高速公路波形梁护栏损坏等级划分

高玉恒，陈 慧，李志强，刘孔杰

(1.河北省高速公路石安管理处，河北石家庄050031;2.北京深华达交通工程检测有限公司，北京102208)

我国高速公路上使用的护栏按里程来计算，波形梁护栏占绝对优势。据统计，京珠高速公路河北段除桥梁上采用混凝土护栏以外，其它路段路侧和中分带全部采用波形梁钢护栏，波形梁钢护栏的里程占公路全长90%以上。笔者以石安高速为依托来开展波形梁护栏维修技术研究。通过对石安高速调查得出，波形梁护栏的损坏相当频繁。然而，目前国内的波形梁护栏维修技术正处于起步阶段，护栏的损坏等级确定及护栏维修方案的选择还没有确切的参考规范，使得护栏维修过程操作混乱，护栏经维修后难以达到原有的防护等级［1］。

以波形梁护栏的损坏情况为基础，分析研究波形梁护栏损坏指标模型，损坏指标值经验证后，结合护栏的实际损坏情况，从而得出波形梁护栏的损坏等级划分方法。

1 波形梁护栏损坏机理及形态

1.1 损坏机理

当波形梁护栏在事故中遭受到车辆的碰撞时，护栏部件的受力损坏机理如下［2］:

1)当车辆与护栏板发生碰撞时，护栏通过护栏板变形的吸能效用、护栏板自身材料力学性能、立柱对其产生的拉力来承受车辆撞击。在撞击力的作用下，护栏板会发生曲面延展、横向(垂直于道路的延伸方向)弯曲变形甚至发生断裂;立柱会横向倾斜、折断，并且其基础也会产生剪切破坏;防阻块也会产生受拉变形;螺栓会产生剪切破坏。

2)当车辆与护栏立柱发生碰撞时，护栏通过立柱自身材料的力学性能、护栏板对其产生的拉力、立柱基础土体的锚固力及防阻块的缓冲作用来承受车辆的撞击。此时，在车辆撞击力的作用下:护栏立柱本身会发生倾斜甚至是横向倾斜、折断，并且其基础也会产生剪切破坏;护栏板会横向弯曲变形甚至崩断;防阻块也会产生挤压变形。

1.2 损坏形态

结合现场调查情况，护栏各主要部件的损坏形态如下:

1)护栏板损坏以曲面延展和横向弯曲为主，受力过大会发生崩断;在与车辆的刮擦过程中也会发生不同程度的刮蹭损坏。

2)随着破坏程度的不同，护栏立柱损坏有倾斜、倾倒和折断3种。

3)立柱基础不是护栏的直接组成部分，但其对护栏的防撞性能影响很大，并且基础损坏最直接影响到立柱的倾斜程度;基础表面可以看到的破坏主要有土体松散和开裂两种。

2 波形梁护栏损坏指标

美国NCHRP Report 656纵向护栏维修标准中，维修指标是有关于护栏整体和各部件的损坏指标［3］。基于对护栏的受力损坏机理和国内护栏实际损坏状态的定性了解，护栏各部件的损坏形态各异，假如损坏指标从护栏整体损坏状态来考虑，不能很好体现出护栏的具体损坏情况以及各部件的损坏严重程度。并且，从对护栏维修现状的调研得出，国内护栏维修根据损坏部件及损坏程度的不同，其维修方法也有所不同;只有从部件的损坏情况着手来分析损坏指标才有益于制定合理的护栏维修方案。

因此，将损坏指标从护栏板和立柱两大部件上分开来考虑，波形梁护栏损坏指标的选择定位于概念直观、可量化、获取方便、易判断损坏情况等4个方面。通过对波形梁护栏板、立柱、防阻块及基础等各部分的损坏指标相关分析，将护栏板最大挠度值和立柱顶部偏移量作为护栏损坏评价指标。

3 波形梁护栏损坏指标分析模型

3.1 护栏板损坏指标分析模型

在事故中，波形梁护栏的受力过程是一个动态变化的，并且护栏在动态受力情况下是其他部件会协同护栏板受力，护栏板的动态变形量也包括了其他部件受力而引起的变形［4］。然而，在维修时工作人员能够得到的是一个静态的变形量，为了使理论值更接近测量值和简化计算，采用简支梁模型来分析护栏板在受力作用下变形情况。在简支梁中，其最大挠度值为中点处的挠度值。在结构力学中，不论简支梁受到什么荷载作用，只要挠曲线上无拐点，其最大挠度值都可用梁跨中点处的挠度值来代替，其精确度能满足工程计算需要［5］。因此，确定计算模型中荷载作用位于梁的中点，护栏板的受力简化图如图1。

图1 护栏板受力理论模型Fig.1 Guardrail beam mechanical model

3.2 护栏立柱损坏指标分析模型

由于波形梁护栏的立柱顶部偏移量由立柱材料性能引起挠度和基础土体损坏造成的倾斜两部分组成，故分两部分来分析。

3.2.1 护栏立柱材料变形量

虽然土基对护栏立柱的锚固力有影响，但是在此部分中主要验证护栏立柱本身的材料性能，因此假设土基与立柱是固结，对护栏的最大挠度没有影响。将立柱当作悬臂梁来分析，护栏立柱的受力简化见图2。

图2 护栏立柱受力理论模型Fig.2 Guardrail column mechanical model

3.2.2 基础土体损坏造成倾斜位移

采用护栏立柱基础土体处于极限平衡状态下的护栏立柱顶部位移S(图3)作为土体损坏对立柱防护能力的影响指标。立柱顶部位移S通过建立有限元模型来进行计算分析得到。

图3 立柱顶部位移Fig.3 Guardrail column top-displacement

分析中采用MIDAS软件建立护栏立柱和护栏板有限元模型，计算立柱在最大碰撞力时顶部位移。在模拟立柱与土之间作用时，把土体视为地基弹簧，只受压不受拉，而且随着深度增加土体对立柱的抗力系数越来越大。有限元分析模型及计算分析的具体情况见图4、图5。

图4 护栏有限元模型Fig.4 Guardrail finite element model

图5 护栏力学变形Fig.5 Guardrail mechanical deformation

4 波形梁护栏损坏等级划分

采用上述分析模型对护栏各主要部件损坏指标进行分析得到护栏等级指标值，具体分析结果见表1、表2。

表1 护栏板最大挠度值Table 1 The maximum deflection calculated value of guardrail beam

从表1中可看出，当护栏板的受力达到235号钢的强度极限［6］，此时护栏板损坏最严重，完全失去了防护能力;当护栏板的受力处于235号钢的屈服强度和强度极限之间，此时护栏板发生了弯曲变形，但还具有一定的防护能力;当护栏板的受力未达到235号钢的屈服强度，此时护栏板产生轻微变形，在碰撞过程中损失了较小的防护能力。

表2 立柱顶部偏移量Table 2 Guardrail column top-offset

由表2知，当立柱受到大于等于100 kN碰撞力时，其周围的土体严重剪切损坏且顶部位移大于141 mm，立柱的防护能力损失严重;当立柱受到大于等于93 kN碰撞力时，其周围的土体发生剪切损坏且顶部位移在131～141 mm之间，立柱的防护能力损失;当立柱受到碰撞力小于93 kN时，其周围的土体未发生剪切损坏且顶部位移小于131 mm，立柱的防护能力损失较小。

护栏损坏等级的划分是根据护栏在碰撞力作用下的损坏程度来进行的。以表1和表2中的理论指标值为基础，综合考虑验证后的指标值和护栏在实际中的损坏情况，将护栏损坏等级划分为3个等级;考虑到防阻块，螺栓、垫片等小部件在养护过程中更换操作不复杂［7］，且实际维修中以更换新件为主，故未将小部件的损坏情况纳入到损坏等级划分中。具体的等级划分如下:

1)损坏严重。护栏板竖向撕裂或断裂;护栏板最大挠度值等于或大于425 mm;立柱缺失，沿着纹理开裂;路侧护栏立柱顶部偏移量等于或大于141 mm;中分带护栏立柱顶部偏移量等于或大于232 mm。

2)损坏较严重。连接螺栓和防阻块缺失、损坏;相邻两根立柱间，护栏板的最大挠度值在266～425 mm之间;路侧护栏立柱顶部偏移量在131～141 mm之间;中分带护栏立柱顶部偏移量在216～232 mm之间。

3)损坏一般。相邻两根立柱间，护栏板的最大挠度值小于266 mm;路侧护栏立柱顶部偏移量小于131 mm;中分带护栏立柱顶部偏移量小于216 mm。

5 波形梁护栏维修方案

根据实际调查中了解到护栏各部件损坏后的维修情况，针对波形梁护栏各部件的损坏等级提出了相应的护栏维修方案［8］如下:

1)损坏严重。更换护栏板以及其他部件(防阻块，螺栓等);按照JTG F 10—2006《公路路基施工技术规范》［8］修筑立柱基础。更换护栏立柱以及其他部件(防阻块，螺栓等)。

2)损坏较严重。补齐、更换螺栓;校正护栏板;更换其他部件(防阻块，螺栓等);补齐、更换防阻块;采用施工机械夯实地基，并达到《规范》［8］要求;采用合适的方法对立柱校正或是维修(如焊接法、套管法、打桩法等);更换其他部件(防阻块，螺栓等)。

3)损坏一般。可不校正或更换护栏板;可不须校正或是更换立柱;压实表面松土层，并达到《规范》［8］要求。

6 结语

以石安高速护栏损坏维修为依托进行护栏损坏等级划分方法研究，得出以下结论:

1)根据护栏的损坏机理分析，综合护栏部件的实际损坏情况，护栏各部件的损坏形态各不相同。护栏板的损坏主要是弯曲、撕裂(断裂)，立柱的损坏主要是有倾斜、倾倒和折断3种。

2)在对护栏损坏机理分析及护栏部件损坏情况调研的基础上，借鉴美国的维修指标研究成果，国内护栏损坏评价指标采用护栏板最大挠度和立柱顶部偏移量，并将波形梁护栏的损坏等级划分3个等级。

3)波形梁护栏损坏等级划分方法研究为明确护栏维修方案提供了依据，可在一定程度上避免护栏维修方法选用的盲目性，规范波形梁护栏的维修。

［1］ 黄红武，莫劲翔，杨济匡，等.影响护栏防护性能的相关因素研究［J］.湖南大学学报:自然科学版，2004，31(2):45-59.

Huang Hongwu，Mo Jinxiang，Yang Jikuang，et al.Study on relevant factors that affect the performance of barrier protection［J］.Journal of Hunan University:Natural Science，2004，31(2):45-59.

［2］ 窦新平.高速公路防撞设施的构成及维护［J］.科技情报开发与经济，2005(15):278.

Dou Xinping.The composition and maintenance of highway crash facilities［J］.Science and Technology Information Development and Economic，2005(15):278.

［3］ JTG H 10—2009公路养护技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 李廉锟.结构力学［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］ 孙训方，方孝淑.材料力学［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［6］ 彭富强.公路养护技术与管理［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［7］ 崔新壮，甘久彤，丁桦.高速公路中央分隔带护栏立柱稳定性分析及加固方案研究［J］.公路交通科技，2004，21(5):74-77.

Cui Xinzhuang，Gan Jiutong，Ding Hua.Highway central median guardrail column stability analysis and reinforcement scheme［J］.Highway and Transportation Research，2004，21(5):74-77.

［8］ JTG F 10—2006公路路基施工技术规范［S］.北京:人民交通出版社，2006.