再生波形護欄的降級使用方案研究

摘要 隨著農村公路交通建設的不斷推進，護欄作為重要的交通安全設施，在促進道路安全和交通流暢性方面發揮著重要作用。然而，由于農村公路的特殊條件，傳統的護欄設計往往存在成本高昂、維護困難等問題，限制了其在實際應用中的廣泛推廣。因此，探索適合農村公路的再生波形護欄降級使用方案，具有重要的理論和實際意義。文章通過系統的方法論探討，提出了適合農村公路的再生波形護欄的降級使用方案，為農村公路交通安全和護欄設施優化提供了一種新的思路和實踐路徑，以期為相關決策者和從業者提供參考，從而促進農村公路交通設施的現代化和智能化發展。

關鍵詞 再生；波形護欄；降級使用

中圖分類號 U417.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）03-0122-03

0 引言

我國高速公路上使用的半剛性波形護欄主要結構是立柱、防阻塊和橫梁，由于公路建設和制作工藝發展等原因，其使用壽命并不能很好地完全執行，不同使用場景中的護欄銹蝕、護欄變形、涂料磨損情況不同，使得護欄上的標識標線不能被清晰識別，影響交通信息的傳達，也對美觀產生負面影響。另外，高速公路在長期、遠期維護計劃中對高速公路進行修整，對路面寬度、厚度的改造使得原有護欄高度、位置不能滿足道路安全防護的要求。此外，隨著越來越多的城市和地區使用2017年提出的新標準《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2017）和《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2017），此前使用的2006版《公路交通安全設施設計規范》（JTG D81—2006）、《公路交通安全設施設計細則》（JTG/T D81—2006）中規定原有護欄的結構和防撞等級已不滿足要求。

1 橫梁篩選控制標準

對橫梁進行篩選的目的是方便后續的流水線工作，機器可以對橫梁打磨、正形、噴涂，但對選材有一定的要求。高速公路線路距離長、線形較直，批量回收的護欄橫梁大多是標準長度的構件，執行規范統一的篩選標準有利于獲得符合回收要求且性能更相近的橫梁板材，能夠提高材料的整體合格率，一定程度上延長再生護欄的使用壽命[1]。

1.1 橫梁外觀判斷

一些基于《高速公路波形梁鋼護欄》（JT/T 281—2001）、《公路三波形梁鋼護欄》（JT/T 457—2007）等老版規范的研究，在評價護欄整體外觀時使用各部件尺寸、裂縫情況、變形情況等指標。該文研究護欄橫梁再生，對橫梁外觀的評價重點主要是鋼材的銹蝕、變形、破損，以及涂料的泛油、磨損、脫落。為避免人工檢視出現過于主觀的評價，外觀評價還需要機器檢視以測定橫梁參數，排除肉眼難以發現的裂縫等暗傷。

1.2 橫梁使用情況調查

護欄使用壽命從5年到25年不等，在其使用周期內的檢查和養護留下的記錄是使用情況調查的主要參考。如果發生車撞護欄的事故，受影響不嚴重而未更換的護欄及橫梁部分還需記錄事故產生的影響和事故后對護欄的處理情況[2]。特殊條件如高寒、酸雨、鹽霧、雷擊等天氣環境，應作為使用情況的綜合考察信息。此外，還有常見的人工操作如向護欄附近綠植噴藥、道路撒鹽融雪等，這些發生在道路的相應位置，雖然不針對護欄但同樣對其產生影響，也需要將其納入使用情況的考慮范疇。

1.3 再生類型判斷

把來自車輛的碰撞或剮蹭視為人為因素（主要影響護欄變形、磨損、美觀），把環境中的天氣、溫度看作自然因素（主要影響銹蝕、變性）。在這些復雜因素共同作用下，即使是同一條高速公路也須區分不同路段的路況，具體分析應落實到每個護欄單元，而對護欄橫梁板材的狀態則按照回收難度和預估經濟效益進行分類。

1.3.1 不適合再生類

由于路肩沉降、汽車直接碰撞、組件焊接不牢而導致明顯變形或損壞嚴重的護欄修復難度大，且存在高程度性能劣化的可能，還有的護欄使用壽命進入末期，將其再生利用反而會成為隱患。此外，一些設置在特殊位置如轉彎、出入口、端頭處的護欄，其本身長度或線形經過處理，已經不是標準件的橫梁單元，很難在降級使用方案中找到合適的應用場景[3]。目前的回收行業沒有針對這些護欄的專用翻新設備，開發特種設備不僅需要先導研究還要求極大的資金投入，不符合從業企業或公司對再生投產的急迫需要，因此應將這些護欄歸類為不適合回收。另外，導致護欄不適合回收的情況普遍存在，但該類護欄數量在總體中的占比較小，屬于護欄再生中棘手的存在，這也是眾多企業選擇直接淘汰它們而不予回收的原因之一。

1.3.2 再生價值不高類

以回收為主業的中小企業專注于盈利，對比再生利用和按照廢鐵回收，他們會選擇帶來更多經濟收益的一方，該文考慮的回收價值則是對比護欄的這兩種去向[4]。根據統計數據，公路護欄廢鐵的價格為1 000～2 000元/t，而不銹鋼和鋁合金的回收價格在5 000元/t左右，回收方式是由政府招標出售給價格優勢方，一般為大型鋼鐵企業。綜合考慮再生護欄在不同應用場景中的替代比例和平均節約的板材用量，羅杜波分析HS項目再生護欄產品的投資利潤率為34.57%，可以看出同類型護欄回收再生項目具有較高的盈利能力。按一條高速路為一個項目，若再生全壽命周期經濟性評價的預期收益不抵廢鐵回收，則會降低企業對經營再生項目的意愿。

1.3.3 符合再生要求類

基于企業指導流水線工人和機器設備有序開展回收再生工作的需求，對已符合再生要求的橫梁再分出“優、良、中、次”等四個層次，其中“優”層次橫梁外觀良好，結構完整，服役時間短，沒有暗傷的風險，不經過復雜處理就可以直接使用；“良”層次橫梁涂料無鼓包，鋼體無大面積銹蝕，重新打磨噴漆后即可使用，性能預期劣化程度較小；“中”層次橫梁涂料有磨損，表面有銹蝕，或經碰撞后輕微變形，整形和噴涂后仍需抽樣評定性能，需加固后才能使用；“次”層次橫梁出現較大面積的生銹，漆料塊狀脫落，整體需要改造，一般需要降級且不按照原結構使用。

2 護欄降級使用方案

綜合參照來自《公路交通安全設施設計規范》和《公路交通安全設施設計細則》中路基護欄防護等級的選取表格，以及部分波形梁護欄結構的構造和尺寸表格，以路側護欄為分析對象，高速公路在事故嚴重程度下的劃分等級（三級～六級）高于鄉村公路（三級～四級），而高速公路護欄波形橫梁板長506 mm、高85 mm、厚4 mm的標準也都高于鄉村公路，這表明高等級橫梁板材有向低等級改造和降級使用的可能[5]。部分波形護欄結構參數見表1所示：

2.1 橫梁基礎參數改造

防護等級三（A）級的波形護欄結構使用3 mm、4 mm厚的三波形板材和4 mm厚的兩波形板材，三級以上的三波護欄板材參數相同。不考慮新結構，高速公路防護等級為四級～六級的三波護欄板再生評價等級在“中”層次以上的，可以直接替換三級三波護欄板使用，其在基礎參數方面不需要進行改動。防護等級一（C）級、二（B）級的波形護欄結構分別使用2.5 mm、3 mm厚的兩波形板材，其長度310 mm也比三（A）級以上的護欄板更短，可以通過機械切割再生評價等級“中”層次以上的三（A）級兩波形板得到替換板材。

2.2 護欄結構改造

三波形板材的設計防護性能優于兩波形，因此鄉村公路的兩波護欄可由高速公路高防護等級的三波護欄改短以實現增加波形的結構改造。組合結構的優化針對防撞性能的提升，通過觀察研究的眾多創新結構可以總結出加高護欄整體高度的思路，那就是保持下層橫梁高度不變，通過套管增加一排護欄板的結構改造，以提高護欄整體高度。該方案下層和上層板材均可以是再生來源，推薦其使用在鄉村公路事故高發或易發生嚴重事故的路段。在需要加密立柱以增強防護強度的路段，波形橫梁與立柱之間應增加對應數量的防阻塊和螺栓結構。

3 護欄性能評價方法

根據《公路交通安全設施設計細則》，在確定護欄結構形式時應考慮足尺碰撞試驗成果和經濟條件等，有限元仿真模擬方法經過美國、日本及國內專家學者的驗證，能夠體現和實車足尺碰撞相當的準確性，在車企和安全設施設計單位中都有廣泛運用。眾多研究側重于經濟性，采取有限元方法在軟件中還原車輛和護欄的尺寸和性質，最大限度地仿真車撞護欄過程的相關功能，并獲取單元指標以用于評價其性能。待確定了仿真模擬的可信度，設置好參數和工況，該類CAE軟件就可以在短時間內計算得到大量數據，通過面板即可實現對試驗的重復和細節的調整。

結合研究對象和開發經驗積累，企業可以從ABAQUS、Ansys、LS-DYNA等眾多功能強大的有限元分析軟件進行選擇，但它們的仿真與求解過程相似，可以大致歸類為前處理和后處理[6]。

3.1 仿真模擬試驗前處理

汽車模型構建難度大，通常需要多個專業團隊合作開發，因此該文討論方案使用的車型來源于網絡下載能夠獲取的通用小客車（轎車）、大客車、貨車模型。護欄模型依據高速公路和農村公路波形護欄各等級和技術參數，構件長度、高度、厚度及改進結構的材料參數，在材料剛性方面選擇軟件中與護欄通常使用的Q235牌號鋼性能最接近的預設模板。

3.1.1 模型簡化

下載的車輛模型過于精細，車輛內部小零件會嚴重降低軟件的計算速度，減少這部分的計算單元或直接刪除其結構能夠有效減少整體運算時間。針對護欄的結構簡化，主要體現在根據模型中拼接螺栓是否斷裂，采用適用接觸類型是否變化的共節點法，節約了螺栓配套的螺母、墊圈、墊片等小構件的建模和計算成本。立柱與路基接觸的簡化全約束位置，設置在最大彎矩出現的位置即立柱埋入地面以下40 cm處[7]。立柱與地面接觸簡化圖如圖1所示，護欄螺栓結構簡化圖如圖2所示。

3.1.2 網格劃分

網格劃分的細致程度是模型計算準確的關鍵，在對面單元、殼單元進行劃分的時候應遵守一定的劃分技巧，不同精度對網格尺寸、混合形狀占比、節點數量等均有相應要求，同時設置好網格間的接觸類型和邊界條件，使單元上的力和力矩通過節點傳遞，避免出現單元坍縮和大面積的失效。模型計算應檢驗沙漏能量在總能量中的占比，研究中所指的沙漏現象是軟件中由于積分有限元數量的設置不可避免地產生的無應力和應變的塌陷形變，應選取合適的計算單元，一般將沙漏能量限制在5%以下，這說明計算模型具有較高的可信度。

3.1.3 碰撞條件設置

該文降級使用的護欄應用場景為農村公路，一般采用二級公路以下標準，其中三級、四級公路路基護欄防護等級最高選取三（A）級，設計速度分別為40 km/h和30 km/h，低于《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）中對護欄標準段的碰撞試驗設置（其中小型客車、中型客車、中型貨車的碰撞速度分別為100 km/h、60 km/h、60 km/h），考慮道路安全問題的嚴肅性，企業在設置碰撞速度時宜采用性能要求更高的標準。整個碰撞過程動態時間短，設置合適的時間步長能夠準確計算速度和加速度等參數的細微變化，這是提高試驗結果精度和效率的重要步驟。

3.2 仿真模擬后處理

短時間內眾多單元發生復雜的力學特征變化，顯示有限元仿真計算的結果，可在軟件內通過工具實現可視化。護欄碰撞能夠通過云圖、等值線圖、動畫關注形變和位移等信息進行直觀的評價，也可以通過數值坐標曲線對能量轉移、速度與加速度等信息進行解釋。該方案討論的再生護欄結構的優劣，能夠通過設置敏感因素及評價方法進行辨析。常見的評價方案關注護欄防穿越性能、安全性能、導向性能等，在層次分析法、熵權法、TOPSIS法框架中設置指標層次，即可通過后處理多項碰撞結果參數進行綜合評價。模型簡化、網格劃分、邊界條件、接觸類型等的設置，應視試驗目標而定并非固定不變，開發工程師的水平和經驗對試驗的準確性起到主要作用，前處理的流程需要高水準后處理團隊的補充和改進，以減少計算誤差，1∶1還原真實力學問題是使用有限元仿真軟件的最終目標。

4 結論

再生波形護欄作為一種新型的道路安全設施，其在農村公路上的降級使用方案研究，旨在探索如何在保證道路安全的前提下，降低建設和維護成本，提升護欄的實用性和經濟性。除了技術研究和方案設計外，還需要政府部門、道路管理者及其他利益相關者的積極參與和支持。特別是在資金投入、政策支持和技術推廣方面，需要建立起多層次、多方位的合作機制，共同推動再生波形護欄在農村公路上的廣泛應用和推廣。只有這樣，才能真正實現農村公路交通安全設施的現代化和智能化，為廣大農村居民的出行安全保駕護航。

參考文獻

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[3]張益銘，王雅妮，曹義愷，等.農村公路風險評估模型修正方法[J].物流技術， 2022（1）：59-64.

[4]孫彩蘭.淺談如何加強農村公路的養護和管理[J].居業， 2021（7）：134-135.

[5]公路交通安全設施設計細則：JTG/TD 81—2017[S].北京：人民交通出版社， 2018.

[6]李江江.撞擊過程中農村公路波形護欄動力響應研究[J].交通科技與管理， 2024（12）：64-66.

[7]崔娜杰.轎車與護欄碰撞仿真分析及護欄立柱優化[D].大連：大連理工大學， 2018.

收稿日期：2024-08-27

作者簡介：馬力（2000—），男，碩士研究生在讀，研究方向：交通運輸。

通訊作者：徐旭（1978—），男，本科，高級工程師，研究方向：交通安全。

基金項目：新疆維吾爾自治區十二師科技計劃項目“新疆干線公路波形梁護欄再利用技術研究與應用”（SRS2023006）。