组合式消能减速护栏实车碰撞试验研究

贾 宁，闫书明，马 亮，郑 斌，安 宇，王益川

(1.北京中路安交通科技有限公司，北京 100071;2.四川雅西高速公路有限责任公司，成都 610041)

公路连续长大下坡路段行车安全问题日益突出。国内外大量事故资料证明，在连续长大下坡路段，载重汽车由于长时间制动易导致刹车失灵，如果受地形地貌限制没有设置避险车道，则失控车辆无法安全减速，很容易发生追尾及侧翻等恶性交通事故。

除避险车道之外，连续长下坡路段安全治理的另一种工程措施是设置减速护栏。减速护栏在阻挡失控车辆翻越或穿越护栏驶出路外的同时，能够通过驾驶员主动贴靠摩擦护栏来吸收失控车辆的动能，达到为车辆安全减速目的，因此具备防撞和减速的双重功能。在国外研究资料中未见连续长下坡路段应用减速护栏的文献资料，自上世纪90年代，我国对公路护栏进行了大量研究，但这些护栏设计时仅考虑其防撞功能，没有考虑其减速功能。目前，国内有连续长下坡路段采用混凝土减速护栏(图1)，该护栏虽然具备良好的防撞和减速功能，但由于护栏高度较高，且为混凝土结构，对小客车视线遮挡严重，使司乘人员有压迫感，同时混凝土结构吸收车辆动能也有一定的局限性，因此需要在护栏结构优化和吸能构件设计方面作进一步研究。

图1 混凝土减速护栏Fig.1 Concrete barrier for vehicle speed-reducing

基于以上研究背景，本文通过将钢管构件变形吸能原理应用于护栏设计中，兼顾减速护栏的防撞功能、减速功能和景观效果，设计出一种防撞等级达到SS级(520kJ)的组合式消能减速护栏。结合依托工程现场桥梁情况，进行护栏基础锚固强度验算及桥梁翼缘板加强处理，采用实车碰撞试验方法进行护栏安全性能以及基础锚固强度检验。

1 护栏设计

横向受压钢管是应用较广泛的能量吸收元件，其特点是构造简单、成本低，并且对荷载作用方向没有严格要求［1-2］。另外，根据文献［2］，钢管的吸能能力因几何尺寸、材料、荷载特性而异，动载情况下的吸能能力高于静载情况下的吸能能力;在钢管变形量相同的情况下，材料屈服强度高者吸能较多。由此可以推论，若将钢管构件设置于护栏的迎撞面，在车辆碰撞贴靠压扁的过程中，可以起到消耗车辆动能的作用;而且，车辆碰撞护栏属动态高速冲击过程，这种情况下更适于采用钢管作为减速护栏吸能构件。

桥梁护栏主要有混凝土墙体式、组合式和金属梁柱式三种类型。其中组合式护栏兼具混凝土墙体式护栏材料用量省、防撞能力高以及金属梁柱式护栏景观效果好的优点，因此，确定在组合式护栏的横梁上设置吸能钢管形成减速护栏，吸能钢管和护栏横梁通过螺栓连接。减速护栏的吸能钢管外边缘与混凝土墙体迎撞面竖向平齐，使其较易与车辆发生贴靠;吸能钢管截面应有一定的宽度，使其有足够的变形空间，从而对横梁起到保护作用;吸能钢管的设置高度应考虑其迎撞面能与大货车的合理部位贴靠摩擦，以达到减速效果;吸能钢管之间采用搭接方式(图2)，以方便安装和拆卸。

图2 吸能钢管搭接示意图Fig.2 Overlap of energy-absorbing steel pipe

综上所述，确定设置钢管的减速护栏设计方案如图3所示。

图3 减速护栏设计方案(尺寸单位:mm)Fig.3 Design of barrier for vehicle speed-reducing

2 护栏基础锚固强度验算

根据文献［3］中关于护栏碰撞力计算的相关规定，参考文献［4］中钢筋混凝土构件承载力计算方法，进行护栏基础锚固强度验算。

2.1 碰撞荷载计算

根据文献［3］，最大横向碰撞力计算公式为:

对于SS级(520kJ)的防撞等级，各参数的取值为:m=18 000 kg，v1=22.2 m/s，θ=20°，C=5.5 m，b=2.5 m，Z=0 m，则Fmax=472 kN。

如图4所示，以I-I截面为验算截面，根据文献［3］，组合式护栏梁柱式结构和砼墙体承担的碰撞力大小均为Fmax/2，则碰撞力产生的I-I截面总弯矩为:

图4 护栏受力简图(尺寸单位:mm)Fig.4 Barrier load(unit:mm)

碰撞力在桥梁翼缘板上的有效分布宽度为:

式中:H为下部钢筋混凝土墙体的高度，取H=1.2 m;D为下部钢筋混凝土墙体所受碰撞荷载的分布宽度，根据文献［3］，取D=5 m，则:

碰撞力在I-I截面单位宽度产生的弯矩为:

2.2 翼缘板强度验算

根据依托工程现场桥梁设计图纸，按最不利情况计算，I-I截面配筋如图5所示。

图5 单位宽度翼缘板尺寸配筋Fig.5 Size and steel of flange slab for unit width

单位宽度产生的弯矩包括:① 碰撞力产生的弯矩:83 kNm;② 护栏自重产生的弯矩:12.4×0.25=3.1 kNm;③ 翼缘板自重产生的弯矩:1.79 ×0.25=0.5 kNm

故I-I截面单位宽度的总弯矩为:

按双筋矩形截面进行承载力验算，A's=565 mm2，As=565 mm2，b=1 000 mm，h=150 mm，a'=36 mm，a=26 mm。

fcbx+f'yA's=fyAs，则x=0 ＜2a'，说明受压区钢筋不会达到其抗压设计强度，则抗弯承载力为:

而不考虑受压钢筋(单筋截面)时计算的抗弯承载力:

由于Mu2＞Mu1，故计算截面的抗弯承载力为:

不满足要求。

2.3 加强措施

综上所述，原设计桥梁翼缘板配筋不满足护栏基础锚固强度要求。如图6所示，通过在桥面现浇层增设延伸至护栏墙体的钢筋进行翼缘板加强。在桥面现浇层增设直径14 mm(⑤号钢筋)和直径16 mm(⑥号钢筋)Ⅱ级钢筋，钢筋间距150 mm，增设钢筋延伸至护栏墙体内，与护栏墙体内纵向和横向受力钢筋焊接或绑扎，在护栏内侧方向，增设钢筋应穿过翼缘板根部并向内延伸，延伸距离按钢筋锚固长度要求确定。

图6 桥面现浇层增设钢筋示意(尺寸单位:mm)Fig.6 Additional steel in deck(unit:mm)

3 护栏实车碰撞试验验证

按照文献［5］规定的防撞等级SS级护栏碰撞试验条件和评价标准，进行护栏安全性能实车碰撞试验验证［6，9］，同时要求吸能钢管能够按照设计要求变形吸能，且不能对护栏防撞、缓冲和导向性能造成不利影响。

3.1 试验车辆

试验小客车如图7所示，小客车整备质量为1 271 kg，车辆总质量为1 492 kg，重心高度为距地面558 mm。试验大客车如图8所示，大客车整备质量为11 414 kg，车辆总质量为17 902 kg，重心高度为距地面1 233 mm。

图7 试验小客车Fig.7 Test car

图8 试验大客车Fig.8 Test bus

3.2 试验护栏

试验护栏整体如图9所示，立柱和横梁的连接以及吸能钢管的搭接如图10和图11所示。

图9 试验护栏Fig.9 Test barrier

为检验护栏基础锚固强度，试验护栏施工中模拟修建桥梁翼缘板(图12)，其截面尺寸及配筋与依托工程现场设计图纸相同，按图6所示的加强处理措施在桥面现浇层设置加强钢筋(图13)。

图10 立柱和横梁的连接Fig.10 Connection of post and beam

图11 吸能钢管的搭接Fig.11 Overlap of steel pipe

3.3 试验结果

3.3.1 小客车碰撞

图14为小客车碰撞护栏过程的行驶轨迹图，可见小客车碰撞护栏后平稳驶出，并恢复到正常行驶姿态，没有发生横转、调头、翻车现象，驶出角度为1.2°。

图12 模拟修建桥梁翼缘板Fig.12 Simulation of flange slab

图13 桥面现浇层加强钢筋Fig.13 Additional steel in deck

图14 小客车行驶轨迹Fig.14 Car Track

如图15所示，小客车碰撞护栏后，护栏结构没有损坏，主要部件没有脱落，仅在碰撞区域混凝土墙体局部和吸能钢管下缘有划痕。

图15 碰撞后护栏Fig.15 Barrier after Test

图16 小客车损坏Fig.16 Car after test

如图16所示，车辆左侧前轮爆胎，车体左前角凹进，车架纵梁、后桥、车顶棚以及制动系统完好，车辆内部座椅以及配载等没有破坏，左前方车门打不开，其余车门可以正常打开，驾驶室变形小。

小客车碰撞的乘员风险评价指标值如表1所示，能够对乘员形成良好保护。

表1 乘员风险评价指标值Tab.1 Evaluation Index of Occupant Risk

综上所述，小客车碰撞护栏结果满足评价标准要求。

3.3.2 大客车碰撞

如图17和图18所示，大客车碰撞护栏后，护栏下部混凝土墙体没有明显损坏，只在碰撞区域局部有少量划痕，碰撞区域的吸能钢管压扁变形，变形范围约为8 m，方管横梁几乎没有变形。

图17 吸能钢管变形Fig.17 Deformation of steel pipe

图19为大客车碰撞护栏过程的行驶轨迹图，可见大客车碰撞护栏后平稳驶出，并恢复到正常行驶姿态，没有发生横转、调头、翻车现象，驶出角度为 3.9°。

综上所述，大客车碰撞护栏结果满足评价标准要求。

图18 方管横梁没有变形Fig.18 Little deformation of squire-tube

图19 大客车行驶轨迹Fig.19 Bus track

3.3.3 钢筋应变

桥面现浇层加强钢筋(⑤、⑥号钢筋)和翼缘板钢筋(1号钢筋)应变片布置如图20所示，应变测试数据如表2～表4所示，行车方向为“前”，表中“—”表示没有测到应变数据，由于桥梁翼缘板浇筑完毕至试验的间隔时间较长，导致翼缘板中1号钢筋的应变片失效较多。

图20 钢筋应变片布置Fig.20 Strain gauge settlement of steel

表2 ⑥号钢筋最大应变(单位:微应变)Tab.2 Strain Maximum in Steel⑥(uint:micro－strain)

表3 ⑤号钢筋最大应变(单位:微应变)Tab.3 Strain Maximum in Steel⑤(uint:micro－strain)

表41 号钢筋最大应变(单位:微应变)Tab.4 Strain Maximum in Steel 1(uint:micro －strain)

根据表2～表4的钢筋最大应变数据，可得出如下结论:

(1)⑥号钢筋从5号应变片至1号应变片的最大应变值逐渐减小，碰撞点后0.075m钢筋1的①号应变片比②号应变片的应变值大，证明护栏迎撞面根部对应的翼缘板截面钢筋应变值最大。

(2)虽然⑤号钢筋和⑥号钢筋并置，由于⑤号钢筋的直径比⑥号钢筋小，因此应变片位置相同时，⑤号钢筋的应变值偏大。

(3)桥面现浇层加强钢筋(⑤号钢筋和⑥号钢筋)和翼缘板钢筋1的应变值数量级大致相当，证明在桥面现浇层配筋这种加强方式可以起到协助翼缘板承担碰撞荷载的作用。

(4)在12 m/s冲击速度下，Q345钢材(II级钢筋)应力应变曲线如图21所示，屈服微应变在4 500左右，由于试验测试的最大微应变4 207小于屈服微应变，因此钢筋没有屈服，桥梁翼缘板配筋及加强措施可以满足护栏基础锚固强度要求。

图21 冲击载荷下，Q345应力应变曲线Fig.21 Curve of Stress-strain for Steel Q345 under Impact Load

4 结论

本文通过在组合式护栏上部横梁上设置吸能钢管，设计出一种组合式减速护栏结构，并采用在桥面现浇层增设钢筋的方式进行翼缘板加强，采用实车碰撞试验方法进行护栏安全性能评价。

根据试验结果可知:组合式减速护栏防撞等级可达到SS级;车辆贴靠碰撞减速护栏时吸能钢管压扁变形，使车辆的动能转化为吸能钢管的内能，有效降低车速;吸能钢管的设置没有对车辆碰撞护栏过程的行驶姿态造成不利影响，也没有导致车辆绊阻;由于吸能钢管的压扁变形，使方管横梁几乎没有变形，减小了护栏碰撞后的维护工作量;根据钢筋应变测试数据可知，护栏迎撞面根部对应的翼缘板截面钢筋应变值最大，桥面现浇层加强钢筋可以有效分担碰撞荷载，翼缘板加强措施可以满足护栏基础锚固强度要求。

组合式减速护栏的研发成功拓展了护栏研究开发的思路，也为连续长下坡路段的安全治理提供了一种新型措施，对于提高我国山区高速公路连续长大下坡路段的交通安全水平具有重要意义。

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