基于工程實(shí)例的公路護(hù)欄設(shè)計(jì)及施工方案分析

唐 娜

（湖南省金達(dá)工程建設(shè)有限公司,湖南 長沙 410000）

0 引言

公路護(hù)欄是保護(hù)車輛運(yùn)行安全和完善公路設(shè)施的重要部分，在發(fā)生車輛碰撞或交通事故時(shí)，護(hù)欄能夠通過自身承載力，對車輛沖擊進(jìn)行緩沖，從而保護(hù)車輛和駕駛?cè)藛T的生命財(cái)產(chǎn)安全。公路護(hù)欄的主要工作原理是通過自身的形變對沖掉撞擊動(dòng)能，根據(jù)此可分為剛性形變、半剛性形變和柔性形變，其中剛性形變護(hù)欄采用硬鋼板作為主材，主要應(yīng)用于傍山、懸崖等特殊路段；柔性形變護(hù)欄采用鋼絲繩作為主材，其彈性能量較強(qiáng)，能夠大幅度吸收動(dòng)能，常用于橋梁路段；半剛性形變護(hù)欄采用波形板作為主材，是目前采用最廣泛的護(hù)欄之一，既能夠保護(hù)行車安全，又能通過波形設(shè)計(jì)降低駕駛?cè)藛T視覺疲勞、增強(qiáng)道路分辨性，近些年波形護(hù)欄建設(shè)多與公路標(biāo)識安裝相結(jié)合，進(jìn)一步發(fā)揮波形護(hù)欄的警示作用。考慮到我國的具體國情及相關(guān)工程建設(shè)基礎(chǔ)，現(xiàn)階段的實(shí)際交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程中公路工程面臨著邊坡數(shù)值陡峭和建設(shè)依托土地面積稀少的問題，該文基于《高速公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)及施工技術(shù)規(guī)范》（JTJ074—94）的要求，并根據(jù)工程實(shí)例，選擇波形護(hù)欄進(jìn)行分析。

1 工程概況

該項(xiàng)目位于永州市寧遠(yuǎn)縣境內(nèi)，工程涉及12個(gè)鄉(xiāng)鎮(zhèn)共81 條線，總里程約203 km，總工期為60 日歷天，缺陷責(zé)任期自實(shí)際交工日期起計(jì)算2 年，保修期為5 年，護(hù)欄防護(hù)等級為A 級，能夠承受1.2 t 小型車輛以30°角度、90 km/h 速度撞擊；4 t 中型車輛以30°角度、70 km/h 速度撞擊；8 t 大型車輛輛以30°角度、40 km/h 速度撞擊。另外工程應(yīng)遵循“綠色工程”原則，節(jié)能環(huán)保；做到“零事故”“零死亡”；工程質(zhì)量經(jīng)驗(yàn)收后判定合格；在工期要求內(nèi)完成工程建設(shè)。

2 工程設(shè)計(jì)方案

該次波形護(hù)欄建設(shè)工程的總體設(shè)計(jì)方案分為立柱、波形梁、錨端三部分，立柱以2.5 m 間距放置，護(hù)欄基礎(chǔ)承受力等級為C30，單位護(hù)欄中有5 條波形梁進(jìn)行保護(hù)，測量完畢后按照工程設(shè)計(jì)，先安裝立柱，再安裝波形梁，經(jīng)檢驗(yàn)后進(jìn)行線性調(diào)整并驗(yàn)收。

2.1 護(hù)欄防護(hù)機(jī)理

（1）工程建設(shè)中的波形護(hù)欄要通過仿真試驗(yàn)、實(shí)車碰撞、可靠性驗(yàn)證三項(xiàng)檢驗(yàn)工作。

（2）波形護(hù)欄遭受撞擊后最大橫向移動(dòng)距離在1.5 m以內(nèi)，通過定量緩沖，防止車輛強(qiáng)行制動(dòng)造成的結(jié)構(gòu)性破壞[1]。

（3）波形梁和立柱采取分段安裝方式，兩者之間沒有額外加固措施，可以視為波形護(hù)欄中兩個(gè)獨(dú)立的部分，在遭遇碰撞時(shí)，波形梁不會(huì)因?yàn)榱⒅鶕p壞產(chǎn)生高度變化；立柱不會(huì)因?yàn)椴ㄐ瘟籂窟B發(fā)生位移，保障波形護(hù)欄的防護(hù)作用[2]。

（4）根據(jù)永州市寧遠(yuǎn)縣實(shí)際通車情況和事故統(tǒng)計(jì)，針對性調(diào)整波形梁預(yù)張緊力和立柱數(shù)量，從而改變波形護(hù)欄各節(jié)點(diǎn)間的防護(hù)力，做到工程成本和護(hù)欄防護(hù)等級的兼顧[3]。

2.2 立柱

（1）立柱鋼材：選取Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，由于這種鋼材的屈服強(qiáng)度會(huì)隨鋼材厚度發(fā)生變化，所以選用厚度為30 mm 的鋼材，屈服強(qiáng)度為260～265 MPa 之間。

（2）立柱規(guī)格：選取“工字形”立柱，立柱高度為1 650 mm、截面直徑為140 mm，具體立柱規(guī)格如圖1 所示[4]。

圖1 立柱規(guī)格圖

（3）立柱組件規(guī)格：單位立柱配有2 塊（560×40×24）mm的側(cè)面護(hù)板；1塊（1 560×128×24）mm的腹部護(hù)板；2個(gè)截面直徑為24 mm 的掛鉤。

2.3 波形梁

（1）波形梁鋼材：Q235 碳素結(jié)構(gòu)鋼，連接螺栓選擇高強(qiáng)螺栓。

（2）波形梁加工：根據(jù)國家《鍍鋅鋼絞線》（GB1200—88）的規(guī)定，在安裝前對波形梁進(jìn)行熱侵鍍鋅處理，從而達(dá)到防腐目的。

（3）安裝方式：波形梁將立柱縱向分為三個(gè)部分，從上到下平行安裝、均勻分布，波形梁沿著立柱作用力的反向拉扯，形成局部張力偏轉(zhuǎn)，預(yù)張緊力調(diào)整為4.5±0.5 kN[5]。

2.4 錨端設(shè)計(jì)及原理分析

錨端包括端柱、波形梁連接器、混凝土地基三部分，是波形護(hù)欄起止兩端的固定裝置，能夠起到均衡作用力、美觀、收束護(hù)欄的作用，其中端柱、波形梁連接器的材質(zhì)與常規(guī)立柱、波形梁相同，規(guī)格略有改動(dòng)；混凝土地基強(qiáng)度為C40，具體錨端設(shè)計(jì)圖如圖2 所示[6]。

圖2 錨端設(shè)計(jì)圖

錨端的設(shè)計(jì)需要將力學(xué)分析作為設(shè)計(jì)重點(diǎn)，根據(jù)圖2 所示，其中涉及的力學(xué)元素有危險(xiǎn)截面中的波形梁拉力（與常規(guī)波形護(hù)欄中的波形梁相連，力學(xué)作用力在常規(guī)護(hù)欄上，無需考量）、波形梁破斷拉力δ=45 t、錨端與混凝土地基相切處的彎矩（彎矩為最大值，無需考量）、錨端的抗剪切強(qiáng)度στ=185.5 MPa、屈服強(qiáng)度σs=265 MPa、抗拉強(qiáng)度為1 780 MPa[7]。

根據(jù)材料力學(xué)和圖2 中錨端規(guī)格可知，矩形截面長為Am、寬為Bm、高為h，將已知力學(xué)元素代入公式（1）：

進(jìn)而得到力學(xué)推演公式（2）：

通過計(jì)算得出長Am=240 mm、寬Bm=280 mm、高h(yuǎn)=30 mm，考慮錨端安裝時(shí)的預(yù)設(shè)傾斜角度后，破壞截面大于錨端截面，所以該次設(shè)計(jì)錨端截面符合錨端強(qiáng)度要求。為進(jìn)一步提升強(qiáng)度、降低錨端質(zhì)量，工程中采用中空鋼材（Q235，厚度為40 mm)進(jìn)行設(shè)計(jì)[8]，具體力學(xué)特征如下：

將已知力學(xué)元素帶入計(jì)算得到更改后鋼材屈服強(qiáng)度σ0=137.5 MPa，小于更改前鋼材屈服強(qiáng)度σs=265 MPa，并得到錨端截面設(shè)計(jì)圖如圖3 所示。

圖3 錨端截面設(shè)計(jì)圖

3 落實(shí)施工方案

3.1 立柱

3.1.1 立柱外加工

立柱在使用前受到儲(chǔ)藏條件、氣候因素等影響，會(huì)受到不同程度的腐蝕，對立柱強(qiáng)度等級產(chǎn)生一定影響，所以在安裝立柱前，統(tǒng)一進(jìn)行酸洗除銹、熱侵鍍鋅（1號鋅，厚度為75 um)、噴漆上色三個(gè)處理環(huán)節(jié)，消除立柱腐蝕，增強(qiáng)立柱抗氧化能力和美觀程度[9]。

3.1.2 安裝工藝

設(shè)計(jì)方案中采用波形梁和立柱分段安裝工藝，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)立柱搖擺造成施工效率較低的問題，針對此現(xiàn)象，施工人員采用水平儀和牽引繩結(jié)合，輔助定位立柱。另外立柱放樣后，須調(diào)查每根立柱位置的地基狀態(tài)，如遇到地下通信管線、泄水管或涵洞頂部埋土深度不足的情況，應(yīng)對某些立柱的位置進(jìn)行調(diào)整，或改變立柱固定方式。

3.2 波形梁

3.2.1 波形梁長度

設(shè)計(jì)方案中最短波形梁長度為350 m，在實(shí)際安裝過程中驗(yàn)證得出300 m 的波形梁也可以滿足波形梁拉力需求，降低工程成本。

3.2.2 波形梁安裝要求

波形梁的連接螺栓及拼接螺栓不宜過早擰緊，以便在安裝過程中利用波形梁的長圓孔及時(shí)進(jìn)行調(diào)整，使其形成平順的線形，避免局部凹凸，波形梁頂面應(yīng)與道路豎曲線相協(xié)調(diào)，當(dāng)護(hù)欄的線型認(rèn)為比較滿意時(shí)，方可最后擰緊螺栓[10]。

3.2.3 波形梁連接控制

波形梁安裝過程中出現(xiàn)波形梁長度小于安裝要求長度時(shí)，波形梁連接器需要進(jìn)行連接，避免出現(xiàn)波形梁浪費(fèi)，需注意，兩個(gè)相鄰連接器間距應(yīng)大于70 m。對于設(shè)置長度較長的波形梁護(hù)欄，施工時(shí)滿足最小安裝長度（48 m）前提下，可在村民通行頻繁的小路處斷開，相應(yīng)增加錨端。

3.3 錨端

3.3.1 錨端安裝要求

錨端應(yīng)平行于護(hù)欄，將常規(guī)護(hù)欄橫向作用力轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向作用力傳遞至地基；錨端頂端波形梁長度應(yīng)小于地層長度，將波形梁拉力傳遞至地基。

3.3.2 錨端角度

在錨端安裝時(shí)，出現(xiàn)安裝工人對錨端角度重視程度不足的問題，設(shè)計(jì)方案中錨端傾斜角度為79°，改變傾斜角度會(huì)造成錨端力學(xué)公式失效，無法保證錨端承載力達(dá)標(biāo)，需要工程人員在安裝后進(jìn)行角度復(fù)檢。

3.3.3 錨端長度控制

錨端裝置地面以上部分長度應(yīng)為485 mm，地面以下高度為520 mm，需要在安裝過程中嚴(yán)格控制。

4 總結(jié)

綜上所述，該文以波形護(hù)欄建設(shè)工程實(shí)例為研究對象，將波形護(hù)欄的設(shè)計(jì)方案和實(shí)際安裝情況展開應(yīng)用性研究，分析工程實(shí)例中立柱、波形梁、錨端三部分的材料選擇、材料處理、部件規(guī)格、安裝工藝、力學(xué)分析等重點(diǎn)環(huán)節(jié)，有利于該類護(hù)欄產(chǎn)品化和市場化，也有利于推動(dòng)相關(guān)配套的設(shè)計(jì)、施工及養(yǎng)護(hù)規(guī)范的制定和實(shí)施。