高速公路波形梁护栏端部锚固敏感因素研究

简注清

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

在高速公路建设早期，由于车辆组成较为单一，行驶速度较低，波形梁护栏端部的设置适应当时的交通流特性，起到了较好的安全防护作用。但随着交通组成的复杂化、车辆的大型化和运行速度的提升，护栏端部已不能适应日益变化的交通流特性，安全防护能力的不足逐渐体现出来。新规范对公路路侧波形梁护栏端头的设置进行了细致规定，可有效消除或降低路侧护栏端头的安全隐患[1-2]。以A级三波形梁护栏为例，经实车碰撞试验验证，A级波形梁护栏的各项评价指标均符合标准[3]，但实际应用条件与试验场地条件有较大区别，主要体现在波形梁护栏端部的处理方面，因此需对波形梁护栏的应用性进行研究。

基于A级三波形梁护栏结构，采用经过验证的计算机仿真技术[4-8]，对护栏端部的锚固敏感因素进行研究分析，给出推荐的锚固结构，为以后规范修订提供基础数据支撑。

1 A级波形梁护栏

A级波形梁护栏结构为：波形梁板为3 mm厚的三波，梁板高度697 mm，立柱外径为Φ140 mm，厚4.5 mm，设置间距为4 m，路面以下立柱埋入土中深度为1.4 m，立柱和防阻块通过M16六角头高强螺栓连接，三波形梁板和六角防阻块通过M16高强螺栓连接，护栏结构如图1所示[1-2]。

单位：mm

2 波形梁护栏端部锚固

2.1 端部锚固必要性分析

为验证波形梁护栏端部锚固对护栏标准段防护效果的影响，将A级波形梁护栏端部锚固状况分为2种工况，分别是端部锚固和不锚固，采用经过实车碰撞验证的计算机仿真模型，建立车辆和A级波形梁护栏模型。按照JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中规定的A级护栏碰撞条件，如表1所示，设置碰撞速度、碰撞角度、接触以及调整碰撞点等工作，形成车辆碰撞护栏的有限元模型，模型中的A级波形梁护栏纵向设置长度为72 m。

表1 A级护栏碰撞条件

中型客车和中型货车碰撞A级波形梁护栏端部锚固与不锚固仿真碰撞过程对比如表2所示。由表2可见，当A级波形梁护栏端部没有锚固时，在碰撞荷载的作用下使防阻块产生了较大变形，护栏端部产生了较大位移，中型客车和中型货车均出现了骑跨护栏现象。根据仿真分析，六角防阻块的结构特性是导致产生以上结果的主要原因。六角防阻块结构较软，可缓冲并吸收车辆动能，并且能有效分散车辆碰撞波形梁护栏的力，而这种较软的防阻块也加大了护栏安全防护性能对端部锚固的依赖性；而当护栏端部刚性锚固时，车辆顺利导出且行驶姿态较好，对车辆形成了有效防护。因此，为了使波形梁护栏的标准段具备足够的防护性能，必须对护栏的端部进行锚固[9]。

表2 碰撞端部锚固与不锚固护栏的对比分析

2.2 端部锚固合理参数分析

2.2.1 端部锚固高度分析

公路上常见的路侧波形梁护栏端部结构形式为圆头式和地锚式，其护栏端部形式及事故形态如图2所示[10]。

(a)圆头式及事故形态

波形梁护栏端头高度一般和护栏标准段高度相同，大部分在1 m左右[11]，由于小型车速度快，且车内乘员所在的高度与波形梁护栏端头高度接近，碰撞波形梁护栏端头后更易对车内的乘员形成伤害；而大型车的速度相对较慢，且车内乘员的位置高度一般比波形梁护栏端部位置高，碰撞波形梁护栏端头后对车内乘员形成的直接伤害概率较小型车要小得多。

小型车辆碰撞的护栏端部为圆头式端头时，若端头的面积和刚度较大，车体就会产生较大变形，司乘人员会受到严重冲击，甚至危及生存空间；若端头的面积较小，相对于车体来说，波形梁护栏端头就像是钉子一样尖锐，很容易就能插入小型车车体，对车内乘员形成直接伤害，如图2(a)所示。小型车辆碰撞的护栏端部为地锚式端头时，小型车会沿地锚的坡面进行快速爬升，极易发生翻车事故[12-14]，如图2(b)所示。

大型车碰撞波形梁护栏端头的事故较少，这与大型车行驶速度较慢有一定关系，同时大型车碰撞波形梁护栏端部多为骑跨，如图3(a)所示，插入客车车体事故较为罕见，如图3(b)所示。

编制企业定额之前首先要明确它的性质。首先，《贵冶土建定额》属于预算定额。建设项目建设期费用构成分：估算、设计概算、工程图预算、项目最终结算，财务决算等［1］。该定额主要用于全厂范围内的生产检修项目的招投标及预结算阶段。所以定性它为工程计价定额中的预算定额。

(a)中型货车碰撞护栏端头

2.2.2 端部锚固结构设置方式分析

为减少或避免车辆碰撞护栏端部后造成重大伤亡，按照现行规范中对护栏端部处理结构的规定，对端部进行有效锚固。根据规范规定的护栏端部外展斜率，将波形梁护栏端部进行外展，且将端部外展12 m以上，并加密端部立柱，端部外展斜率如表3所示[1-2]。

表3 上游护栏端头外展斜率

外展可有效避免车辆碰撞端头位置，规范对护栏外展斜率的规定为最大外展斜率，当波形梁护栏距离车行道越近时，外展应越平缓。

2.2.3 端部锚固结构形式分析

JTG/T D81—2017《公路交通安全设施设计细则》[2]中规定：路侧波形梁护栏的起、讫点应进行端头处理，其行车方向的上游端头宜设置为外展圆头式、外展地锚式，下游端头可采用圆头式。外展圆头式及外展地锚式结构实际应用如图4所示。

(a)圆头式

3 端部处理推荐结构

路侧波形梁护栏外展端头形式分为外展圆头式和外展地锚式，以端部外展圆头式为基础，根据对护栏端部的锚固分析，给出以下几种护栏端部处理结构[15]。

3.1 立柱锚固外展圆头式护栏端部结构

以外展圆头式端部为基础，将端部末端的5根立柱与波形梁板间的防阻块去掉，直接通过螺栓连接，且端部末端5根立柱采用Φ600 mm的混凝土基础，具体外展圆头式护栏端部结构如图5所示。

(a)立面

中型客车和中型货车按照标准规定的A级碰撞条件进行仿真碰撞，波形梁护栏设置长度72 m，碰撞点位于外展段与标准段过渡位置，建立的A级波形梁护栏外展圆头式端部碰撞仿真模型如图6(a)所示。

车辆碰撞仿真过程如图6(b)所示。由图6(b)可知，中型客车和中型货车碰撞立柱锚固外展圆头式波形梁护栏端部的过程中，车辆运行姿态良好，该种波形梁护栏端部锚固结构安全性能满足规范要求。

(1)中型客车

3.2 外展地锚式护栏端部结构

外展地锚式护栏端部的末端波形梁护栏板及斜向插入路面下矩形混凝土基础内，与该板连接的立柱也插入该矩形混凝土基础内，末端2根立柱采用Φ600 mm的混凝土基础，具体外展地锚式护栏端部结构如图7所示。

(a)立面

中型客车和中型货车按照标准规定的A级碰撞条件进行仿真碰撞，护栏设置长度72 m，碰撞点位于外展段与标准段过渡处，建立的A级波形梁护栏外展地锚式端部碰撞仿真模型如图8(a)所示。

车辆碰撞仿真过程如图8(b)所示。由图8(b)可知，中型客车和中型货车碰撞波形梁护栏外展地锚式端部的过程中，车辆运行姿态良好，该种波形梁护栏端部锚固结构安全性能满足规范要求。

(1)中型客车

在护栏实际建设中，可在地锚式端部埋于混凝土基础内的波形梁板上焊接几根锚固钢筋，防止车辆碰撞时波形梁板轻易与混凝土基础分离。

3.3 钢丝绳锚固外展圆头式护栏端部结构

以外展圆头式端部为基础，末端3根立柱采用Φ600 mm的混凝土基础，在端部末端4 m内，通过在波形梁护栏端部连接2根钢丝绳来进行锚固，每根钢丝绳的一端锚固在末端波形梁板上，另一端分别锚固在末端2根立柱根部，钢丝绳为Φ18型号、强度1 670 MPa，具体钢丝绳锚固外展圆头式护栏端部结构如图9所示。

(a)立面

中型客车和中型货车按照标准规定的A级碰撞条件进行仿真碰撞，波形梁护栏设置长度72 m，碰撞点位于外展段与标准段过渡位置，建立的A级波形梁护栏钢丝绳锚固外展圆头式端部碰撞仿真模型如图10(a)所示。

车辆碰撞仿真过程如图10(b)所示。由图10(b)可知，中型客车和中型货车碰撞波形梁护栏钢丝绳锚固外展圆头式护栏端部的过程中，车辆运行姿态良好，该种波形梁护栏端部锚固结构安全性能满足规范要求。

(1)中型客车

通过仿真计算得到钢丝绳锚固力计算结果，如表4所示。由表4可知，钢丝绳锚固力最大为170 kN，而强度为1 670 MPa的Φ18型号钢丝绳设计承载力为179 kN，可见钢丝绳锚固力满足要求。

表4 钢丝绳锚固力

4 结论

本文采用计算仿真模拟的方法对我国使用最广泛的A级波形梁护栏端部锚固敏感因素进行了研究，认识如下：

1)影响波形梁护栏端部安全性能的关键因素为护栏端部结构形式、高度、是否锚固、设置方式等。

2)波形梁护栏端部一定要锚固才能保障标准段护栏的正常防护能力。

3)护栏端部结构必须外展才能有效降低护栏刺穿车身的事故概率。

4)端部锚固结构可为标准段护栏提供足够的锚固力，可使波形梁护栏端部更加安全可靠，从而大幅降低车辆碰撞波形梁护栏端部造成人员伤亡和事故严重程度。

5)工程应用可根据具体实际情况选择，本文研究成果可为现行规范护栏端部处理相关条文修订提供参考。