

SBm級雙層雙波門型護欄實車碰撞試驗過程中，大型貨車的運行軌跡如圖10所示。

仿真分析中，護欄成功阻擋住了中型客車，車輛在t=0.5s時已經轉向，并逐漸行駛到正常路線，未發生騎跨和穿越護欄的現象，護欄對中型客車的阻擋功能和導向功能均滿足，但車輛躍起較高，車輛有翻越護欄的風險，仍有進一步優化的空間。

實車試驗中，中型客車碰撞護欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨護欄，車輛正常導出，行駛姿態正常。車輛輪跡經過導向駛出框（A=7.77m，B=20m）時，輪跡最遠處與護欄迎撞面初始位置的距離X=5.90m，滿足邊界要求。

仿真和實車試驗護欄的最大動態變形量分別為0.81m和1.03m。

2.3 大型貨車試驗情況

通過對比大型貨車實車碰撞試驗前后照片，大型貨車碰撞護欄后，護欄的托架發生破壞，碰撞區域向后（行車方向）迎撞面側的波形梁板掉落，護欄構件及脫離件并未侵入乘員艙。碰撞區域內立柱土基礎發生較大程度的破壞，立柱路面以下部分折彎嚴重，碰撞區域內護欄變形較大，護欄外邊緣的殘留變形為0.78m。

SBm級雙層雙波門型護欄實車碰撞試驗過程中，大型貨車的運行軌跡如圖11所示。

仿真試驗中，護欄阻擋住了大型貨車，車輛在t=0.8s時已經轉向離開護欄，未發生騎跨和穿越護欄的現象，護欄對大型貨車的阻擋功能和導向功能均滿足。

實車碰撞試驗中，小型客車碰撞護欄后，車輛沒有穿越、翻越、騎跨和下穿防護欄。雖然車輛駛離護欄后，車頭部分與護欄發生二次接觸，產生一定的甩尾，但沒有發生翻車、掉頭現象，最終停在碰撞點前方26m靠近護欄的位置。車輛輪跡經過導向駛出框（A=8.73m，B=20m）時，輪跡最遠處與護欄迎撞面初始位置的距離X=2.65m，滿足邊界要求。

仿真和實車試驗護欄的最大動態變形量分別為0.81m和1.34m。

2.4 試驗結論

依據我國現行《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-2013），經計算機仿真試驗和實車足尺碰撞試驗驗證，SBm級雙層雙波門型護欄在SB級（四級）小型客車、中型客車和大型貨車碰撞條件下，該護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能指標符合JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的要求，該護欄的安全性能滿足SB級（四級）防護等級要求。

3? 經濟性分析

與現行設計標準中推薦的SBm級三波形梁鋼護欄相比，當SBm級雙層雙波門型護欄用于護欄新建時，用鋼量節省7.32%;當SBm級雙層雙波門型護欄用于護欄改造時，用鋼量節省28.35%，而當原有護欄波形梁板厚度為4mm時，用鋼量會節省更多。

通過使用SBm級雙層雙波門型護欄進行大規模護欄改造時，與新設SBm級三波護欄相比，工程造價節省17.11%，雙側節省248元/延米，與新設整體式混凝土護欄相比，節省29.15%，雙側節省248元/延米，495元/延米。

4? 結語

本文研究開發一種新型SBm級雙層雙波門型護欄，可應用于高速公路中央分隔帶新建和改擴建工程。經計算機仿真試驗和實車足尺碰撞試驗驗證，SBm級雙層雙波門型護欄在SB級（四級）小型客車、中型客車和大型貨車碰撞條件下，該護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能指標符合JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的要求，該護欄的安全性能滿足SB級（四級）防護等級要求。

與新設SB級中分帶三波梁護欄相比，新建門型護欄用鋼量可節省7.97%，將原有中分帶波形梁護欄改造為門型護欄用鋼量可節省28.35%，當大規模改造為研發的SB級門型護欄時，與新設現行設計標準SB級中分帶三波梁護欄相比可節省造價17.11%，與新設SB級中分帶混凝土護欄相比，可節省造價29.15%，經濟效益明顯，具有良好的市場推廣前景。

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