波形护栏立柱接桩参数的研究

乔建刚， 张程程

(1.河北工业大学 土木工程学院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技术研究中心， 天津 300401)

波形护栏立柱接桩参数的研究

乔建刚1,2， 张程程1

(1.河北工业大学 土木工程学院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技术研究中心， 天津 300401)

高速公路护栏是机动车驾驶员生命保障工程设施，但是由于路面养护使路面标高提高，护栏的高度就不能满足安全的要求，为了提高高速公路的安全性，通过实际调研，结合交通工程学、工程力学等理论，分析护栏立柱的在荷载作用下的变形和应力情况，通过平行试验法确定了护栏立柱加高段的设计参数，并实际验证了其合理性，为高速公路养护带来的设施改造提出一种新的思路。

波形护栏； 立柱； 受力分析； 接桩参数

0 引言

随着我国高速公路建设市场蓬勃发展，并且随着交通量以及道路使用年限的增长，原有路面遭到破坏而不能满足现有通行能力范围内的使用，新一轮的改建、扩建公路工程项目也悄然兴起，但是大修后造成路面标高提升，致使原有护栏与路面的相对高度减小，已不能满足规范要求[1，2]，给交通流造成较大安全隐患。根据交通事故原因的调查统计发现，发生在高速公路上的约30%是汽车与路边设施相撞造成的[3]，这个数据说明了路侧护栏在人员伤亡等严重的交通事故中起着很重要的作用。2008年马秀君等人在石安高速公路护栏改造研究中提出了内套管的护栏改造方案，并进行了验证[4]；2010年崔洪军等人根据规范规定的高速公路护栏高度，从安全、经济、视觉等角度提出了高度可调节新型护栏[5]；国外究关于波形梁接桩工艺参数的研究还未见报道，主要是因为国外发达国家大部分道路采用长寿命的设计理念，使得路面使用寿命较长，在使用期间内道路增高幅度不大，所以护栏高度不足问题并不突出[6-8]。波形护栏立柱的接桩工艺，使原有旧护栏立柱能够最大可能的进行循环利用，体现了节能减排、保护环境的思想[7]。结合研究目的，本文对波形梁护栏接桩工艺进行了研究，并确定了结构尺寸参数，使得原有立柱能够循环利用，从而达到减少因护栏而引发的高速公路交通事故。

1 接桩立柱的力学分析

对加高套管立柱的加高部分作受力分析如图1所示。其中，P为10 t的大货车以15度的碰撞角度进行碰撞时对护栏立柱产生的撞击力，通过力学求解器求得P=125.01 kN；已知距离L=100 mm；F和F1为车辆碰撞护栏时，原有立柱对套筒产生的作用力；X为加高套管的外径；Y为套管伸入原有立柱的长度。

图1 受力分析图Figure 1 The stress analysis diagram

根据图1，由二力平衡理论和力矩平衡理论可得到式：

P+F=F1

(1)

PL=FY

(2)

依据《公路交通安全设施设计细则》(JTG/TD 81 — 2006)对碰撞条件的规定：碰撞实验使用重为10 t的货车以60 km/h的碰撞速度，以15°的碰撞角度进行碰撞。因为所产生的能量的计算公式如下：

式中： E为碰撞动能，J；m为碰撞车辆的质量,kg；v为车辆的碰撞速度,m/s；θ为车辆的碰撞角,(°)。

其计算结果如表1所示。

1.1 弯曲变形

根据《材料力学教程》[9]中： 在一对大小相等、转向相反、作用面位于包含杆轴线的纵向平面内的力偶作用下，杆件的轴线变为曲线，这种变形称为弯曲变形。

因此，对于套筒的F1截面，受到一对大小相等、转向相反的力偶作用，将产生弯曲变形，产生的强度是屈服强度，受力公式为：

(3)

1.2 剪切变形

此外，同样根据《材料力学教程》[9]中：在一对大小相等、方向相反、作用线相距很近的横向力作用下，杆件的横截面将沿外力作用方向发生相对错动，这种变形称为剪切变形。

因此，对于原立柱与套筒相接触的F截面，因为相互作用力产生力F1和反向作用力F2，有F1=F2，因此，该截面受到大小相等、方向相反的横向作用力，将产生剪切变形，产生的强度是剪切强度，受力公式为：

(4)

2 接桩参数的确定

通过对原有立柱和加高立柱进行的力学性能材料检测试验得知立柱的屈服强度是大于等于235MPa，而剪切强度是屈服强度的0.6～0.8倍，所以剪切强度应该大于等于141 MPa。

经过整理式(3)可得到公式：

(5)

将P=125.01 kN，L=100 mm带入式(5)得到：X≥126 mm，而140-4.5×2=131 mm，所以126 mm≤X<131 mm。

此外，联立式(1)、式(2)、式(4)，整理得到公式：

(6)

经过计算，当X=131 mm时，解得Y≥98 mm，所以当X在126～130 mm之间取值时，Y取大于98 mm的值都满足强度要求，但是根据原来立柱螺栓孔到立柱顶端的的距离是150 mm，而将加高套管与原立柱固定时，由于螺栓帽还有垫片的尺寸，所以要求伸入的长度Y要大于160 mm。因此，加高套管外径X可以取值126、127、128、129、130 mm；鉴于节省材料和安全考虑，伸入长度Y可以取值170、180、190、200、210、220 mm。

因此，有不同的X、不同的Y对应不同的强度，如表2所示。

表2 不同X、Y值下相应的强度值Table2 ThecorrespondingintensityvaluesunderdifferentXandYvalues外径X剪切面积S伸入长度Y碰撞力P距离L力F力F1剪切强度17012501010073535198545112180125010100694501944601101301773190125010100657951908051082001250101006250518751510621012501010059529184539104220125010100568231818331031701250101007353519854511318012501010069450194460111129175919012501010065795190805108200125010100625051875151072101250101005952918453910522012501010056823181833103170125010100735351985451141801250101006945019446011112817451901250101006579519080510920012501010062505187515107210125010100595291845391062201250101005682318183310417012501010073535198545115180125010100694501944601121271731190125010100657951908051102001250101006250518751510821012501010059529184539107220125010100568231818331051701250101007353519854511618012501010069450194460113126171719012501010065795190805111200125010100625051875151092101250101005952918453910722012501010056823181833106

根据表2的数据，其相关折线图如图2所示。

图2 不同X值下强度的对比图Figure 2 The strength contrast figure under different X

根据图2，通过分析图中5条折线，不难看出这些折线在不同的Y值下存在不同的波动现象，使得在满足强度要求的情况下，考虑尽量节省材料及安全的原则，因此依据平行试验法，从而确定X=129 mm，Y=190 mm，即内套管的外径是129 mm，伸入原有立柱的长度是190 mm。

3 静力实验验证

根据前两章节的分析确定了波形护栏接桩工艺的结构尺寸，本章通过对原有立柱和加高立柱进行静力实验，来验证加高立柱的力学性能。

3.1 实验设计

静力加载试验采用静力顶推方法[10]，实验中采用原有Φ140×4.5×1800立柱与加高后的护栏立柱各3根组成实验样本总体，经过静力加载实验后，对比其最大荷载及对应的挠度值。在实验场地内，护栏立柱一端通过固定支架固结，采用油压千斤顶对立柱按照1.0 kN/级逐级加载，结合以往研究结果，其加载位置选择在测试立柱的自由端(离固定面600 mm处)，如图3所示。

3.2 实验结果

在护栏立柱实验过程中，立柱在外加荷载的作用下发生弯曲变形，最终在立柱固定面附近发生弯曲。绘制原有立柱和加高立柱的荷载—时间和位移—荷载曲线，如图4、图5所示。

图3 实验装置图

图4 荷载—时间曲线Figure 4 The curve of Load-time

图5 位移—荷载曲线Figure 5 The curve of displace-load

对结果进行分析，可以得出：加高后的立柱的破坏位置与原立柱相同，均在固结处发生屈服，立柱套管处未出现损坏迹象；原立柱所能承受的最大荷载为52.043 kN，在最大载荷作用下产生的挠度值为60 mm，而加高后的立柱所能承受的最大载荷为61.198 kN，在最大载荷作用下产生的挠度值为80 mm，二者相差不大，因此，立柱套管加高的立柱与原立柱的力学性能基本相同。

4 结论

高速公路波形护栏接桩工艺的研发是针对高速公路养护工程设计，特别是针对改、扩建高速公路中波形护栏在接桩中出现的问题和矛盾，通过对高速公路波形护栏接桩工艺参数的研究，确定了接桩工艺加高套管的外径尺寸以及伸入原立柱的长度，并进行了验证，从总体上、系统上予以考虑和解决，对高速公路行业的发展具有重要的现实意义。

[1] 邰永刚.高防护等级钢护栏改造方案研究[J].公路工程，2009(2).

[2] JTG D81-2006,公路交通安全设施设计规范[S].

[3] 高速公路丛书编委.高速公路交通工程及沿线设施[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] 马秀君.石安高速公路护栏改造设计研究[J].公路，2008(12).

[5] 刘孔杰，崔洪军.高速公路双波梁钢护栏改造方案碰撞试验研究[J].交通世界，2010(5).

[6] Texas Department of Transportation. Bridge Railing Manual[S].2006.

[7] Evaluation of Rail Height Effects on the Safety Performance of W-Beam Barriers(NCAC2007-R-003).National Crash Analysis Center，2007.

[8] 王辰.基于PC-CRASH的汽车——护栏事故再现研究[D].长春:吉林大学,2014，04.

[9] 范慕辉，焦永树.材料力学教程[M].上海：机械工业出版社，2010.

[10] 陈玲.基于车辆碰撞试验的波形梁刚护栏改造方案研究[D].广州:华南理工大学，2007.

Study on the W-beam Guardrail Post Pile Extension Parameters

QIAO Jiangang1,2, ZHANG Chengcheng1

(1.College of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401， China； 2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Tianjin 300401，China)

Highway guardrail is motor vehicle driver life support facilities,but because the pavement maintenance to improve pavement elevation,the height of the fence can not satisfy the safety requirements,in order to improve highway safety,through the actual investigation,combined with the project of traffic engineering、capacity theory analysis under loaddeformation and the stress of the guardrail post through the parallel test method,the design parameters of guardrail posts a heightening segment was determined,and the actual verified the rationality,the reconstruction of facilities bring to expressway maintenance of a new train of thought.

w-beam guardrail； columm； stress analysis； extension parameters

2015 — 03 — 20

河北省交通厅科技项目(20161008)。

乔建刚(1963 — )，男，山西太谷人，教授，博士，研究方向：交通工程。

U 417.1+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0063 — 03