高速公路中央分隔带活动护栏设计与试验研究*

崔洪军，邢江柯，李 霞，朱志强，武伟伟，杨怀军

(1.河北工业大学 土木与交通学院，天津 300401；2.上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司天津分公司，天津 300401)

高速公路中央分隔带活动护栏是为了车辆在特殊情况下能够进入反方向车道上行驶而设置的，因此活动护栏必须同时兼具便捷的移动性和较强的防撞能力。目前我国常用的活动护栏过多注重其移动性，在防撞性能方面存在明显欠缺。一旦车辆遇到事故发生穿越时，极有可能与对向车辆相撞，从而引发重大的交通安全事故[1-3]。

混凝土护栏具有防撞能力强、导向功能好以及养护和维修工作量小等优点，在实际工程中被大量采用。但现有的混凝土活动护栏体积和重量过大，难以移动，当遇到紧急情况时，无法及时开口放行，可能会造成更为严重后果。因此，设计一种防撞性强且移动性好的新型混凝土活动护栏对提升高速公路行驶安全性及发生事故后的处理效率都有重大意义[4-8]。

笔者结合相关学者的研究成果[9-14]及JTG D 81—2006《公路交通安全设施设计规范》[15]的相关规定，参照Am级F型混凝土护栏的构造要求，在混凝土护栏内部设计一套移动装置，利用有限元软件对装置各部分部件进行了受力模拟计算。针对移动装置设计对护栏配筋进行了设计，结合配筋设计了一种护栏的新型连接方式，并利用该连接方式设计护栏的抗倾覆方式。最终通过实验验证了该型活动护栏具有活动性能好、抗撞能力强的优势。

1 移动装置设计

混凝土实验护栏长2 m，底宽0.566 m，总重1.46 t。由于护栏自重很大，为保持护栏平衡，设计采用4个脚轮来支撑护栏移动，单个脚轮的承载力设计为600 kg。为使护栏具有更好地灵活性，将4个脚轮分为前后两组且采用不同型式的脚轮，前轮采用万向轮，后轮采用定向轮，尺寸均为6.67 cm。

整套移动装置由手柄、螺杆、外套筒、底杆及脚轮这5部分组成。其中：底板、底杆和脚轮连接方式为一体式连接，并可嵌套于护栏外套筒内。工作人员可通过旋转手柄，实现外套筒内壁与螺杆外壁螺纹的相互咬合，以达到混凝土护栏自由升降的目的，如图1。

图1 移动装置整体示意Fig. 1 Overall schematic view of movable device

1.1 手柄设计

根据文献[16] ，外套筒螺纹螺母手柄设计参数：钢材型号为Q235；最大应力为41 MPa；极限强度为235 MPa；手柄形状为T型。

手柄上部横杆长度是螺杆中心到人手施力点的距离，考虑到螺杆头部尺寸及工人握手距离，手柄实际长度还应加上(150～250) mm，此处取250 mm，则有式(1)：

(1)

式中：Lp为手柄长度；K为加于手柄上的臂力，根据实际情况，K=75 N；T为螺旋副间的摩擦阻力矩，T=45 N·m。

通过式(1)可获得Lp的值为850 mm；考虑到外套筒以及螺杆的实际尺寸，将T型竖杆的长度取为350 mm，T型竖杆的直径取为28 mm。

把手柄简化成一个悬臂梁，按弯曲强度确定T型上部横杆直径dp，其强度条件如式(2)、(3)：

(2)

(3)

式中：[σ]为极限强度，[σ]=120 MPa；dp≥21.5 mm，由材料的统一标准，将dp=24 mm。

手柄底端截面的设计尺寸如图2，通过建立局部有限元模型对手柄接触部分进行受力分析，得到其应力云图和位移云图如图3。

图2 一字突起截面Fig. 2 Section diagram of horizontal straight protuberance

图3 一字突起仿真Fig. 3 Simulation nephograms of horizontal straight protuberance

1.2 螺杆设计

为满足螺杆的耐磨性、强度、形状要求，将螺杆中径d2按式(4)要求选定，

(4)

式中：F为设计最大起重量，F=12 kN；Pp为螺纹副许用压强，由于此例属于钢对钢的低速转动，Pp=10 MPa；Ψ为整体式螺母换算系数，Ψ=1.2。

根据标准螺纹中径的相关规定，由式(4)可求得，取d2=25.5 mm。由此获得螺杆的螺纹规格及相关参数，如表1。

表1 螺杆设计参数Table 1 Design parameters of bolt

为让各部件能协调工作，螺杆与手柄配合部位选用一字槽，其尺寸与手柄底端一字突起部分对应，对螺杆接触部分进行受力分析，得到螺杆接触部分的应力云图和位移云图(图4)。

图4 一字槽仿真云图Fig. 4 Simulation nephograms of horizontal straight groove

1.3 外套筒螺纹螺母设计

考虑到0.5 mm的安装误差，将外套筒螺纹螺母按表2的尺寸设计，外套筒如图5。

表2 外套筒设计参数Table 2 Design parameters of outer sleeve

图5 外套筒尺寸Fig. 5 Size of outer sleeve

1.4 铰接轴、底杆、垫块及底板设计

铰接轴、底杆、垫块及底板的材料均采用Q235钢，为了与套筒良好配合，将底杆上部设置成圆柱体，直径为28 mm。上端的凹槽与套筒上焊接的突起配合，以固定底杆，底杆中部用来完成正方体到圆柱体的过度，设计尺寸如图6。

图6 各部件尺寸Fig. 6 Size of component

针对部件的较脆弱、易损坏部位，通过有限元模型作静力分析，可以得到底杆下端以及垫块的应力云图和位移云图如图7。

通过模拟各部件受力后的状态得到了上述仿真云图，统计重点接触位置仿真结果，如表3。

图7 底杆下端和垫块仿真云图Fig. 7 Simulation nephograms of lower end of the bottom bar and cushion block

危险位置最大应力/MPa材料强度极限/MPa最大位移/μm是否满足设计使用要求手柄接触部位(一字突起)93.82354.95满足螺杆接触部位(一字槽)82.13554.97满足垫块27.72351.19满足底杆下端接触部分31.42353.77满足

2 连接方式设置

笔者结合以往护栏研发相关经验，综合考虑护栏受力整体性、拆装方便性和地基锚固难易程度等3个方面，设计了一种纵向连接方式。并在配筋上采用一体式构造方案，通过护栏外露弧形钢筋交替外伸的方法，使两护栏块的外伸弧形钢筋能够交叉咬合，然后内插钢管实现相邻混凝土单元有效连接。撞击后，该装置还可通过微调弧形钢筋形状、替换新钢管的方式实现纵向连接快速还原，如图8、9。

图8 弧形钢筋式连接Fig. 8 Connection mode of curved reinforcement

图9 一体式钢筋配筋示意Fig. 9 Reinforcement figure of integrated steel

3 抗倾覆设计

为保证护栏装置在撞击过程中抗倾覆要求，需合理设置埋深及钢管尺寸，且应满足力学平衡条件，如式(5)：

(5)

钢管埋深如式(6)：

(6)

式中：Fmax为护栏所受撞击力，其值可由传感器测得；H为护栏高；h为撞击点到护栏顶距离；B为护栏底部宽度；G为护栏装置总重量，单个护栏重量为1.46 t；n位钢管数量。

由式(6)可获得钢管的埋深为38 cm，为充分保证护栏装置的抗倾覆性能，d=40 cm；参考相关工程经验，将钢管壁厚取为5 mm，直径取为38 mm。

4 移动性验证

移动护栏之前，首先需要用手柄将护栏提升至指定高度。实际操作中，旋转手柄力度不是很大，一般成年人可以完成，手柄每旋转一周，混凝土护栏可升高0.5 cm，整体升高到4 cm约需要2 min，提升效果良好。

因混凝土护栏重量较大，启动时需较大推动力，两个成年人方可完成；移动中需推动力较小，一个人即可完成，推动速度可达0.4 m/s，方向控制也比较灵活，可做小角度旋转，活动性能良好。

5 防撞能力验证

通过对多起相关交通事故调查，发生事故时，车辆通常会在惯性作用下连续碰撞几跨护栏。笔者提出的撞击试验主要针对单跨护栏，其吸收能量占总能量比值在相关文献有具体规定[17]，可据此推算护栏装置整体防撞能力。

笔者通过借鉴相关学者的研究成果[18-19]，利用重锤模拟汽车撞击护栏试验，以验证新型护栏防撞能力，并根据实际情况对本次试验做如下假设：

1) 由于重锤质量大，忽略其做单摆运动过程的能量损失；

2) 因混凝土单元块受撞击面倾幅小，可将其看作垂直平面；

3) 重锤做单摆运动过程中可能会产生轻微转动，基于重锤的球冠面设计，可不计此影响。

5.1 实验方案设计

在地面上每隔2.08 m打插杆孔，推动护栏至合适位置，使护栏底部套环与地面插杆孔对齐，将钢管穿过套环并插入孔中，再次微调护栏，以确保护栏安装合理。

架设高速摄像机系统，并连接控制器显示装置。为方便后期测距、测速，需在护栏旁边设置比对标尺，并在传感器上方涂染颜料以作位置标注。

利用质点振动系统中的单摆运动原理，预先通过吊车将重锤升起到指定位置，使重锤中心对准传感器。实验开始后，释放重锤，让其在重力作用下做单摆运动，到达最低点时恰与护栏中央传感器相撞。

5.2 实验结果分析

1) 撞击能力满足要求。通过对碰撞视频资料进行测速，可得重锤撞向护栏的即时速度为5.9 m/s，重锤弹起的速度为0.9 m/s。本次试验重锤的质量为3.141 t，根据速度变化，推算出护栏吸收能量为53.4 kJ，满足文献[20] 对护栏碰撞吸收能量的研究。

2) 从碰撞结果来看，该新型混凝土护栏有效阻挡了重锤冲击，而且碰撞中未出现护栏倾倒、混凝土破碎、组件飞出等现象，证明该型护栏具有较强的防撞能力，如图10。

图10 护栏碰撞后损坏情况Fig. 10 Damage after guardrail collision

3) 高速摄像机摄录的撞击过程中4个瞬间，如图11、12。

图11 撞击瞬间Fig. 11 Instant of collision

图12 碰撞后细节Fig. 12 Detailed view after collision

由图11可看出：6块混凝土单元均有不同程度位移，其中：直接被撞击的护栏位移明显，最外侧护栏位移偏小。这证明护栏间的连接方式有效，保障了护栏板整体受力，同时也将撞击力传递给地基，并保证了护栏的稳定性。

由图12可知：受正面撞击的混凝土护栏出现一条贯穿整个混凝土块的细小裂缝，有一个套环发生撕裂(因施工人员读错图纸，导致套环钢筋直径变小所致)，整套护栏装置仅出现了轻微破坏。

4) 试验后护栏整体变形如图13。通过对碰撞视频资料进行测距得到：护栏最大变形为423.9 mm，残余变形224 mm，满足高速公路安全性能评价标准要求。

图13 碰撞后护栏整体变形Fig. 13 Global deformation after guardrail collision

6 结 论

1) 笔者设计的新型混凝土活动护栏在保证具备足够的防撞能力和隔离防护性能基础上，能更加快捷、自如地移动，达到临时开放的功能，更好地发挥其在中央分隔带开口处的作用。文中提出的混凝土护栏连接方式，与现今常用连接方式相比，具有更好的力学传导效果和增强混凝土护栏抗倾覆能力。同时对移动装置设计方案进行了实例验证，满足灵活移动的设计目的。

2) 笔者提出的冲击试验主要针对单跨护栏，未考虑直接撞击护栏单元块连接缝时的安全性。在实际混凝土护栏施工中，针对护栏连接部分，需进行偏安全验算，并通过采用高强度套环钢筋、锚固钢管及合理设置钢管埋置深度等方式，以提高整套护栏装置的安全、可靠性；该混凝土护栏纵向连接方式可能涉及到内插钢管防盗问题，在实际护栏施工中，可通过钢管处横向打孔及合理安装横向螺栓的方式予以解决。

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