公路橋梁過渡段護欄防護性能的試驗研究

摘要 該文針對高速公路橋梁過渡段護欄的防護等級、施工便捷程度等的實際需求，提出一種新型護欄的結構形式。該形式的護欄，采用裝配式結構，由三波形梁板、摩擦梁、3根不等距矩形立柱等主要構件組成，過渡護欄與橋梁的混凝土護欄使用錨固連接的方式進行固定。同時構建了有限元模擬模型，進行了小型客車、中型客車、大型貨車與該護欄的碰撞仿真試驗，模擬了汽車與該護欄碰撞的全過程。仿真模擬結果表明：該護欄的阻擋功能、緩沖功能、導向功能均能滿足相應防護等級的要求，護欄的防護等級達到SB級。該過渡護欄可為公路過渡段護欄的防護措施的選擇提供借鑒。

關鍵詞 交通工程；橋梁過渡護欄；仿真試驗

中圖分類號 U491.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）01-0106-03

0 引言

高速公路橋梁的路側護欄往往采用混凝土結構，而公路一般路段采用波形梁護欄結構形式較多，這兩種結構形式的護欄的連接部位，是剛性結構向半剛性結構過渡的薄弱位置，從路側環境來看，該部位也與橋頭相連，車輛若撞擊過渡區護欄后，極易產生二次事故甚至更為嚴重的事故，因此過渡區護欄的防護性能應得到有效保障[1]。高速公路護欄的施工改造，通常需要封閉部分交通，改造周期長，易造成高速的交通流擁堵，存在安全隱患，較嚴重時，可能發生行駛車輛穿越到施工區域內，引發交通事故。當前有關規范設計的橋梁過渡護欄采用混凝土翼墻結構，效果良好，但施工周期長，需要養護才能達到防護等級。養護期間護欄未連接，無有效的防護能力，存在安全隱患。基于此，該文提出一款具備良好防護性能、安裝便捷、施工周期短的過渡護欄。

2019年，交通運輸部發布《提升橋梁安全防護專項行動指南》，住房和城鄉建設部修訂了《城市橋梁設計規范》（CJJ 11—2011）。隨著社會對提升橋梁護欄防護能力的需求日益凸顯，傳統的拆舊換新方式存在浪費，需要更有效的橋梁護欄改造方法，綜合考慮施工周期、難度和對交通的影響。在國外，發達資本主義國家進行了廣泛的實車足尺碰撞試驗，并基于大量護欄試驗結果制定了相關的道路安全設施設計規范[2，3]。Dutta[4]通過在波形護欄中采用GFRP材料，研究了不同厚度下護欄的防撞性能。結果表明：使用GFRP材料設計的波形護欄在受到沖擊荷載后，即使發生斷裂，仍能回彈至線性狀態，相較于傳統鋼護欄，其維護成本降低。Dhafer[5]使用CAE分析及實車碰撞相結合的研究方法，探討了波形梁護欄的高度與防護性能的關系。Smitha[6]提出了一種預制纖維混凝土材料的護欄，沖擊荷載試驗顯示，該種護欄在沖擊試驗中具有更小的沖擊力、更低的減速率和更高的能量吸收性能。李鑫[7]對金屬梁柱式護欄進行了研究，對護欄與橋面板的連接強度進行了驗算，提出了相應的強度驗算理論計算公式。朱玉等[8]以槽口的高度和斷面尺寸與結構強度之間的關系為基礎，研究了高強度灌漿錨固連接槽口的尺寸，以確保其滿足護欄強度不低于五級的要求。陶小磊等[9]研發了一種防撞性能好、安拆便捷、對路面無破壞的裝配式無錨固移動護欄，并通過模擬試驗和實車碰撞試驗，驗證了其防護性能。

目前，在汽車－護欄碰撞安全性能的研究中，主要采用兩種方法：實車碰撞試驗和數值模擬。LS-DYNA有限元數值模擬技術憑借其計算時間的高效性，已得到廣泛使用并日趨成熟。該文采用LS-DYNA模擬新型過渡護欄的碰撞過程，并根據《公路護欄安全性能評價標準》（JTG BO5-01—2013）進行碰撞指標的分析，以判斷其防護能力是否達到SB級的要求；實車足尺碰撞試驗使用宏觀的碰撞形態來驗證仿真試驗結果。

1 橋梁過渡護欄設計

為了減少施工周期，過渡護欄采用全鋼結構，不使用混凝土結構。通過與橋梁混凝土護欄錨接、打樁，快速進行安裝。同時，考慮橋梁混凝土護欄的剛性、過渡護欄的半剛性，需要消除剛性和半剛性的過渡受力不均的情況，為此，對過渡護欄進行加強處理，采用調整立柱間距和過渡位置加強的措施來實現。

1.1 護欄構造

該文研發的過渡護欄，采用裝配式結構，由三波形梁板、摩擦梁、立柱等構件組成，其中鋼管立柱打入路基中固定。三波形梁板與摩擦梁前端以及異型過渡板通過螺栓緊固，異型過渡板的另一端與混凝土護欄采用頂爆螺栓緊固。三波形梁板背后通過背梁加強連接，背梁采用螺栓與三波形梁板與異型過渡板緊固，同時采用頂爆螺栓與混凝土護欄固定。摩擦梁末端需折彎，三波形梁板與摩擦梁末端以及護欄板通過螺栓連接緊固，實現過渡護欄與混凝土護欄和鋼護欄的連接閉合。護欄構造如圖1所示。

1.2 護欄材料

護欄整體結構為鋼結構，由鋼板加工成型，其中鋼管立柱采用700型高強鋼材，其余護欄結構材料均采用Q355B型鋼材。護欄結構原材料的力學性能符合《波形梁鋼護欄 第1部分：兩波形梁鋼護欄》（GB/T 31439.1—2015）[10]中的技術要求。

1.3 護欄技術參數

考慮過渡護欄的防護等級較高，以及剛度變化的特性，過渡護欄的立柱采用不等間距形式。以遠離橋梁混凝土護欄為起點方向，共設置3根護欄，間距依次為

0.75 m、1 m、1.5 m，如圖2所示。立柱規格為120 mm

×120 mm，壁厚4 mm。異型過渡板采用壓型結構，厚度為3 mm。三波形梁板截面尺寸為506 mm×85 mm，厚度3 mm。摩擦梁為空心鋼管結構，橫截面尺寸為

120 mm×60 mm，壁厚3 mm。背梁為壓型的U形結構，橫截面尺寸為260 mm×120 mm，厚度3 mm。連接螺栓均采用M16型。護欄形式見圖2所示。

2 仿真試驗研究

基于LS-DYNA有限元的仿真試驗，可用于評估在碰撞過程中的汽車和護欄結構的性能，是研究復雜汽車系統與護欄結構相互作用的有力工具[11，12]。在模擬碰撞試驗過程中，采用顯式有限元理論建模，這樣便于提高計算效率。

2.1 仿真模型的建立

在仿真模型中，護欄總長為43.25 m，由橋梁護欄16 m、護欄過渡段3.25 m和護欄標準段24 m組成。橋梁混凝土護欄采用實體單元，上部橫梁采用殼單元；護欄過渡段及護欄標準段全部采用殼單元。護欄過渡段及護欄標準段的立柱和地面進行剛鉸錨固。護欄的仿真模型如圖3所示。

2.2 碰撞試驗條件

根據《公路護欄安裝性能評價標準》（JTG B05

-01—2013）[13]，SB級護欄的碰撞條件如表1所示。護欄碰撞評價標準主要分為阻擋功能、緩沖功能和導向功能三個方面。阻擋功能要求為：（1）護欄應能阻擋車輛穿越、翻越和騎跨；（2）試驗護欄構件及其脫離件不得侵入車輛乘員艙。緩沖功能要求為：（1）乘員碰撞后，速度分量（包括縱向分量與橫向分量）不超過12 m/s；（2）乘員碰撞后，加速度分量（包括縱向分量與橫向分量）不超過200 m/s2。導向功能的要求為車輛軌跡不得越出規定的導向框。

在仿真試驗中，分別進行了小型客車、中型客車、大型貨車與過渡護欄的碰撞。

2.3 仿真試驗結果分析

在碰撞仿真試驗中，車輛未穿越、翻越和騎跨過渡護欄，過渡護欄的構件及其脫離件未侵入車輛乘員艙，說明過渡護欄能滿足阻擋功能。

3種車型與護欄碰撞后，根據導向框的范圍可知，小型客車、中型客車、大型貨車的車輛允許橫向偏移值分別為4.7 m、8.5 m和8.0 m，3種車輛在碰撞護欄后，仿真試驗結果在規范計算的限值內，過渡護欄能滿足導向功能。

按照《公路護欄安裝性能評價標準》（JTG B05-

01—2013）的要求，采集小型客車碰撞護欄后的乘員速度與加速度值可知，小型客車阻擋功能、緩沖功能滿足規范要求，中型客車及大型貨車阻擋功能滿足規范要求。根據碰撞仿真結果，該文的橋梁過渡護欄滿足SB級護欄碰撞要求。

3 結語

該文基于高速公路橋梁過渡護欄防護等級、安裝便捷的實際改造需要，設計了一種能減少施工周期、具有過渡功能的新型護欄結構，該新型護欄采用與橋梁護欄錨接和打樁方式進行連接，通過計算機碰撞仿真試驗及實車足尺碰撞試驗，對該護欄的安全性能進行了驗證。研究結果表明：該新型過渡護欄的阻擋功能、緩沖功能、導向功能均能滿足規范的相關要求，達到了SB級的防護等級，同時，該新型護欄能保證施工安裝便捷。

參考文獻

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[13]公路護欄安裝性能評價標準：JTG B05-01—2013[S].北京：人民交通出版社， 2013.

收稿日期：2024-08-12

作者簡介：劉杲朋（1992—），男，碩士研究生，研究方向：公路工程建設管理。