四（SB）級波形梁護欄加高結構研究

徐紹國 王秀芬 馬樂 荊坤

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

由于國內交通流量逐年增加，每年涉及加鋪罩面的道路日益激增，導致波形梁護欄改造再利用的需求也在逐年增加。但是四（SB）級波形梁護欄的立柱上沒有設置預留孔，無法滿足加高的需求。國外關于加高波形梁護欄安全性能的研究比較少見，主要因為國外大部分道路遵循長壽命設計理念，且超載運輸現象較少，養護管理手段先進，因此在路面使用期內路面增高幅度不大，所以護欄高度不足問題并不明顯。國內研究中，即使有針對四（SB）級波形梁護欄加高的方案也只是進行單次加高，沒有滿足不同路面加鋪高度要求的波形梁改造加高結構，當需要大尺度多次加高時，需要再次更換套管，造成資源浪費。針對該問題，本文提出一種大尺度可多次加高的套管加高方式，采用有限元仿真的方法，以螺栓連接個數、套管尺寸、套管的插入深度與波形梁護欄防護性能關系為指標，結合經濟性，確定了套管的結構尺寸，通過有限元仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對四（SB）級波形梁護欄加高結構進行驗證。

1 加高方案的確定

1.1 加高方法對比

現階段公路改造時護欄主要的加高方式包括增設套管加高法、偏心防阻塊加高法、立柱拔出重新打入法和增設立柱法等。各種方法優缺點如表1 所示。偏心防阻塊加高無法滿足大尺度逐級加高的需求，同時考慮到經濟性及施工方便性，最終針對四（SB）級波形梁護欄采用增設套管的方法進行加高。

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

1.2 套管的選擇

套管可分為內套管和外套管，如圖1 所示，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。

圖1 套管加高法Fig.1 Casing heightening method

若采用外套管，則原始防阻塊尺寸過小，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，下文會進一步驗證。

2 加高結構的確定

對于四（SB）級波形梁護欄下部柱腳錨固情況，立柱加高后波形梁中心高度距離地面依舊為697mm，碰撞位置沒有變，因此力臂不變，這樣柱腳彎矩與原始護欄相同，本篇論文不進行論證。

四（SB）級波形梁護欄原防阻塊孔距為10cm，最上端孔距頂面為6cm，在盡可能重復利用舊件的基礎上增設套管，則第一次加高高度為10cm，第二次加高高度為18cm，之后每次加高均可按照每隔4cm為一檔進行加高。實際路面加鋪過程中，即使對路面多次加鋪罩面，最高加鋪尺寸也不會超過40cm，所以以加高高度42cm 為基礎，進行套管的設計。

采用有限元仿真方法，以螺栓連接個數、套管尺寸、套管的插入深度與波形梁護欄防護性能關系為指標，對加高結構進行設計，有限元仿真碰撞條件如表2 所示。因為三種車輛碰撞最不利車型為大貨車，因此確定指標時采用大貨車作為主要評價依據。

表2 四（SB）級護欄碰撞條件Tab.2 Four（SB）level guardrail collision conditions

2.1 螺栓的連接

原始未加高結構立柱與防阻塊采用兩個螺栓連接，為了保證波形梁護欄加高結構在連接處與原結構具有相同的強度，四（SB）級波形梁護欄立柱與防阻塊采用兩個螺栓進行連接。

原始立柱只開有兩個連接孔，孔距10cm，若立柱與套管采用兩個螺栓連接，則需要較復雜的套管結構，不利于波形梁護欄加高結構的經濟性，所以采用一個螺栓進行連接。通過仿真可以看出車輛可以平穩導出，采用一個螺栓連接可以滿足連接強度。

2.2 套管尺寸

采用套管和原立柱抗彎截面系數相當的原則確定套管的尺寸。四（SB）級立柱尺寸為130mm×130mm×6mm，抗彎截面模量W＝117605mm4，可采用尺寸為115mm×115mm×8mm、抗彎截面模量W＝114262mm4，尺寸為112mm×112mm×10mm、抗彎截面模量W＝127548mm4，尺寸為110mm ×110mm×10mm、抗彎截面模量W＝122424mm4三種規格形式的套管。對三種套管進行碰撞仿真對比，車輛可以平穩導出，均未發生側翻。

對三種套管在應用可行性、經濟性和安全性方面進行對比，如表3 所示。三種套管安全性均符合要求，115mm×115mm ×8mm 套管在安裝時與原立柱中的間隙較小，導致安裝不便；110mm ×110mm×10mm的套管則會出現立柱與套管間框量過大的情況導致加高結構的不穩定，最終選用112mm×112mm ×10mm 套管作為四（SB）級加高方案的套管。

表3 套管對比Tab.3 Casing comparison

2.3 套管插入深度

套管的插入深度影響著護欄的防護性能，插入深度過小，當立柱與套管的連接螺栓在碰撞過程中斷裂時，易造成套管的脫出，從而造成車輛的翻越。

當護欄加高42cm 時，套管插入深度最小為200mm。對插入深度分別為200mm、210mm、220mm、230mm 的加高結構進行有限元仿真分析，對比不同插入深度對護欄防護性能的影響。通過仿真可以看出，四種不同插入深度均可滿足護欄的防護需求，插入深度為210mm 和220mm時，大型貨車側傾角度較小。

小型客車速度和加速度情況如表4 所示。

表4 不同插入深度小型客車速度和加速度情況Tab.4 Speed and acceleration of small passengercars with different insertion depths

乘員碰撞后加速度的縱向和橫向分量均不大于200m／s2，乘員碰撞后速度的縱向和橫向分量均不大于12m／s。四種插入深度中，220mm 和230mm的X方向和Y方向加速度和速度相對較小，從節約材料和護欄防護性能方面綜合考慮，插入深度選取220mm，以此來確定套管的總長度。

2.4 套管最終結構

通過對比幾種套管的結構尺寸和插入深度，最終選用112mm ×112mm × 10mm 套管作為四（SB）級加高方案的套管，并且根據節約造價的原則，插入深度選取220mm。根據防阻塊結構結合不同檔位對套管進行開孔設計，套管的最終結構如圖2 所示，滿足加高的要求。由于套管和防阻塊間存在間隙，為了保證結構的穩定性，需要增加墊片進行補償，四（SB）級波形梁護欄加高結構如圖3 所示。

圖2 套管結構Fig.2 Casing structure

圖3 四（SB）級波形梁護欄加高結構Fig.3 Four（SB）level corrugated beam guardrail heightening structure

3 計算機仿真分析

根據《公路護欄安全性能評價標準》（JT／GB 05-01—2013）中四（SB）級護欄碰撞條件建立四（SB）級波形梁護欄最終結構的小型客車、大型客車和大型貨車的碰撞計算機仿真模型，碰撞條件見表2。

3.1 護欄的防護性能

三種車型碰撞護欄加高結構后，三種車輛的碰撞護欄后的行駛軌跡如圖4 所示，小客車碰撞后乘員加速度和碰撞速度如圖5 所示，可以看出護欄對車輛均可有效防護，護欄加高結構各項性能滿足要求。

圖4 車輛碰撞軌跡Fig.4 Vehicle collision trajectory

圖5 乘員碰撞加速度和速度曲線Fig.5 Crash acceleration and velocity curves

3.2 立柱-套管連接性能

由于立柱和套管連接處的截面模量是套管截面模量的2 倍，會出現剛度突變，從而導致立柱-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6 所示。

圖6 護欄碰撞區域立柱-套管變形情況Fig.6 Column-casing deformation in the collision area of the guardrail

3.3 螺栓連接性能

立柱與套管連接螺栓為4.8 級M20 螺栓，其保證載荷為78000N，三種車輛螺栓最大剪切力見表5，套管-防阻塊連接螺栓所受最大剪力不超過保證載荷，不存在斷裂情況。

表5 螺栓剪切力Tab.5 Bolt shear force

雖然立柱-套管連接螺栓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。

綜上所述，采用112mm ×112mm ×10mm 的套管，插入深度為220mm時，波形梁護欄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，防護等級達到四（SB）級。

4 實車足尺碰撞試驗

根據設計的加高結構護欄尺寸，按照1∶1修建了70m試驗護欄，根據《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）規定，每種護欄均需采用小型客車、大型客車、大型貨車三種車型進行評價，碰撞位置為距離碰撞起點1／3 處，實車足尺碰撞試驗條件見表2。

4.1 護欄的導向功能

圖7 為三種車輛碰撞護欄行駛軌跡，護欄對車輛可進行有效導向，滿足規范要求。

圖7 三種車輛碰撞護欄行駛軌跡Fig.7 Three types of vehicle trajectories

4.2 護欄的緩沖功能

車輛緩沖的評價指標為乘員碰撞速度和乘員碰撞后的加速度，其值如表6 所示。可見護欄對車輛可進行有效緩沖，滿足規范要求。

表6 小型客車碰撞試驗緩沖性能評價Tab.6 Cushion performance evaluation of small passenger car crash test

4.3 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8 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8 實車足尺碰撞試驗螺栓情況Fig.8 Bolts in full-scale crash test of real vehicles

綜上，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），護欄強度滿足大型客車和大型貨車的防護需求，且未對小型客車造成絆阻現象，該護欄防護能力達到四（SB）級。

5 結論

本文采用計算機仿真和實車足尺碰撞試驗的方法對四（SB）級波形梁護欄加高結構進行研究，提出了可逐級加高、最高加高42cm 的通用加高結構，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）的要求，具體結論如下：

1.采用增設立柱的方式，并在套管上開設逐級加高孔，可以實現四（SB）級波形梁護攔逐級加高的目的。

2.立柱與套管、套管與防阻塊上均采用一個螺栓連接，不會影響車輛駛出，可以滿足導向功能的要求。

3.通過選取合適的套管截面尺寸，可避免立柱與套管在連接時出現安裝不便或間隙過大的情況，從而影響四（SB）級波形梁護欄的防護性能。

4.通過選取合適的套管插入深度，可以提升四（SB）級波形梁護欄加高結構的經濟性，同時還可以滿足護欄的安全性。