防撞护栏破坏点控制方法研究

林国辉，邰永刚，包凌文，白书锋

(1.深圳高速公路股份有限公司，广东深圳518026;2.北京道从交通科技有限公司，北京100043)

随着我国城市交通的迅速发展，一些城市郊区的高速公路逐渐转变为城区高速公路，因其交通量较大，对公路安全性和景观要求逐渐增高。护栏作为公路安全防护的重要保障，不但应具备足够的防撞能力，还应该能与城市环境协调，且必须能做到维修养护方便，以防止因事故处理、维修养护慢等造成城区道路的堵车现象发生。

目前国内外都已有针对景观防撞护栏的研究，但却缺少具有破坏点控制的护栏结构。这主要是因为国外的交通拥堵状况与我国相比要好的多，可以不考虑因护栏维修养护带来的交通拥堵影响。

护栏的设计首先需要考虑的就是其防撞能力问题，作为交通事故发生之前的最后一道安全防线，护栏的防撞能力直接决定着乘员的安全，近年我国曾发生过多起车辆穿越护栏的事故。

案例1:2011年2月19日0时03分，广佛高速(S15线)路段发生一起特大交通事故，一辆由广州往开平方向行驶的湛江籍大客车在广佛高速K46+700 m路段与一辆广州牌照的小轿车发生猛烈碰撞，造成小轿车上5人死亡(3男2女)，大客车上无人伤亡。

案例2:2011年2月21日，在G15沈海高速公路上行线K3 250 km+60 m(广东阳江合山段)处发生一起特大交通事故，一大客车由广州往湛江方向行驶，于凌晨2时45分行驶至G15沈海高速公路K3 250 km+60 m处时，越过中心隔离带护栏，先后与对向行驶的一辆小客车和一辆大客车相撞，造成小客车上7人当场死亡，1人受重伤的特大交通事故。

以上事故发生的主要原因均是护栏的防撞能力不足。目前高速公路的车速快，车型复杂，而许多安全设施仍是按照旧规范(JTJ 074—94《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》)设计，存在众多的安全隐患，而我国目前规范中［1-2］所要求防撞等级高的护栏结构，要么造价太高，要么景观效果太差、维修养护不便，很难选择到合理的结构形式。要彻底改变这种现状，必须研究开发防撞能力更高、维修养护方便的护栏结构形式。

1 护栏结构方案简介

为保证护栏的防撞能力及绿化种植土的深度，选择了组合式护栏结构形式，将护栏立柱设置成后仰形式，以使横梁不侵占路面;将立柱底座的顶宽取为25 cm，底宽为30 cm，立柱为斜置“F”型，减少了横梁对立柱与底座之间连接法兰的宽度，从而增加绿化带宽度，绿化带宽度从原来的1.4 m增加到了1.5 m;护栏横梁采用120 mm×80 mm×6 mm的椭圆形钢管(图1)。

图1 护栏初步结构断面及效果Fig.1 Barrier preliminary structure cross-section and effect drawing

2 破坏点的选择

破坏点控制研究的主要目的是:在满足护栏设计防撞等级的前提下，护栏在被车辆碰撞过程中，当碰撞能量超过其设计防撞能量时，总是在某一确定的位置(或某一构件)先产生变形或破坏，立柱底座及基础只产生微小变形，以便于维修更换，提高护栏构件的重复利用率。

组合式护栏的下部底座为钢筋混凝土浇注而成，一旦产生破坏，则维修养护非常不便，因此最好不将其考虑到破坏点中，而将护栏的上部立柱作为破坏点控制的主要区域。根据相关护栏设计经验，梁柱式护栏结构中的“梁”和“柱”的刚度应合理分配，才能保证护栏的防撞和导向功能正常发挥。本护栏结构根据护栏设计原理，将立柱设置为破坏点，可保证在立柱破坏时，底座保持完整，且1个或2～3个立柱破坏时，其他立柱不破坏，横梁仍能起到对车辆的阻挡、导向功能，保障司乘人员安全的作用。

3 破坏点的设计

笔者提出以下3种破坏点设置方案。

3.1 方案1

采用立柱连接破坏的控制方式达到破坏点可控的目的(图2)，该立柱包括上下两部分，其中上部分由双片钢板通过横隔板连接在一起，而下部分底座一部分埋植在混凝土内，一部分露出底座上表面，通过连接螺栓将上下两部分连接在一起。当车辆碰撞护栏时，立柱后仰，连接螺栓受到很大的剪力作用，达到破坏极限时，一组连接螺栓被剪断。由于碰撞时护栏局部受力较大，其他立柱螺栓不会被剪断，且即使一个螺栓剪断，立柱上部仍然可支撑在底座上，护栏的整体防护能力变化不大，而且设计时保证在SBm级碰撞能量下，立柱螺栓不会被剪断，护栏具有足够的防护能力。

图2 连接破坏方案1Fig.2 Connection failure mode 1

3.2 方案2

该护栏是在混凝土底座后方设置立柱，立柱通过连接构件与护栏底座连接，连接件分上下两部分，当车辆与护栏发生碰撞时，立柱后仰，上部连接件所受拉力增大，直至破坏，达到破坏点控制目的。

3.3 方案3

对普通护栏立柱而言，在遭受超过碰撞荷载的碰撞时，立柱的破坏形态主要有弯曲、扭曲或拔出。该抽拔式护栏立柱，通过调整预埋件、抗拔销以及预埋件和基础的连接等结构间的强度，确保这些基础结构的相对强度大于立柱本身，就可以实现即便立柱破坏，基础结构也不会破坏的效果，或者破坏程度在不需要维修的范围内，进而实现事故后立柱的快速更换，如图3。

图3 连接破坏方案2及方案3Fig.3 Connection failure mode 1 and 3

3种破坏点控制方案的主要优缺点见表1。

表1 3种方案的破坏点控制效果优劣对比Table 1 Contrast of three methods on failure point control

综合上述方案分析:方案2控制效果一般，后期维修养护工作量大，且护栏景观效果会受到一定影响，方案3对混凝土底座的宽度要求较高，可能要侵占大量的绿化空间，亦会造成很大的材料浪费，因此将方案1作为破坏点控制方法进一步的研究方案。

4 破坏点控制效果研究

采用计算机仿真方法，建立了单个立柱的有限元模型［3-4］［图 4(a)］，采用摆锤方式击打立柱，以模拟实际过程中车辆的碰撞，螺栓不设置破坏准则［5-7］，从图4(b)碰撞时螺栓1及螺栓2的轴力及剪力变化曲线上看出，螺栓1的剪力要明显大于螺栓2。

图4 立柱摆锤实验有限元模型及螺栓受力情况Fig.4 Finite element model of post pendulum test and bolt force

从仿真结果看出，该立柱结构在上部立柱变形时，由于立柱下部阻挡，很容易导致立柱底座的变形(图5)，这样就无法达到预期的立柱底座尽量不产生重大变形的效果。而本着护栏经济性的考虑，不能单靠增加板材厚度来实现底座不变形的目的，因此考虑将立柱底座放置在立柱的内侧，并将立柱底座在前端封闭，增大其强度(图6)。

图5 立柱变形情况Fig.5 Deformation of post

图6 调整后立柱结构Fig.6 Post structure after being modified

将螺栓设置破坏准则后仿真结果显示，碰撞力增加到一定程度后，螺栓1被剪断，而螺栓2仍保持了有效的连接，且立柱下方的斜角能有效保证立柱的旋转不受干扰，如果护栏横梁继续变形，则立柱自身会发生破坏(图7)，整个连接失效。

图7 结构调整后立柱变形及螺栓受力曲线Fig.7 Deformation after modified post structure and force curve of bolt

立柱底座在螺栓剪断时仅有轻微的变形，无需更换，可实现破坏点控制的效果。为更进一步验证控制效果，建立了护栏的整体模型，采用大客车碰撞护栏，从仿真结果看，大客车碰撞后，碰撞点附近护栏立柱与底座完全脱离，螺栓断裂(图8)，直接导致护栏的防护能力降低，大客车沿护栏底座爬升，存在骑跨护栏的危险，无法满足评价标准要求。

图8 护栏底座脱离及车辆爬升Fig.8 Barrier separated from base and vehicle climbs

出现图8中所显示结果的主要原因是由于立柱强度及底座强度都比较大，护栏的薄弱点在螺栓上，而护栏的横梁整体刚度也很大，这样破坏的时候是螺栓依次被剪断。根据此分析结果，考虑将破坏点控制方法进行优化，结合破坏点控制方案研究中的方案1和方案3，用以下方式实现:当车辆碰撞护栏尤其是大型车碰撞时，金属梁柱式护栏自身必然要产生一定的变形，不管是横梁还是立柱，都需要通过变形来导向车辆。因此在本结构中，考虑将立柱自身作为变形控制区，让护栏立柱的变形仅发生在立柱上部，而底座强度较大，一般只产生小变形，这样在护栏遭受车辆撞击后，上部立柱损坏而螺栓不剪断，此时维修更换只需将立柱上部和横梁更换，也能达到破坏点控制的目的。

采用摆锤实验方法对该结构进行仿真计算，立柱厚度调整为10 cm，底板厚度为16 cm，螺栓调整为10.9 s级M27承压型高强度螺栓，从仿真结果看出(图9)，立柱在下部连接处附近开始折弯，螺栓不破坏，而且底板变形较小，可重复使用。

图9 立柱变形状态Fig.9 Deformation of the post

初步仿真结果显示，大客车碰撞时，螺栓无破坏现象，护栏变形正常，下部立柱有轻微变形，因此我们在底部增加了一个横向肋板，增加后再进行仿真计算。

5 护栏整体防撞能力评价

建立护栏的详细仿真模型，包括护栏的钢筋以及支撑块模型等［8］(图10)，护栏前部有铺装层，铺装层强度远小于护栏混凝土底座，因此选用强度与沥青混凝土接近的材料模型，中分带护栏为双侧护栏，且护栏间距超过1 m，故非碰撞侧护栏做刚体处理，支撑块直接顶在刚体护栏上。

护栏的碰撞条件依据文献［2］中的SBm级护栏碰撞条件实施，护栏的评价标准按照参考文献［1］中的内容对护栏进行最终评价。

图10 护栏整体有限元模型Fig.10 Fem model of the barrier

车辆碰撞护栏后，车辆没有穿越、翻越、骑跨、下穿护栏，车辆正常导出，行驶姿态正常，没有发生横转、掉头现象(图11)，其他指标见表2［6］。

图11 车辆碰撞护栏过程Fig.11 Process of vehicle crash barrier

碰撞区护栏立柱变形如图12，可看出只有上部立柱发生了变形，下部立柱基本没有变形，从护栏底座的钢筋受力分析得出，护栏纵向钢筋如采用直径不小于12 mm的二级钢筋即可满足护栏的设计防撞等级要求，护栏的整体防撞能力评价结果见表2，从表中看出，护栏各项指标均符合目前的评价标准要求，对司乘人员的安全提供可靠保障。

图12 护栏立柱变形及钢筋受力云图Fig.12 Deformation of the post and contours of reinforced force

6 结论

笔者阐述了一种护栏设计中的破坏点控制的方法，并通过仿真计算方式验证了其控制效果。采用该设计方法能在保证护栏防撞能力、保障司乘人员安全的前提下，大大降低护栏在后期维修养护中的工作量，对城区高速公路的交通拥堵治理具有重要得意义。

表2 评价结果Table 2 Evaluation results

［1］JTG/T F 83-01—2004高速公路护栏安全性能评价标准［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］JTG/T D 81—2006，高速公路交通安全设施设计细则［S］.北京:人民交通出版社，2006.

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