高速公路旧波形梁护栏实际防护等级评价方法研究

邓宝;邰永刚;刘会学;潘向阳;陈浩;葛书芳

【摘 要】我国高速公路经过20 a的快速发展,波形梁护栏是我国高速公路上应用最广泛的护栏形式,在日常养护和改扩建工程中经常涉及到旧护栏防护等级评价的问题.通过对旧波形梁护栏使用情况的调研,建立了旧波形梁护栏实际防护等级评价模型,对影响波形梁护栏防护等级的结构形式、防护范围、立柱和波形板材料性能、立柱埋深、土压实度等指标进行量化处理,对护栏的防护性能进行计算,以确定处于不同运营阶段的波形梁护栏具备的实际防护等级.%After 20 years of rapid development of highway in our country,the w-beam barrier is the most widely used form of barrier,its often involve old barrier protection level in daily maintenance and expansion project.This paper establishes the evaluation model of the actual protection level of the old w-beam barrier through investigation of the old w-beam barrier.The parameters of the model include the structure form,the protection range,the column and the performance of the wave plate material,the depth of the column,the degree of soil compaction and so on,in order to determine the different operational stages of the w-beam barrier with the actual level of protection.

【期刊名称】《公路工程》

【年(卷),期】2017(042)002

【总页数】4页(P213-216)

【关键词】高速公路;旧波形梁护栏;防护等级;评价方法

【作 者】邓宝;邰永刚;刘会学;潘向阳;陈浩;葛书芳

【作者单位】交通运输部公路科学研究所, 北京 100191;交通运输部公路科学研究所, 北京 100191;交通运输部公路科学研究所, 北京 100191;福建省高速公路有限责任公司, 福建 福州 350001;福建省高速公路有限责任公司, 福建 福州 350001;交通运输部公路科学研究所, 北京 100191

【正文语种】中 文

【中图分类】U417.1+2

波形梁护栏是我国高速公路应用最广泛的护栏形式，早期修建的高速公路所采用的护栏形式以波形梁护栏为主，在日常养护和改扩建工程中涉及到旧护栏防护等级评价和再利用的问题，因此，对原有波形梁护栏不同条件的防护等级评价尤为重要。

波形梁护栏防护是一个系统，旧波形梁护栏实际防护等级评价包括立柱系统和波形板系统的评价，护栏的实际防护等级是是护栏立柱和横梁变形吸收的能量的总和，护栏立柱和波形梁板防护能量的影响因素主要包括以下几个方面[1]，如图1所示。

1.1 模型建立

这里以标准Gr-A-4E波形梁护栏的基准，对波形梁护栏的防护能量进行估算，通过护栏系统的抗变形能力来计算护栏实际防撞能量，基于此，提出如下基本假设，如下：

① 车辆碰撞护栏能量的横向部分主要被护栏立柱和横梁的变形吸收。

② 护栏立柱和波形梁板变形吸收的能量为具备的防护等级。

③ 在标准碰撞条件下，护栏吸收能量的长度有一定的范围。

④ 护栏立柱和波形梁板为钢塑性梁。

⑤ 护栏的防护等级主要立柱和波形梁板的吸能表现[2-4]。

护栏实际防护能量计算模型如下：

式中：E2为护栏实际具备的防撞能量，kJ；k为修正系数(腐蚀、护栏吸能效果等考虑)；(0.8～1.0)；Di为立柱变形吸收能，kJ；i为变形立柱数；Dj为波形梁板变形吸收能，kJ；j为变形护栏板数；kp为土壤压实度系数；kh为立柱埋置深度系数；kl为立柱间距系数；Mpi为立柱塑性极限弯矩，N·m；θi为第i根变形立柱塑性变形处的相对转角，rad；Mpj为波形梁板塑性极限弯矩，N·m；θj为第j块变形板塑性变形处的相对转角，rad[5]。

1.2 波形梁护栏吸能区间分析

为了分析车辆的碰撞双波形梁护栏过程护栏纵线变形的长度，根据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2006)中关于车辆碰撞护栏的分析，如图2所示。

车辆碰撞护栏时：车辆以一定角度驶入角度θ碰撞护栏，设作用力为F，时间为t，车辆作用距离为S，根据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81-2006)中对车辆横向位移所需的时间t [6，7]。

如果在与护栏垂直方向运用动量守恒，则有：

Ft=mV1sinθ-0

计算结果与规范提供的碰撞力计算公式相同，因此，在计算参数时，可利用动量守恒进行求解。车辆碰撞护栏的距离S可近似为：

S≈ V1cosθt=(V1cosθ)×

由公式可以看出：车辆与护栏的作用距离跟车辆碰撞护栏的角度、车辆重心距前保险杠的距离、车辆宽度和护栏的最大动态横向变形量有关。根据《高速公路护栏安全性能评价标准(JTG/T F83-01—2004)中对护栏最大动态变形量的规定，半刚性双波形梁护栏最大动态变形量小于或等于100 cm[8]。车辆重心距前保险杠的距离取半个车长，对不同车型碰撞波形梁护栏的影响长度计算见表1。

根据理论分析，A级波形梁护栏在碰撞条件下护栏变形长度平均值为12.21 m。因此，吸能立柱数i=4，波形梁数j=3。双波形梁护栏主要吸能耗能区域变形前后的示意图如图

3所示。

1.3 旧波形梁护栏材料性能试验(见图4，图5)

选取已经运营10 a以上的山西、山东、河北、福建、广东高速公路旧波形梁护栏的立柱、波形梁板等护栏构件加工成宽度12.45 cm，长度20 cm的标准构件，进行材料拉伸试验。

材料拉伸试验主要检测常温下护栏各部分构件材料的力学性能，包括屈服强度、抗拉强度以及破坏强度、延伸率、应力-应变变化。

2.1 不同立柱规格耗能计算

根据实际调研和护栏材料性能试验，我国高速公路波形梁护栏立柱为圆形立柱，主要为Ф114×4.5 mm立柱和Ф140×4.5 mm立柱。影响护栏立柱耗能的因素包括以下几个方面：立柱截面模量，钢材料强度、立柱埋置深度、土基压实度，立柱倾斜塑性变形相对旋转角度。计算得4根不同型号立柱的耗能计算如表2所示。

2.2 立柱不同埋深和土压实度影响分析

根据不同立柱深度单元构件试验分析，在同样埋置形式条件下，立柱埋置深度与立柱所能承受的最大力成正比。由于护栏吸能耗能模型是建立在标准双波形梁护栏形式基础上，基于此，这里定义立柱打桩埋置深度1 100 mm下立柱埋置深度系数为1，其他埋置形式和深度根据承载力的大小确定不同条件下的埋置深度系数。

根据不同土压实度立柱单元构件试验分析，立柱在受到外力时，土基的破坏开裂是沿立柱两侧向边坡延伸，经初步分析，在土基压实度一定的条件下，阻止立柱倾斜的因素有两方面，一是立柱的埋置深度，二是立柱背部阻止立柱变形的土方量。因此，项目组对土基开裂的参数进行了测量(见图6)。

在一定土压实度和立柱距离土路肩距离情况下，立柱不同埋置深度的极限支撑力与埋深1.1 m条件下的极限支撑力的比值稳定在一较小的范围内，立柱1.4 m埋深下，比值为1.45～1.48，立柱1.4 m埋深下，比值为1.21～1.23。这一结论与立柱埋置深度实验的系数符合度较高(见表3)，因此，在计算立柱最大耗能时，立柱埋置深度系数采用实验值，

而压实度系数采用实际土体的压实度表示[10，11]。

根据高速公路现场调研，波形梁板存在2种厚度：3 mm和4 mm。两波形梁板耗能影响因素：波形梁板截面模量，钢材料强度、板塑性变形相对旋转角度。波形梁系统耗能计算，如表4所示。

根据立柱系统耗能分析和波形梁系统耗能分析，对不同立柱、波形梁板厚度、埋置深度、立柱间距和土压实度条件下的波形梁护栏最大耗能进行计算，计算典型条件下波形梁护栏防护能量(见表5)。

本文在我国高速公路旧波形梁护栏的使用情况深入调查的基础上，对波形梁护栏的防护范围进行理论分析，通过旧立柱和波形梁板的材料性能试验、不同立柱埋深和土压实度

试验，建立了旧波形梁护栏实际防护等级评价模型，将影响波形梁护栏防护等级的影响因素进行了量化处理，对不同运营阶段的波形梁护栏具备的实际防护等级进行了分析计算，这对我国高速公路护栏的日常养护工作和改扩建工程中旧波形梁护栏的再利用问题都是非常有益的。

【相关文献】

[1] 刘百来，李祝龙，史永高，等.波形梁护栏受侧面碰撞过程中的能量转换分析[J].西安工业大学学报，2008(12).

[2] 杨浩澜.论波形梁防撞院里及设置技术[J].公路交通科技应用技术版，2015(6).

[3] 钟勇，王成虎.新型波形梁护栏防护性能极限研究[J].公路交通科技应用技术版，2015(6).

[4] 卫军，金秀娜，董荣珍，等.波形梁护栏结构参数对防撞性能的影响[J].武汉理工大学学报，2013(4).

[5] 余同希，卢国兴.材料与结构的能量吸收[M].北京：化学工业出版社，2005.

[6] JTG D81—2006，公路交通安全设施设计规范[S].

[7] JTG/T D81—2006，公路交通安全设施设计细则[S].

[8] TG/T F83-01—2004，高速公路护栏安全性能评价标准[S].

[9] JTG B05-01—2013，公路护栏安全性能评价标准[S].

[10] 张维刚，胡高贤.土基中波形梁护栏立柱的有限元模型研究[J].公路交通科技，2007(7).

[11] 胡高贤.土基对波形梁护栏安全性能影响的仿真研究[D].长沙：湖南大学，2007.