高強鋼輕量化波形梁護欄應(yīng)用分析

王利軍

(沈陽三鑫集團有限公司 沈陽市 110148)

波形梁鋼護欄是公路交通安全設(shè)施的重要組成部分，應(yīng)用廣泛。現(xiàn)行標準下公路波形梁護欄需用鋼材較大，通過提升鋼材強度等級和相關(guān)性能，減輕護欄材料重量，從而達到節(jié)能降耗、降低成本的效果，市場應(yīng)用前景廣闊。

1 現(xiàn)行標準下波形梁鋼護欄使用狀態(tài)分析

1.1 我國公路波形梁鋼護欄的使用現(xiàn)狀

根據(jù)行業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，從2014—2019年我國平均每年公路里程增長量約為12萬公里，2019年全國公路總里程達到501萬公里。根據(jù)《國家綜合立體交通網(wǎng)布局》，到2035年國家高速公路網(wǎng)達到16萬公里、普通國道網(wǎng)公路達到30萬公里。護欄用鋼量每年超過500萬噸以上，整個護欄用鋼量巨大。

1.2 現(xiàn)有波形梁鋼護欄的優(yōu)化空間

(1)目前公路波形梁鋼護欄采用的標準是GB/T 31439—2015(以下簡稱原國標)中規(guī)定的護欄構(gòu)件原材料力學性能和化學指標應(yīng)不低于GB/T 700—2006規(guī)定的Q235牌號鋼的要求,主要指標為屈服強度不小于235MPa、抗拉強度不小于375MPa、斷后伸長率不小于26%。而最早提出該材料的標準JT/T 281—1995是1995年制定的。現(xiàn)在市場通用鋼材均為Q235牌號鋼。經(jīng)過多年的發(fā)展，鋼材強度等級和相關(guān)性能有了大幅度提高，目前的通用的材料等級很難滿足社會發(fā)展的需要，亟需升級。

(2)公路波形梁鋼護欄主要由波形梁板、立柱、端頭、防阻塊、加強橫梁等構(gòu)件組成，按波形梁板寬分為兩波和三波波形梁鋼護欄。兩波波形梁板主要規(guī)格為4320×310×85×3(4)mm，重量為49.16(65.55)kg/片；立柱規(guī)格為Φ114(140)×4.5mm，重量為12.15(15.04)kg/m[1]；三波波形梁板主要規(guī)格為4320×506×85×3(4)mm，重量為76.3(102)kg/片；立柱規(guī)格為Φ140×4.5mm、Φ130×6mm，重量為15.04、22.6kg/m[2]。耗費大量材料，不利于節(jié)能減排及綠色發(fā)展，重量亦需要減輕。

(3)材料笨重，安裝不便。以4mm三波形梁鋼護欄為例每片重102kg，至少需要四個工人安裝，對人力要求較高，安裝時十分不便。

(4)物流運輸消耗大。目前國內(nèi)波形梁鋼護欄材料生產(chǎn)主要布局在山東、江蘇等省份，材料到達施工現(xiàn)場近則幾百公里，遠則上千公里。常規(guī)公路運輸貨車載重不超過40t，產(chǎn)品笨重對物流也是一種壓力。

綜上所述，公路護欄的輕量化勢在必行，輕量化設(shè)計可以非常有效地改善以上的問題。經(jīng)理論計算，提高護欄用鋼強度可以有效提高護欄的安全性；在強度相當?shù)那闆r下鋼板的斷后伸長率越高，其安全性能越好。且護欄的輕量化有利于減少鋼鐵材料的耗費，節(jié)約大量材料資源，降低能耗，減少碳排放，降低成本；公路護欄材料重量減輕，能大幅度降低物流和人力成本，減少汽車尾氣的碳排放量，對環(huán)境更友好。如此大體量的公路護欄市場，公路護欄輕量化會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，對企業(yè)、社會和國家來說是十分必要的。

2 《高強鋼輕量化波形梁護欄》的技術(shù)特點

針對現(xiàn)行標準下波形梁鋼護欄存在的問題，中國交通運輸協(xié)會于2020年9月發(fā)布了《高強鋼輕量化波形梁護欄》[3](T/CCTAS 16—2020)團體標準(以下簡稱新團標)。在滿足護欄安全性能的前提下，提出使用高強鋼材料，適當減薄護欄產(chǎn)品厚度，減少鋼鐵材料消耗，降低能耗，減少排放。使用高強鋼材料不僅制造成本得到控制，同時也有效降低了物流運輸以及安裝維護成本。

新團標要求波形梁鋼護欄的波形梁板、背板、立柱、橫梁、防阻塊等構(gòu)件用基底金屬材料為高強度鋼，力學性能及化學指標為屈服強度不小于700MPa、抗拉強度不小于750MPa、斷后伸長率不小于17%。

新團標對波形梁板尺寸規(guī)格要求為4320×310×85×2.1mm(B級)、4320×506×85×2.2mm(A級)、4320×506×85×2.7mm(SB、SA級)；立柱尺寸規(guī)格要求為Φ114×3.0mm(B級)、Φ140×3.0mm(A、SB級)、Φ130×4.3mm(SA級)。

3 波形梁護欄輕量化對比

選取目前國內(nèi)高速公路波形梁鋼護欄常用的A、SB、SA三類防護等級，以材料重量占比較大的波形梁板、立柱、防阻塊、加強橫梁四類材料為基礎(chǔ)，對比分析原國標與新團標材料規(guī)格和重量的差異表1。

表1 原國標與新團標材料重量差異化分析

以遼寧省正在實施的某高速公路波形梁鋼護欄材料用量為例，綜合計算新團標的輕量化率表2。

表2 某高速采用輕量化后材料重量差異化分析

通過上述高速公路波形梁鋼護欄輕量化分析原設(shè)計方案需用鋼材3918t，輕量化后需用鋼材2430t，預估可節(jié)約鋼材用量1488t，輕量化率37.98%。經(jīng)初步了解高強鋼輕量化波形梁護欄材料的單價為Q235材料單價的1.3倍，若采用高強鋼輕量化波形梁護欄，預估本項目材料費可降低500萬元，造價降低率達到19.4%。護欄設(shè)計總量81.7km(單側(cè))，材料價格可降低61000元/km。輕量化后節(jié)能效果及經(jīng)濟效益明顯。

4 高強鋼輕量化波形梁護欄的優(yōu)點

目前國內(nèi)某公司已研制出適合高強鋼輕量化波形梁護欄所需材料。該產(chǎn)品已通過國家交通安全設(shè)施質(zhì)量監(jiān)督中心碰撞試驗，有五個防撞等級的試驗報告(B、A、SB、SA、SS級)，滿足新團標要求。已經(jīng)在吉林省長春東收費站主線項目、四川成宜高速公路項目、江蘇常州溧陽G104項目、廣西荔浦-玉林高速公路項目等多條高速公路得到應(yīng)用，效果良好。該材料相較于傳統(tǒng)的Q235材質(zhì)波形梁護欄具有如下優(yōu)點：

(1)材質(zhì)更優(yōu)，防撞更好

相比現(xiàn)有Q235鋼材，高強鋼屈服強度提高了665MPa，提高率283%；抗拉強度提高了375MPa，提高率100%；斷后伸長率降低了9%，降低率35%。

屈服強度和抗拉強度的提高大大提升了鋼護欄的防撞性；斷后伸長率的降低保證材料具有更好的抗高溫和抗低溫特性以及性能穩(wěn)定性。

(2)節(jié)能減排，綠色環(huán)保

高強鋼輕量化護欄的應(yīng)用將極大降低鋼材的使用量，與現(xiàn)行的同防撞級別護欄相比可實現(xiàn)30%～45%的輕量化率，有效減少了對不可再生資源的消耗；降低了碳的排放量及煉鋼過程中標準煤的使用量；同時材料運輸效力有很大提升，節(jié)約了運輸費用和減少運輸車輛尾氣的排放量。

(3)養(yǎng)護施工，高效便捷

高強鋼輕量化護欄更有利于后期養(yǎng)護，有效解決了目前SB級護欄在路面加鋪后不能提升的缺點，一定程度上提高了施工工效，同時降低了養(yǎng)護成本。

(4)成本更優(yōu)，方便安裝

高強鋼輕量化護欄材料在保障安全性能的前提下，相比同防撞級別其他鋼護欄材料單位造價更低，安裝工效更高。

5 輕量化波形梁鋼護欄的應(yīng)用效益分析

通過對我國公路護欄現(xiàn)狀(每年改造使用Q235公路波形梁鋼護欄產(chǎn)品的普通公路按11萬公里計，按每公里使用30t鋼護欄，每年需330萬噸產(chǎn)品。高速公路按每年8000km，每公里200t用鋼計，高速公路及普通公路每年合計需要公路波形梁鋼護欄產(chǎn)品約500萬噸)和高強鋼輕量化波形梁護欄優(yōu)勢的分析，高強鋼輕量化波形梁護欄的應(yīng)用能夠帶來巨大的社會效益。

高強鋼輕量化波形梁護欄，帶來傳統(tǒng)行業(yè)的變革和巨大的社會效益，實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保，效益分析如下：

(1)降低碳排放、節(jié)約能源

以噸鋼產(chǎn)生2.1t的CO2排放測算，每年節(jié)約鋼材165萬噸，可實現(xiàn)碳排放每年減少346.5萬噸。

以噸鋼消耗571kg標準煤測算，每年可節(jié)約標準煤94.2萬噸，可大幅度節(jié)約煤炭等不可再生資源，并大量減少能源消耗。

(2)降低運輸成本

我國公路護欄年用鋼量為500萬噸，若采用輕量化的新型公路護欄年用鋼量為335萬噸。按運輸車輛每車裝貨32t為例，運輸現(xiàn)有公路護欄車輛約需156250輛，運輸新型輕量化公路護欄車輛只需104688輛，運輸車輛減少51562輛，車輛運輸成本降低約33%。

以柴油貨車消耗柴油0.0606L/(t·km)為例，單位周轉(zhuǎn)量碳排放量0.1553kg/(t·km)計算[4]，51562輛貨車若運距為1000km，則可減少CO2排放量為25.6萬噸。

(3)降低工程造價

以現(xiàn)市場Q235護欄均價每噸6600元、用量500萬噸；高強鋼護欄每噸8600元、用量335萬噸(按平均33%的輕量化率計算)，預估每年可節(jié)約護欄材料費41.9億元。