高速公路波形梁鋼護欄防護性能提升的技術方案研究

摘要 該文針對舊波形梁護欄提出了升級改造方案，以提高舊護欄強度加固改造方案為例：原Ф114 mm立柱不動，在此立柱外套入Ф140 mm×4.5 mm×1 750 mm立柱，打入深度800 mm，將原立柱增高、增大；采用兩塊波形板上下安裝的形式，用以彌補波形梁板厚度及寬度的不足；用定制的防阻塊更換原防阻塊或托架，防止侵入道路限界。在現(xiàn)行規(guī)范要求的碰撞條件下，通過車輛與護欄碰撞的模擬仿真計算，對改造后的波形梁護欄進行仿真碰撞模擬試驗。試驗結果證明：在相同的碰撞條件下，升級改造后的護欄能夠有效攔阻失控車輛，波形梁最大位移等數(shù)據(jù)均能滿足A級的要求，防撞性能得到了大幅提高。

關鍵詞 道路工程；安全工程；波形梁護欄；模擬仿真計算

中圖分類號 U491.5 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2025）04-0088-03

0 引言

波形梁護欄是確保高速公路上交通安全的關鍵設施，通過其連續(xù)的梁柱結構對駕駛員進行保護。在車輛失控撞向護欄時，沖擊所產(chǎn)生的能量被護欄板與立柱緩解吸收，防止車輛越過道路邊界或進入對向車道，從而提升安全性。

我國從20世紀80年代開始大規(guī)模地進行高速公路的建設，這直接帶動了防撞護欄的研究及應用，其中就包括波形梁護欄，截至今日，對護欄的研究和應用還在隨著車輛、交通狀況的改變而不斷豐富其內容。在1994年，我國交通運輸部發(fā)布了《高速公路交通安全設施設計及施工技術規(guī)范》（JTJ 074—94），即《94規(guī)范》，系統(tǒng)性地第一次對護欄的設計和施工標準進行了詳細規(guī)定。隨著車輛設施及交通安全形勢的改變，加之交通量的迅猛增長，為適應這些新的要求，在2006年和2017年又分別發(fā)布了《公路交通安全設施設計規(guī)范》（JTG/D 81—2006），即《06規(guī)范》[1]和JTG/D 81—2017，即《17規(guī)范》。現(xiàn)行規(guī)范為《17規(guī)范》，其要求A級、Am級波形梁護欄，均應是三波形式，而之前的2本規(guī)范均要求是雙波形式，且立柱的直徑也不同，這就造成了護欄結構上的巨大差異。通過對高速公路護欄有關交通事故的分析，發(fā)現(xiàn)符合前兩部規(guī)范的A級和Am級波形梁護欄在整體外觀上完好，但其防撞能力不能全面滿足《17規(guī)范》的技術指標的要求。如果將原規(guī)范的護欄，全部更換為符合《17規(guī)范》的三波波形梁護欄，將導致資源浪費和高昂的工程成本，同時對環(huán)境造成負擔。

此外，現(xiàn)有護欄存在波形梁板拉斷、立柱斷裂和立柱阻礙車輪等問題，影響其防護效果，導致車輛穿越護欄的情況增多。盡管更換新護欄可以提升安全性，但會面臨舊立柱無法重復使用、材料浪費以及對通信設施可能造成損害等挑戰(zhàn)。因此，需制定一種有效的波形梁護欄改造方案，兼顧施工技術、設計優(yōu)化和預防措施，以提升護欄系統(tǒng)的安全性和耐用性，同時保護高速公路的通信網(wǎng)絡。

興蘭陽等[2]針對鋼護欄材料回收利用率低的問題，提出一種新型高強度鋁合金波形梁護欄結構，利用有限元仿真并結合現(xiàn)行規(guī)范對該種護欄安全性能進行了評價，其防撞能力滿足我國相關規(guī)范要求的A級標準。王超[3]通過理論分析和數(shù)值模擬綜合評估了欄桿、立柱及基礎螺栓在汽車碰撞荷載下的承載能力和使用性能。扈亞楠[4]

提出了一種新型的梁柱式護欄結構：吸能合金—復合材料護欄組合式結構。趙慶云等[5]提出了一種基于原護欄保留利用的直立式接高改造方案，用于提升在用橋梁護欄的防護能力。通過理論分析和有限元仿真模型，優(yōu)化了改造方案，防護等級達到了SS級。王維利等[6]針對公路加鋪罩面導致路側波形梁護欄防護高度下降的問題，利用Hyper Mesh和LS-DYNA聯(lián)合仿真方法，進行了皮卡車和貨車分別碰撞護欄的仿真試驗。研究結果顯示：護欄高度與車輛重心加速度和駛出角度呈負相關，與最大動態(tài)變形量呈正相關。當護欄高度低于標準高度150 mm時，皮卡車和貨車均可能發(fā)生側翻。高速公路罩面導致路面結構層變厚，進而降低了路側護欄的防護高度。為解決這一問題，郭忠印等[7]建立了防護高度與護欄安全性能的關系模型，并提出了合適的加高改造方案。崔烜赫[8]建立了A級雙波形半剛性波形梁護欄、10 t大客車、1.5 t小客車的有限元模型。研究結果發(fā)現(xiàn)：當碰撞角度超過30°時，護欄的導向性能明顯下降，無法及時改變車輛的運行方向，導致護欄可能發(fā)生嚴重變形甚至斷裂，失去防護效果。張舜達等[9]探討了如何通過加固舊鋼筋混凝土護欄來提升其防護性能，相比于安裝全新護欄，這種改造更為資源節(jié)約，仿真結果顯示：經(jīng)過加固的A級護欄能夠有效地保護行駛中的車輛。

對文獻分析可知，隨著計算機技術的發(fā)展以及國內現(xiàn)役護欄所存在的問題日益突顯，對于護欄的研究方法從最開始的實車足尺碰撞試驗為主逐漸過渡到現(xiàn)在的以計算機仿真分析為主，對于護欄的研究方向也從最開始的新護欄開發(fā)轉變到提升在用護欄的防護性能。

1 護欄改造方案設計

該文基于《94規(guī)范》規(guī)定的波形梁護欄，提出一種升級改造方案，以滿足《17規(guī)范》中防撞性能的要求。研究采用有限元仿真模擬技術，建立車輛與護欄碰撞仿真試驗模型，分析《17規(guī)范》規(guī)定碰撞條件下的互動過程。重點分析的關鍵參數(shù)包括碰撞過程中車輛的峰值加速度、護欄的最大位移以及車輛行駛狀態(tài)。通過綜合這些數(shù)據(jù)，評估改造后護欄的實際防撞性能。為確保評估結果的科學性與準確性，依據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）對升級護欄進行全面安全性能評估，包括護欄的結構強度、變形特性及其對車輛的保護效果。

具體實施方案：對于波形梁板強度的不足，在立柱上再增加一道波形梁板，形成雙層二波形梁板結構，立柱抗彎剛度的不足，采用在原立柱外增加Ф140 mm外套管的方案，以增強立柱的抗拔、抗剪能力。

在實施過程中，先拆除原護欄波形梁板和防阻塊（托架），再將Ф114 mm立柱再往路基中打深100 mm，選擇Ф140 mm×1 770 mm×4.5 mm的立柱，將Ф140 mm立柱內壁緊貼Ф114 mm立柱外壁打樁，注意Ф140 mm立柱防阻塊螺栓孔與原Ф114 mm立柱上的孔重合，分上下將兩個防阻塊安裝在Ф140 mm立柱上，最后分上下安裝兩塊二波波形梁板。

該提升方案在“尊重規(guī)范、滿足標準、注重創(chuàng)新”的原則指導下，對現(xiàn)有波形護欄進行了系統(tǒng)的升級改造，以應對其防護能力不足和潛在的安全隱患。該方案充分利用《94規(guī)范》下的波形梁護欄現(xiàn)有結構，旨在節(jié)約造價并顯著提高護欄的防護性能。

具體實施措施包括以下三方面：（1）通過加深立柱的埋設深度和增加立柱直徑，以增強立柱與土基之間的固結點的穩(wěn)定性，這有助于在碰撞事件中提供更為堅固的支持。（2）方案通過提升立柱的高度，并在增加的高度部分增設一層波形梁板，使其與原有波形梁板共同分擔水平拉力，這種結構調整旨在改善護欄在沖擊力下的整體承載能力。（3）通過立柱的加高和新增的上層波形梁板來整體提升護欄的高度，解決了原有護欄高度不足的問題，進一步提升了護欄的防護效能。這些改進措施不僅增強了護欄的穩(wěn)定性和安全性，也符合現(xiàn)代安全標準和規(guī)范要求。

2 碰撞力學模擬仿真試驗

在計算機輔助工程領域，HyperMesh是一種先進的有限元網(wǎng)格劃分前處理工具，能提供多種網(wǎng)格控制選項，能夠生成高質量的網(wǎng)格，這對于準確的有限元分析至關重要。能與多種CAE軟件兼容，可以將模型導出為多種格式，以便在不同的軟件中進行進一步的分析，從而縮短建模時間并優(yōu)化網(wǎng)格劃分效率，提高建模精度。再結合LS-DYNA[10]這一強大的數(shù)據(jù)分析平臺，其通過先進的數(shù)據(jù)分析功能，能夠對車輛碰撞等復雜場景進行深入仿真分析，獲取直觀的車輛損壞結果，為HyperMesh在有限元建模過程中提供了有效支持。

2.1 車輛有限元模型

該文選取三（A）級防護等級進行模擬仿真，依據(jù)《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）的規(guī)定，三（A）級碰撞試驗的條件為下表1。

與小型車輛相比，中大型車輛由于其顯著增加的質量和較高的重心，容易在碰撞護欄時發(fā)生翻覆、穿越或騎跨護欄等現(xiàn)象。這些特征使得中大型車輛在實際道路環(huán)境中面臨著更為復雜的碰撞動態(tài)問題。因此，為了全面評估護欄系統(tǒng)的防護能力，該研究選擇了彈性體中型客車模型作為仿真分析的對象。該模型的車身尺寸為8.6 m長、2.45 m寬和3.2 m高，采用了詳細的實體模型構建方法，確保了模型的準確性和真實性。在模擬過程中，車輛行駛系統(tǒng)的設置嚴格參考了實際車輛的性能特征，包括懸掛系統(tǒng)、轉向機制及動力系統(tǒng)等，以確保仿真中的行駛軌跡和行為模式與現(xiàn)實情況高度一致。這種高精度的建模和仿真方法，有助于精確評估護欄在中大型車輛碰撞中的表現(xiàn)，從而為護欄設計優(yōu)化提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

2.2 護欄模型

在構建護欄有限元模型的過程中，模型的精確度對仿真結果的準確性至關重要。由于汽車與護欄的碰撞涉及多種結構形式、邊界條件、連接方式以及荷載等復雜因素，全面模擬實際情況是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。因此，在建立護欄模型時，不可避免地需要對模型進行一定的簡化。在該仿真模擬中，采取了以下簡化措施：在進行護欄碰撞仿真研究時，為降低計算復雜度并聚焦于護欄響應，采取以下簡化策略：路面視為剛性，忽略其在碰撞中的變形；螺栓連接簡化為兩端固定的鋼制梁單元，允許其在仿真中發(fā)生彎曲和拉伸；路緣石影響被忽略，以突出護欄的防撞特性；立柱通過節(jié)點連接，模擬剛性連接；施加全約束邊界條件以確保模型穩(wěn)定性。這些措施使得護欄模型在1∶1比例下，立柱間距4 m，總長68 m，真實反映設計配置，為工程應用提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 模擬碰撞結果分析

車輛碰撞過程的時間節(jié)點分別為T=0、200 ms、680 ms和1 355 ms。圖1展示了車輛接近護欄的路徑，而圖2則顯示了車輛與護欄接觸并發(fā)生碰撞的軌跡。

在碰撞測試中，提升改造后的護欄展示了出色的性能。測試顯示，碰撞后車輛未發(fā)生翻覆、下鉆、穿越或騎跨，且碰撞后駛出角度僅為11°左右，遠低于標準的20°，突顯護欄在防止車輛失控方面的有效性。車輛在碰撞后依然能保持正常的運行軌跡，沒有出現(xiàn)被絆阻或橫向轉動的現(xiàn)象。前保險杠與護欄的接觸長度達13.5 m，表明護欄提供了連續(xù)的保護。盡管護欄立柱有所彎曲，但未出現(xiàn)斷裂；雙層波形梁板保持完好，沒有明顯斷裂，顯示了護欄的強度和能量吸收能力。車輛左前方翼子板和前保險杠雖然變形，但未有零部件脫落，顯示了護欄的有效保護。

此外，提升改造后的護欄在碰撞中表現(xiàn)出了卓越的能量吸收能力，特別是在受沖擊最嚴重的區(qū)域，托架有效地吸收了碰撞能量，延長了碰撞時間，減少了對乘員的沖擊力，并降低了二次碰撞的風險。根據(jù)[11]《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013），寬度超過2.4 m

的車輛最大加速度應低于20 g，護欄最大動態(tài)變形量應不超過1 200 mm。測試結果表明：改造后的護欄在碰撞過程中，車輛在三維方向上的峰值加速度均未超過標準限制。

綜合以上模擬仿真得出的數(shù)據(jù)，對比《公路護欄安全性能評價標準》（JTG B05-01—2013）中關于標準護欄的安全性能評價內容，提升改造后的護欄滿足對三（A）級碰撞等級的要求。

3 結論

依據(jù)公路波形梁護欄防護性能提升的訴求，該文針對A級波形梁護欄進行了升級改造的設計，并依托有限元軟件完成了車輛與護欄的碰撞模擬仿真計算。該文提出了一個波形梁護欄提升的方案，在充分利用舊護欄的基礎上，通過增加立柱埋深、加大立柱直徑、新增一塊上層二波波形梁板以及增加護欄高度等方法來提高護欄的防撞能力，通過有限元模型完成了車輛對提升方案的模擬仿真計算，改造后的護欄有效地阻止了車輛的騎跨和穿越現(xiàn)象，波形梁板在碰撞中良好地展開，防阻塊正常變形并有效吸收了碰撞能量。經(jīng)過改造后的護欄在最大位移和車輛峰值加速度等指標上均達到了A級防護標準的要求。

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收稿日期：2024-08-22

作者簡介：邢國彬（1976—），男，本科，工程師，研究方向：高速公路交通安全防護、高速公路路面預防性研究。