高速公路旧立柱改造方案防撞性能实验评估

李 霞，杨怀军，崔洪军，田 远，赵志强

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)



高速公路旧立柱改造方案防撞性能实验评估

李 霞，杨怀军，崔洪军，田 远，赵志强

(河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401)

改扩建中旧规范护栏立柱的防撞性能不满足现行规范要求，从提高立柱的抗弯与抗拔性能两方面提出了旧规范立柱升级改造设计方案；该方案将地面以下立柱内部土体清除，并填充钢筋混凝土，通过力学计算，分析了立柱的抗弯与抗拔的受力特征，确定了立柱内填充混凝土合理深度和高度；通过对旧规范立柱、现行规范立柱与升级改造立柱的抗弯静载、抗弯拟动载、摆锤冲击实验与抗拔拟动载现场实验，研究了立柱的抗弯与抗拉性能。研究表明：旧规范立柱的防撞性能经此升级改造方案后满足现行规范的设计要求。

道路工程；防撞性能；升级改造；冲击实验；立柱

0 引 言

依据JTG/D 81—2006《公路交通安全设施设计规范》(简称现行规范)护栏的碰撞能量为160 kJ，在道路改扩建中，JTJ 074—94《公路交通安全设施设计及施工技术规范》(简称旧规范)的护栏(碰撞能量为90 kJ)因不满足现行规范护栏的防撞性能面临拆除，造成了资源的浪费。立柱为护栏重要的组成部分，旧规范立柱防撞性能的主要不足之处体现在立柱的抗弯与抗拔性能达不到要求。

表1为旧规范立柱与现行规范立柱的基本尺寸，现行规范护栏通过增加立柱直径和壁厚、波形梁板厚、防阻块壁厚与立柱内侧至路基边缘的距离来提升护栏的抗弯与抗拔性能，以达到防撞性能的要求。通过对立柱的受力进行分析，并采取有效的措施对立柱的结构进行加固设计来增强立柱的强度，进一步提高护栏整体的防撞性能。为了验证升级改造立柱的防撞性能要求需要进行相关实验对其进行验证。

表1 旧规范立柱与现行规范立柱参数

笔者通过进行旧规范立柱、现行规范立柱与升级改造立柱的抗弯静载、抗弯拟动载、锤冲击实验与抗拔拟动载实验对升级改造立柱的抗弯与抗拔性能进行进一步验证。

1 立柱的受力分析

1.1 立柱的抗弯性能分析

在车辆碰撞作用下，波形梁护栏的受力变形过程十分复杂，主要是通过波形梁板、防阻块的变形和立柱的弯曲变形来吸收碰撞过程中产生的能量。在立柱-地基土子系统中[1]，立柱主要承受两方面水平力的作用：拦截汽车碰撞波形梁护栏板时的间接横向冲击力；地基土对立柱所产生的支撑反作用力。立柱最大弯矩作用点的位置即立柱刚性嵌固点，在立柱失稳前，将立柱近似等效成承受水平力的单桩，求解立柱刚性嵌固点的位置。

采用容许荷载反力法对承受水平荷载立柱的受力情况进行简化[2]，计算立柱最大弯矩值。受力如图1，P为立柱水平设计荷载，L0为水平荷载距离地面的高度，h为立柱的埋深，f为容许荷载地基土反力，x1为最大弯矩点深度即立柱刚性嵌固点距离地面的距离，x2为回转中心到桩尖的距离。

图1 立柱受力简化 Fig. 1 Simplified diagram of pillar stress

立柱最大弯矩作用点的位置(即立柱刚性嵌固点)处的最大弯矩的计算公式为

现行规范规定，设计弯矩时，水平设计荷载P=F/4，路侧A级护栏在横梁允许位移为0.5m情况下的设计碰撞力。弯矩如图2,应用力的平衡条件求得,立柱刚性嵌固点距离地面的距离为0.353m,最大弯矩Mx=34.48kN·m。

图2 水平荷载下弯矩示意Fig. 2 Bending moment diagram under horizontal load

1.2 立柱的抗拔性能分析

在地基强度较弱或者埋置深度不满足要求的情况下，若大型车辆碰撞到护栏上，护栏立柱不会弯折，而是从土中撅出，这样立柱的防撞能力得不到充分发挥[3]。取一段埋置于土中的立柱为研究对象，其受力如图3。图3中，F为拔力，f为周围路肩与土体的阻力，F1为立柱底面所受拉力。当F≥f+F1时，立柱被拔起。

图3 立柱受力Fig. 3 Pillar stress

如图3(b)取图中三角形单元体为研究对象，路肩与土体的最大阻力f1等于周围路肩与土体所能承受的最大剪力：f1=λihirθ，立柱埋入深度由i层路肩结构层组成，每层厚度分别为h1、h2、…、hn。立柱受路肩的最大阻力等于路肩结构层所受最大剪力，即

取立柱底面单元体为研究对象，其所受最大拉力为

式中：ξ为立柱底面处路肩填土所能承受的最大拉应力，MPa。

对于不同的高速公路路肩结构，立柱周围材料阻力也不同，笔者以路肩结构全部为密实黏性路基土进行计算。路基土最大剪应力取0.09MPa，最大拉应力取0.07MPa。得到的现行规范与旧规范立柱抗拔值如表2。

表2 现行规范与旧规范立柱抗拔力对比

为使护栏立柱升级改造方案获得与现行规范立柱推荐结构相同的抗拔力，可反算得到升级改造方案立柱的计算埋置深度为1 700 mm，所以立柱增加埋深为600 mm。

1.3 浇筑高度的计算

为了增加立柱的有效埋置深度，在立柱内浇筑自密实混凝土，并配置纵向钢筋，以提高立柱整体抗弯能力。旧规范护栏在改造后与原护栏在受力上发生了很大变化，故在对改造后护栏混凝土立柱选取了3个控制点进行分析，如图2。B点为钢管受弯承载力与碰撞力产生弯矩相等点。在B以上，立柱受弯承载力大于碰撞力产生的弯矩，故可以不浇筑混凝土，反之，则需浇筑混凝土。B距离路面的高度计算公式为

经计算，临界点B距路面的距离为162 mm。立柱中浇筑混凝土的高度H2为1 538 mm。考虑护栏立柱加混凝土封层后，立柱的最大力矩将发生在地表处，故在立柱内浇筑混凝土时浇筑于路面上10 cm以上，即拟定立柱内浇筑高度H2为1 800 mm。

2 实 验

立柱内配筋后，为了提高钢筋和立柱的黏结度，需要在立柱内浇筑自密实混凝土。实验采用42.5 MPa的普通硅酸盐水泥、一级粉煤灰、粗骨料(粒径不超过20 mm)、细骨料、萘系高效减水剂进行了塌落度实验，7、28 d抗压强度实验。最终确定自密实混凝土配合比为：水泥∶粉煤灰∶水∶粗骨料∶细骨料∶减水剂=346∶172∶161∶740∶822∶8.0,单位为kg。

笔者采用配筋钢管混凝土对立柱进行加强。在钢管中配置钢筋混凝土能有效提高立柱钢管的抗压、抗弯性能和抗变形性能，提高构件的延性和韧性，抑制钢管的整体剪切破坏和碰撞过程中的脆性剪切破坏。根据叠加原理，配筋钢管混凝土受弯承载力Mc等于钢管混凝土受弯承载力Msc叠加纵筋受弯承载力M，并考虑箍筋的约束作用，按圆形钢管塑性发展系数1.15得

Mc=Msc+M=rmWcfsc+1.15Wcf

参考《钢管混凝土结构设计与施工规范》，在立柱中等间距配置6φ8，箍筋采用螺纹钢筋A8@200，其抗弯承载力Mc=27.03 kN·m。

实验模拟高速公路立柱的埋置安装方式，用振动式夯土机对土体进行逐层压实，每层压实土体的厚度为10～15 cm，压实次数为3次，使得每层土体压实度均达到95%以上[4]。然后从立柱内取土，灌注自密实混凝土，养护28 d后进行实验。针对立柱的抗弯与抗拔性能，进行了立柱抗弯静载、抗弯拟动载、摆锤冲击实验与抗拔拟动载实验。

2.1 抗弯静载实验

将旧规范立柱、现行规范立柱与升级改造立柱各取1组在室内测试立柱的抗弯性能，受弯力柱的约束条件如表3。借助液压伺服加载系统，对立柱端部以每分钟0.5 mm位移施加水平静载，并用采集器采集数据。试验结果见图4。

表3 受拉力柱的约束条件

图4 静载实验立柱受力Fig. 4 Column force in static load test

由图4可知，初始时立柱的偏移量与立柱所受拉力近似成线性关系，在达到拉力峰值之前，各立柱的偏移量均随拉力的增加而增加。旧规范立柱、现行规范立柱和升级改造的立柱承受的最大拉力分别为58.62、70.85、75.24 kN。随着拉力值的增大，地基周围的土受到的破坏都较为严重，而旧规范立柱被拔出，且横向偏移量远大于现行规范与升级改造的立柱的横向偏移量。因此经过升级改造的立柱达到了现行规范立柱的抗拉性能。

2.2 抗弯的拟动载实验

该实验在室外路基上进行，前期准备与室内实验相同。进行实验时，用S型拉压测试传感器测量立柱所承受的水平拉力，用XK3190-A12+(E)采集器进行采集数据，用套环将拉力传感器锁紧于立柱端部与叉车前端，叉车匀速行进以保证立柱受拉时受力均匀，采集器每秒采集的数据为5个，精确度为5 N。实验结果如图5，现行规范立柱、旧规范立柱与升级改造立柱承受的最大拉力分别为28.245、22.250、30.995 kN，地基周围的土都出现较大松动，而旧规范立柱被从地基中拔出，另外两组仍嵌固于地基中。因此升级改造立柱的抗弯强度优于现行规范立柱的抗弯强度。

图5 拟动载实验抗弯受力Fig. 5 Bending force in quasi-dynamic load test

2.3 动载实验

动载实验与抗弯拟静载实验埋置立柱的方法相同，规范采用自重1.5 t，碰撞速度为100 km/h的小客车或者自重10 t，碰撞速度为60 km/h的大货车进行实验，碰撞角度均为20°[5]，碰撞时控制破坏为5跨内弧式破坏模式。

护栏被碰撞时中间两根立柱产生的塑性转角较大，两侧的较小，立柱的最大倾角达到60°时立柱就完全失效[6]。为了满足160 kJ的碰撞能量，实验采用缩尺模型(摆锤)进行碰撞实验。实验思路为：用叉车将重锤抬升到设计高度，将吊车移至护栏受冲击面的上方，实验时货叉迅速降低，重锤脱离货叉做单摆运动，摆锤落到最低时绳子被拉直，此时摆锤的速度也达到最大，以此速度冲击立柱。若不考虑重锤做单摆运动时的能量损失，要求摆锤最初的重力势能>160 kJ即可。由mgh≥160 kJ可知，假设W=160 kJ，h=6 m，考虑用铸铁做原材料，铸铁密度为7 800 kg/m3，将重锤外形设计为半径为0.4 m，高度为0.8 m的圆柱体，为使碰撞面光滑采用圆滑过渡，使撞击端为圆弧面，通过计算，最终得出锤子的总质量为3.2 t。

重锤结构与汽车结构不同，汽车碰撞后自身会有一定变形和残余动能，而摆锤自身的变形量是可以忽略不记的，因此需要对能量数值进行修正：w终=W×k1×k2×k3=52.68 kJ(k1=0.67，k2=0.78[7]，k3=0.63[8]。由此我们推算重锤需要抬高的高度为1.68 m，但是为了消除叉车在释放锤子瞬间，锤子产生振动而带来的能量损失，实验将摆锤高度升高到1.8 m。本实验选用高清摄像机进行数据采集，以保证数据采集的精确度。实验结果见表4。

表4 护栏立柱碰撞试验数据

由表4可知，旧规范护栏立柱吸收能量为50.63 kJ，与计算的冲击能量52.68 kJ相近，所以修正后的能量值是合理的。通过对比得出：现行规范立柱和升级改造立柱的护栏板动态变形量与残余变形量明显小于旧规范立柱的变形量，因此升级改造护栏吸收的能量优于现行规范护栏吸收的能量要求。

2.4 立柱的抗拔拟动载实验

立柱的强度不仅与自身的强度有关，而且与地基土强度以及立柱埋置深度等密切相关[9]。在地基土强度较弱或者立柱埋置深度不足的情况下，大型车辆撞到护栏上，护栏立柱不仅被拉弯，而且被从土中撅出，使护栏的防撞能力得不到充分发挥。为了测试升级改造立柱的抗拔性能，通过进行立柱的抗拔拟动载实验对其验证，实验的条件与抗拉的拟动载实验的条件相同。将传感器紧固到货叉上，将货叉匀速升起，测得的拉力数据如图6。由图6可见，现行规范立柱、旧规范立和升级改造的立柱的最大抗拔拉力分别为17.605、7.750、30.455 kN，升级改造立柱的抗拔强度远大于现行规范立柱与旧规范立柱的抗拔强度。显然，立柱经过浇筑混凝土通过增加立柱的有效埋置深度和增强立柱与地基土的黏结强度，使得其抗拔强度增大。

图6 立柱抗拔实验受力Fig. 6 Force of column uplift test

3 结 论

通过对旧护栏立柱的重新设计改造并进行了一系列相应的实验得出：

1)将混凝土下筑于旧规范立柱内，将立柱的埋深从原来的1 100 mm增加到1 700 mm,并在立柱内添加6@8 mm的钢筋来提高立柱的抗弯与抗拔性能的方案是可行的，升级改造立柱的抗弯与抗拔性能不仅达到现行规范的要求，而且要优于现行规范的性能。

2)立柱在碰撞过程中，受弯程度与地基土压实强度有关，地基土强度越大，立柱受碰撞时弯曲程度越大，反之亦然。

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(责任编辑：谭绪凯)

Experimental Evaluation of Anti-collision Performance of Reconstruction Scheme of Old Column of Highway

LI Xia, YANG Huaijun, CUI Hongjun, TIAN Yuan, ZHAO Zhiqiang

(School of Civil Engineering and Transportation, Hebei University of Technology, Tianjin 300401, P. R. China)

The crashworthiness of guardrail post in old standard can not satisfy the current specification requirements in the process of expansion. From the perspective of improving the column bending and tension performance, the upgrade and reconstruction design scheme of column in old standard was put forward. In the proposed scheme, the soil underground and inside the column was removed and the reinforced concrete was filled. Through the mechanics calculation, the force characteristics of column bending and pullout were analyzed, and the reasonable depth and height of the concrete filled inside the column were also determined. Finally, the bending static load, bending quasi-dynamic load, pendulum impact test and pullout quasi-dynamic load experiment of the old specification columns, the current specification columns and the upgraded columns were carried out and compared. The research indicates that the crashworthiness of column in old specification upgraded and reconstructed by the proposed scheme can meet the design requirements of the current specification.

highway engineering; anti-collision performance; upgrade and reconstruction; impact test; column

10.3969/j.issn.1674-0696.2017.07.16

2016-05-21；

2016-12-24

河北省自然科学基金项目(Y-090123)

李 霞(1981—)，女，河北新乐人，讲师，博士，主要从事道路工程方面的研究。E-mail: diyilixi@126.com。

U412

A

1674-0696(2017)07-096-05