三（A）級波形梁護欄逐級加高技術研究

孔大川 吳凈潔 張鑌 梁亞平

1.青島市公路事業發展中心 266101

2.北京中路安交通科技有限公司 100071

引言

我國公路早期病害嚴重，同時伴隨著交通流量逐年增加，超限運輸現象日益嚴重，導致加鋪罩面頻繁。路面增高，會使護欄與路面間相對高度降低，防護能力不足。現階段國內已經研究出多種加高的方法，如增設套管加高法、偏心防阻塊加高法、立柱拔出重新打入法和增設立柱法等。

三（A）級波形梁護欄的立柱上設置有預留孔，加高需求在0～20cm 時，可每隔4cm 一檔進行加高。但由于三（A）級波形梁護欄原始結構立柱只開設有5 個預留加高孔，最大只能加高至20cm，當需要20cm 以上的加高高度時，原結構無法實現。若采用在原防阻塊上重新開孔，同時增設內套管并開設增高孔的方法，可實現對超過20cm 以上的特定加高高度進行加高，但由于公路改造需求量大，此種加高方案需更換防阻塊，造價較高。針對上述問題，本文對三（A）級護欄加高的構造形式進行了設計研究，并通過仿真計算和碰撞試驗，對護欄的受力性能和連接進行了驗證，對同類護欄的加高設計具有參考意義。

1 加高方案

1.1 加高方法的選擇

現階段公路改造時護欄主要的加高方法優缺點見表1。

表1 幾種加高方法對比Tab.1 Comparison of several heightening methods

針對三（A）級波形梁護欄加高40cm 的情況下，綜合考慮上述加高方法的優缺點，最終采用增設套管的方法進行護欄加高設計。

1.2 套管的選擇

套管可分為內套管和外套管，為了達到相同的抗彎性能，套管的截面系數不小于原立柱截面系數。若采用外套管，則原始防阻塊圓弧半徑過小，無法連接，需要重新更換防阻塊，因此采用內套管進行加高。此時內套管與防阻塊存在間隙，在其中增加墊片以滿足結構的穩定性。但由于內套管和立柱重疊區域的截面模量相當于套管處截面模量的兩倍，造成剛度突變，可能會對護欄的防護性能造成影響，需要進一步分析驗證。

1.3 加高方案設計

1.防阻塊設計

為了滿足逐級加高的目的，對原始防阻塊重新進行開孔設計，根據原立柱結構可推斷出孔位至少提升150mm。但防阻塊重新開孔會造成額外的成本，不便于現場施工，考慮應用原防阻塊上的連接孔與套管進行連接，即采用防阻塊倒置安裝。此時，防阻塊孔位可與套管最上端連接孔連接，安裝孔位提升了194mm，可以彌補原立柱最上端安裝孔至頂面的150mm，防阻塊倒置前后結構如圖1 所示。據此重新設計套管結構，也可滿足逐級加高的需求。

圖1 防阻塊倒置結構對比Fig.1 Comparison of the anti-block inverted structure

2.套管設計

采用內套管和原立柱抗彎截面系數相當的原則確定套管的尺寸，原始立柱尺寸為φ140 ×4.5mm，抗彎截面模量W＝62874mm4，通過計算，采用尺寸為φ127 ×6mm 的套管作為三（A）級波形梁護欄加高結構的套管。通過匹配設計出套管上各個孔位位置，連接孔距頂面40mm，加高孔距連接孔270mm，每隔40mm設計一個加高孔，共5 個加高孔，可以實現每隔4cm為一檔進行加高的目的。

3.確定螺栓種類及連接個數

由于原始未加高結構立柱與防阻塊采用一個螺栓連接，為了保證加高結構類似，三（A）級波形梁護欄立柱與套管采用一個螺栓進行連接，根據原始立柱的開孔大小采用M16 螺栓。

4.墊片選擇

由于原始防阻塊和套管間存在一定間隙，在連接處增加一個厚度為6mm 的圓弧墊片，并開連接孔，可以補償間隙，保證波形梁護欄結構的穩定性。最終加高結構如圖2 所示。

圖2 三（A）級波形梁護欄加高結構Fig.2 Three（A）level corrugated beam guardrail heightening structure

2 計算機仿真分析

根據《公路護欄安全性能評價標準》（JTGB05-01—2013）中三（A）級護欄碰撞條件建立小型客車、中型客車和中型貨車的計算機仿真模型，碰撞條件見表2。

表2 三（A）級護欄碰撞條件Tab.2 Three（A）level guardrail collision conditions

2.1 護欄防護性能

對于護欄的導向功能，三種車輛碰撞最不利車型為中型貨車，因此確定指標時采用中型貨車作為主要評價依據。由圖3 可見，中型貨車在20m內，沒有越過導向駛出框邊界線且駛離后未翻車，護欄導向功能良好。

圖3 中型貨車碰撞后行駛軌跡Fig.3 The trajectory of a medium-sized truck after a collision

對于護欄的緩沖功能，僅采用小型客車作為主要評價依據。由圖4 可見，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量為64.7m／s2、69.4m／s2，均不大于200m／s2，乘員碰撞速度的縱向和橫向分量為5.26m／s、5.03m／s，均不大于12m／s，護欄緩沖功能良好。

圖4 乘員碰撞加速度和速度曲線Fig.4 Acceleration and velocity curves of occupant collision

2.2 立柱-套管連接性能

立柱和套管連接處的截面模量是套管截面模量的2 倍，造成剛度突變，有可能導致立柱-套管的變形突變。通過分析護欄碰撞區域立柱-套管的變形情況發現并未產生突變的變形，表明套管尺寸選擇合理。護欄碰撞區域立柱-套管的變形情況如圖5 所示。

圖5 護欄碰撞區域立柱-套管變形情況Fig.5 Column-casing deformation in the collision area of the guardrail

2.3 螺栓連接性能

立柱與套管連接螺栓為4.8 級M16 螺栓，其保證載荷為48700N，三種車輛螺栓最大剪切力如表3 所示，雖然存在螺栓剪切斷裂的情況，但根據車身姿態可以看出車輛可以平穩導出，斷裂螺栓不影響護欄防護性能。

表3 螺栓剪切力Tab.3 Bolt shear force

綜上所述，三種車輛碰撞護欄后，均未發生穿越、翻越和騎跨護欄現象，護欄導向、緩沖性能良好?？梢娙ˋ）級標準碰撞條件下波形梁護欄加高結構的仿真碰撞分析各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）要求。

3 實車足尺碰撞試驗

3.1 護欄的導向功能

圖6 為中型貨車碰撞護欄行駛軌跡，可見其碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態，沒有穿越、翻越和騎跨護欄，滿足評價指標要求。

圖6 中型貨車碰撞護欄行駛軌跡Fig.6 The trajectory of a medium-sized truck colliding with a guardrail

3.2 護欄的緩沖功能

表4 為小型客車緩沖性能評價，可見乘員碰撞速度的縱向和橫向分量均不大于12m／s，乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m／s2，滿足評價指標要求。

表4 小型客車碰撞試驗緩沖性能評價Tab.4 Evaluation of cushioning performance of small passenger car crash test

3.3 螺栓連接性能

三種車輛在實車足尺碰撞試驗中立柱套管雖有不同程度的倒伏，但斷裂的螺栓均在套管與防阻塊連接位置，立柱套管連接螺栓沒有斷裂，如圖7 所示，車輛可以平穩導出，說明加高結構可以滿足安全性能要求。

圖7 實車足尺碰撞試驗螺栓情況Fig.7 Bolt situation in full-scale crash test of real vehicle

綜上所述，護欄加高結構各項指標均符合《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013），護欄強度滿足中型客車和中型貨車的防護需求，且未對小型客車造成絆阻現象，護欄防護性能達到三（A）級。

4 結語

本文采用增設立柱配合防阻塊倒置的方法對三（A）級波形梁進行加高，同時通過理論計算，選取合理的套管尺寸，避免立柱與套管在連接處附近由于剛度的突變影響護欄的防護性能，最終提出了可逐級加高的護欄結構。通過計算機仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對三（A）級波形梁護欄加高結構防護性能進行驗證，加高結構各項指標均滿足《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）要求。