裝配式開口護欄結構設計及安全性能評價

張永釗

（1.福建省高速公路聯(lián)網(wǎng)運營有限公司，福州 350001；2.福建省高速公路工程重點實驗室，福州 350001）

目前，國內(nèi)主要采用的開口護欄形式包括預應力開口護欄、插拔式開口護欄、伸縮式開口護欄和填充式開口護欄等[1]。預應力開口護欄中鋼管桁架為主體結構，兩端各設置1 個端頭，使用混凝土將其澆筑在基礎內(nèi)，兩端使用螺母將整個護欄張緊，形成整個護欄結構。插拔式開口護欄主要包括護欄架、預留圓孔等。其中，護欄架由鋼管和立柱等零件焊接而成。基礎大多采用抽換式立柱基礎。伸縮式開口護欄每個開口由2 組組成，使用鋼結構加工成組件通過螺栓或銷栓連接而成。填充式開口護欄主要由標準護欄單元結構組成，市面產(chǎn)品較多，預制護欄塊大多由塑料制成，加工工藝多種多樣，斷面型式可采用F 型或單坡型，塑料結構內(nèi)部為中空，腔體填充細砂或水等材料，如水馬。上述開口護欄大部分僅具有警示和視線誘導作用，不僅不具有防護等級，更無安全防護功能。

1 結構設計理念

首先需滿足規(guī)范需求，保證設計開口護欄的靈活性，應當確保在只有2 名工人進行操作時，護欄能夠在10 min 內(nèi)開啟不少于10 m 的長度[2]。其次開口護欄在滿足靈活移動的同時要具備規(guī)定的防撞能力。我國目前具有相應防撞能力的護欄基本不具備靈活開啟的功能；而現(xiàn)有的開口護欄多為插拔式、推拉式或充水充砂式，均不具備規(guī)定的防撞能力，且此類開口護欄大多耗費鋼材數(shù)量巨大，如能開發(fā)一種利用老舊護欄結構材料的開口護欄，更符合國家推行的節(jié)能減排的理念。因此，結合開口護欄研發(fā)經(jīng)驗和相關規(guī)范要求，提出開口護欄設計新理念：利用二波形護欄設計開口護欄，在護欄連接處設置快速開啟結構，護欄開啟時可滿足全部開啟、閉合時具有可靠的安全防護性能[3]。

2 開口護欄結構設計

依據(jù)開口護欄新理念設計出的新型組合式開口護欄同時具備快速開啟和安全防護功能。

2.1 開口護欄結構

新型組合式開口護欄由護欄標準節(jié)和連接銷組成，其兩端與中央分隔帶護欄連接。

1）護欄標準節(jié)長4.32 m，其主要結構件有厚度為4 mm 的二波形梁板，利用老舊二波板，推行國家節(jié)能減排，連接部位使用2 塊連接板分別與二波板搭接，在連接板內(nèi)側設置一處插銷孔，使用插銷固定，開口護欄標準單元在開啟過程中只需拔出立柱與銷釘即可。

2）護欄立柱設計間距1.75 m，小于標準護欄的2 m立柱間距，增加結構整體強度，減小護欄變形量，保障車輛安全；為了方便其安裝，護欄板之間預留6 mm伸縮縫。

3）設計插拔立柱規(guī)格為Φ140mm×4.5mm×1 255 mm，路面以下立柱插入深度為300 mm，據(jù)了解路面下結構復雜，通常含有管線且可能包含水穩(wěn)結構，為了保障現(xiàn)有路面結構不被破壞，設計立柱插入深度300 mm。

4）高速公路護欄設置情況復雜，需充分考慮開口護欄與過渡段連接，保障連接平順，從高度、剛度、寬度去多維度解決過渡問題，保證護欄的安全性。

2.2 過渡段結構設計

高度不一絆阻、剛度突變難以引導、迎撞面過渡搭接不均都是目前現(xiàn)有開口護欄過渡段所面臨的問題，極易引起失控車輛發(fā)生絆阻、翻車等事故，嚴重危急行車安全[4]。本設計結構充分考慮過渡段問題，對過渡段進行精細化設計。

1）開口護欄端部與二波板護欄過渡：拆除原有開口護欄及前后各4 m 波形梁護欄，上部設置2 塊二波變?nèi)ㄗo欄，下部設置2 塊二波護欄，端部二波板設置圓形包頭，且中間立柱需澆筑混凝土基礎。

2）開口護欄與砼護欄過渡：拆除原有開口護欄，在開口護欄與砼護欄之間設置2 塊二波板，使用膨脹螺栓將二波板與砼護欄連接，使用高強螺栓將二波板與開口護欄連接。

3）拆除開口護欄及前后各4 m 波形梁護欄，在兩側上部設置1 塊二波變?nèi)ㄗo欄，一端與開口護欄連接，另一端與三波梁護欄連接。下部設置2 塊二波護欄，端部安全圓形端頭，完成開口護欄與三波護欄的過渡。

3 裝配式開口護欄安全性能評價

開口護欄的安全性能評價根據(jù)JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》相關要求，采用小型客車、中型客車和中型貨車3 種車型分別對護欄進行碰撞試驗。實車足尺碰撞試驗是按照規(guī)定的試驗碰撞條件，采用1∶1 比例的試驗車輛與試驗護欄進行碰撞，見表1，基于檢測所獲取的試驗數(shù)據(jù)綜合評價護欄安全性能的方法[5]。

表1 A 級試驗條件

3.1 小型客車試驗結果

小型客車碰撞開口護欄中部和端部行駛軌跡如圖1 所示，顯示小型客車在與護欄發(fā)生碰撞后平穩(wěn)駛出，隨即恢復正常行駛狀態(tài)，護欄的導向性能良好；未發(fā)生穿越、翻越和跨越護欄等現(xiàn)象，護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖1 小型客車行駛軌跡

小型客車碰撞開口護欄中部緩沖性能評價如圖2所示，司乘碰撞速度的縱向最大分量為3.6 m/s、橫向最大分量為6.3 m/s，均不大于12 m/s；司乘碰撞后加速度的縱向分量為34.2 m/s2、橫向分量為94.3 m/s2，均不大于200 m/s2。小型客車碰撞開口護欄端部緩沖性能評價如圖3所示，司乘碰撞速度的縱向分量最大為3.7 m/s，橫向最大分量為6.0 m/s，均不大于12 m/s；司乘碰撞后加速度的縱向分量為85.2 m/s2，橫向分量為140.0 m/s2，均不大于200 m/s2，滿足評價指標要求，且各項指標優(yōu)異。

圖2 小型客車中部加速度與碰撞速度

圖3 小型客車端部加速度與碰撞速度

3.2 中型客車試驗結果

中型客車碰撞開口護欄中部和端部行駛軌跡如圖4，顯示中型客車在與護欄發(fā)生碰撞后平穩(wěn)駛出，隨即恢復正常行駛狀態(tài)，護欄的導向性能良好；未發(fā)生穿越、翻越和跨越護欄等現(xiàn)象，護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖4 中型客車行駛軌跡

3.3 中型貨車試驗結果

中型貨車碰撞開口護欄中部和端部行駛軌跡如圖5 所示，顯示中型貨車在與護欄發(fā)生碰撞后平穩(wěn)駛出，隨即恢復正常行駛狀態(tài)，護欄的導向性能良好；未發(fā)生穿越、翻越和跨越護欄等現(xiàn)象，護欄阻擋功能滿足評價指標要求。

圖5 中型貨車行駛軌跡

小型車輛未發(fā)生下鉆，緩沖指標較優(yōu)。中型車輛未發(fā)生碾壓，且護欄變形及車輛外傾較小，護欄防護效果較好，見表2。各項指標均滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的相關指標要求，裝配式開口護欄安全性能滿足Am 級防護等級要求。

表2 中型客車與中型貨車系統(tǒng)變形情況m

4 結束語

本文基于現(xiàn)有高速公路對開口護欄的需求，結合高速公路開口護的欄應用情況，設計了裝配式開口護欄，提出了開口護欄開啟時具備快速開啟功能、閉合時應具有可靠的安全防護功能的設計新理念，并提出了利用二波板等老舊護欄結構進行新型防撞開口護欄設計的方案。按照JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》，通過實車碰撞試驗驗證了該新型開口護欄的安全性能，填補了對中央分隔帶開口護欄的空缺，并在福建某高速全線應用，設計及應用在開口護欄安全防護領域具有重要意義，也為今后開口護欄的設計及研發(fā)提供借鑒。