提升现有中分带波形梁护栏防护能力的方案对比分析

冯红艳 李梦露 孟瑶 刘雨 胡云威 杜进华

摘 要：车辆在高速公路行驶时速度较快，发生事故后可能冲破中分带护栏冲向对向车道，造成更大的损失。针对冲破中分带护栏驶入对向车道的交通事故，本文在传统护栏形式的基础，提出在中分带两侧的立柱间添加支撑的四种加强方案，基于结构力学、材料力学的相关理论知识对增设的钢支杆截面进行设计，基于伪静力法汽车碰撞模型验证不同加强方案防护能力的提升效果，最后经过各方面对比分析得出最优加强方案。

关键词：高速公路;加强型护栏;中分带;支撑杆;斜撑

中图分类号：U417.12文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）28-0089-06

Comparison and Analysis of Schemes for Improving the

Protection Capacity of Existing Corrugated Beam Guardrail

FENG Hongyan LI Menglu MENG Yao LIU Yu HU Yunwei DU Jinhua

（School of Civil Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： The speed of vehicles running on the expressway is fast， which may break through the guardrail and rush to the opposite lane after the accident， resulting in greater loss. Aiming at the traffic accident of breaking through the guardrail and driving into the opposite lane， based on the traditional form of guardrail， this paper put forward four strengthening schemes of adding supports between the columns on both sides of the middle separation zone. Based on the relevant theoretical knowledge of structural mechanics and material mechanics， the section of the additional steel strut was designed， and the improvement of the protection ability of different strengthening schemes was verified based on the pseudo-static vehicle collision model. Finally， through the comparative analysis of various aspects， the optimal strengthening scheme was obtained.

Keywords： expressway;innovative reinforced corrugated beam guardrail;median zone;strut;diagonal brace

目前，国内高速公路迅速发展，高速公路里程总量日益增长，截至2019年，我国高速公路总里程已经达到14.26万km，交通量也随之快速增加，而由此造成的交通事故也越来越多。在相关部门的管理下，交通事故伤亡人数虽然有所控制，但高速公路事故死亡率仍然居高不下，其中每年因为护栏防护能力不足导致的交通事故数占比较高。目前，高速公路防护栏主要采用波形防撞护栏。车辆在撞击护栏时，通过波形护栏的变形以及防阻块的变形来吸收部分撞击能量，然后通过立柱对波形护栏的支撑作用，尽量阻止车辆冲入另一侧车道，防止产生更严重的交通事故。但随着汽车保有量的快速增加，车辆速度的提升以及车辆重载化、大型化比例逐渐提高，现有的高速公路安全设施防护能力已经无法满足交通安全防护要求，部分护栏设施在重大交通事故中已逐渐失去其防护效能，所以提升高速公路防护栏能力尤为必要。

目前，国内已经研发了许多新型防撞护栏产品，如旋转滚筒护栏和预应力钢索护栏[1]。前者的安装及材料成本较大，后者虽然安装成本不高，但需要拆除原护栏结构，两者均不适用于我国大范围提升护栏防撞效能的情况。

本文针对冲破中分带护栏驶入对向车道的交通事故，在不改变原护栏结构的基础上，提出一种支杆加强型的护栏结构形式。

1 理论框架

1.1 理论与假设

1.1.1 协同受力。增設横向或斜向支撑杆，与立柱同时作用，将一侧立柱受力转化为两侧立柱与支杆协同受力，共同抵抗车辆撞击。其相互作用及协同工作机制为：①支杆与立柱之间相互支撑，整体性好;②立柱主要承受剪力和弯矩，支杆主要承受轴力，当支杆屈服时，立柱承受的弯矩或剪力仍然小于其许可值。

1.1.2 结构简化。实际的波形梁护栏是一个较复杂的整体结构，为便于计算，进行如下简化。

①不考虑波形梁和防阻块变形所吸收的能量，即不改变护栏的原结构，只将立柱通过支杆连接起来，并对结构所能承受的最大撞击速度进行比较和加强。所得破坏时可承受的最大速度一定小于实际所能承受的最大速度，最终的计算结果乘以一个放大系数，便能与实际情况更好地吻合。

②由于支杆为细杆，所受弯矩与轴力相比可忽略不计，计算时可将连接方式视为铰接，忽略弯矩的影响。

先计算大型车的撞击情况，撞击点高度如图6所示。解一次超静定，可得到支杆轴力[Fn]与撞击力[P]的关系：[Fn=1.60P]。当支杆屈服时，支杆的轴力为235.0 kN，经验算，此时立柱1承受的最大弯矩小于其容许值，而立柱2在底端承受的剪应力也小于其抗剪强度，所以当受到车辆撞击时，支杆会先于立柱屈服破坏，故不会产生因刚度过大而造成的安全隐患。支杆屈服时，根据关系式可得立柱所能承受的最大撞击力[Px]=146.88 kN（大型车），[Px]=78.44 kN（小型车，计算方法与大型车相同，计算重心不同），而在不加设支杆的情况下，当大型车辆的撞击力达到15.0 kN左右或小型车为32.0 kN左右时，立柱就会屈服。由此可见，此加设支杆方式防撞提升效果显著。

2.1.2 不同高度的横向横撑。计算简图如图7所示，将支杆水平连接，综合考虑强度、压杆失稳与立柱屈服三个方面，选择壁厚0.50 mm，截面实心面积66.17 mm2，外径43.70 mm，内径42.70 mm。

以大型车的情况为例进行计算，解超静定，得到当支杆屈服时，立柱所能承受的撞击力仅为16.55 kN，故此种连接方式效果不显著。试将支杆的连接点降低，因为在立柱1受到撞击时，立柱2也要承受弯矩作用，且在地面固定端处达到最大值，同一作用力下将支杆的连接点降低能有效减小立柱2承受的最大弯矩值，同时考虑到立柱1承受的弯矩值，将连接点降到距离地面0.50 m处，如图8所示。计算后取支杆壁厚0.5 mm，截面面积

125.57 mm2，外径80.44 mm，内径79.44 mm。支杆屈服时，撞击力达20.49 kN。由此可见，此种水平连接的方式效果并不显著。

2.1.3 斜向斜撑。计算简图如图9所示，将支杆连在两对角立柱上，此种连接方式是考虑到车辆的撞击角度问题，据大量数据表明，车辆的撞击角度普遍在20°～30°，很少有大角度撞击的情况发生。此种连接方式的支杆连接平面与行车方向的角度约为26°，刚好比较适应于实际情况。在一般的小角度车辆撞击的情况下，此种方式会有更好的防护效果。设计原则和计算方法同上述情况相同。计算后取支杆壁厚2.50 mm，截面实心面积900.0 mm2，外径117.0 mm，内径112.0 mm，杆长约2.43 m。

由于横向横撑方式对最大冲击力的提升效果非常不明显，故后续计算数据只针对提升效果显著的横向斜撑和斜向斜撑。不同连接方式的防撞提升效果与撞击角度有很大关系，将上述设计方案能承受的最大冲击力以及不同的撞击角度代入公式（3），逆推出护栏能承受的最大撞击速度，分析计算结果。

选用的小型车代表车辆为长4.50 m、宽1.70 m、质量1.20 t的中型轿车。小型车可承受的最大撞击速度如表1所示。

1.53 26.45 80 18.41 29.69 22.41 90 17.43 28.12 19.40 ]選用大型车代表车辆为长8.7 m、宽2.4 m、质量15 t的货车。大型车可承受的最大撞击速度如表2所示。

2.1.4 组合形式。将横向斜撑与斜向斜撑组合。经计算，车辆撞击时，在支杆不失稳，且支杆半径不大于立柱半径的情况下，立柱一定会先发生屈服，即强度、刚度太大，极易造成车毁人亡的情况。加之组合形式数据计算过于复杂，故也不列入数据计算中。

2.2 方案比选

2.2.1 数据分析。小型车能承受的最大撞击速度与撞击角度的关系如图10所示，大型车所能承受的最大撞击速度与撞击角度的关系如图11所示。

由图10可知：随着车辆撞击角度的增大，护栏能承受的最大冲击速度逐渐降低;横向斜撑型与斜向斜撑型在小角度撞击时防撞效果相差不大，但在40°～60°时斜向斜撑型明显优于横向斜撑型;当以更大的角度撞击时，斜向斜撑型易被撞击力垂直于支杆平面的分量压弯破坏，故大角度撞击时斜向斜撑型防撞提升效果不如横向斜撑型明显。

由图11可知，斜向斜撑型在大型车的冲击力下极易被压弯破坏，对大型车而言，斜向斜撑型防撞提升效果明显不如横向斜撑型。

2.2.2 经济性分析。各种设计方案每千米所需材料及费用（未考虑安装费用）：①横向横撑加强型每千米需增设500根支杆，每根支杆长为1.0 m，1 km所需钢材约为0.26 t，花费约为0.11万元;②横向斜撑加强型每千米需增设1 000根支杆，每根斜杆长为1.38 m，1 km所需钢材约为10.83 t，花费为4.50万元左右;③斜向斜撑加强型每千米需增设1 000根支杆，每根斜杆长为2.43 m，1 km所需钢材约为17.0 t，花费为7.0万元左右;④组合斜撑加强型为横向斜撑和斜向斜撑的组合，每千米花费为11.50万元。具体花费如表3所示。

2.2.3 结论。对上述分析结果进行总结，可得出以下几点结论。

①在不阻止车辆向平行于波形梁护栏板方向行驶的情况下，横向斜撑能较大限度地承受汽车水平方向的冲击力，同时横向斜撑还能很好地调整车辆行驶方向，给车辆一定的缓冲空间，安全有效地阻止车辆冲破护栏驶向对向车道。

②不同高度的横向水平支撑防撞提升效果并不明显。

③斜向斜撑能够降低立柱直接往行车方向弯倒的可能性，对防撞能力的提升也有一定效果，但在大角度撞击时极易发生垂直于支杆平面的受弯屈服破坏，从而使提升效果下降明显。

④组合结构强度及刚度太大，缓冲效果不好。

⑤各种设计方案每千米所需费用相差不大，横向横撑费用最少，组合斜撑费用最高。

综合比较，横向斜撑在任意车辆碰撞角度下，不论是对小型车还是大型车，在防撞能力提升效果及安全性上均优于其他方案，而且横向斜撑所需费用相对较低。本文认为横向斜撑的加强方案为此种加强方式的最佳选择。

3 应用前景

3.1 经济性

较之于全部替换为新结构护栏或使用柔性材料护栏的改造方案，本文所述护栏加强方法更为经济。以比选所得的最优加强方式横向斜撑和材料用量较大的斜向斜撑加强为例：目前市场上已有的中分带新型防撞护栏，如旋转桶护栏，每个旋转桶的价格大约为1 400元，1 km花费则高达上百万元。预应力钢索护栏虽然制作安装成本不高，但拆除原结构再重新安装新结构，整个过程仍需花费几十万元。不同护栏加强方式每千米所需费用如表4所示。

3.2 可实践性

本设计采用增设斜撑支杆的方式使中分带两侧立柱协同受力，结构简单，可在原结构基础上施工，直接采用焊接、抱箍或者螺栓连接等方式直接连接在原有立柱上，所需材料少，具有以下特点：防撞能力强、施工安装方便、经济、施工对交通影响小、不会损伤原有路面结构。

4 结语

本文将结构及受力简化后利用伪静力法、材料力学和结构力学相关理论，建立车辆碰撞模型，并计算各种结构所能承受的最大撞击速度，对各种结构的计算结果对比分析。分析结果表明，增设横向斜撑的护栏加强结构具有提升效果显著、经济实用、施工简单、对交通影响小等优点，与我国高速公路护栏改造的现状及需求都较为符合。文中所述的加强型护栏不仅加强了高速公路中分带波形梁护栏防冲击力性能，防止護栏折断，而且有力保障了高速公路上车辆的行驶安全，尤其是确保了逆向行驶车辆的安全，大大降低了重大交通事故的发生概率。

当然，支杆加强型护栏的设想和设计也只是浅尝辄止，在具体实施方法、支杆截面形式选择以及护栏的整体防撞性能上还有待进一步探索和研究，希望能为护栏改造工程提供一定的参考价值。

参考文献：

[1]闫书明，白书锋.钢管预应力索防撞活动护栏开发[J].交通运输工程学报，2010（2）：45-49.

[2]张誉，赵鸣.汽车冲撞刚性护栏冲击力的计算[J].土木工程学报，1995（6）：37-42.

[3]杜云海.材料力学（Ⅰ）[M].郑州：郑州大学出版社，2012.

[4]于玲玲，杨正光.结构力学[M].2版.北京：中国电力出版社，2014.

[5]陈岳峰，陈礼彪，曾俊铖.高速公路在用波形梁护栏适应性评价和提升改造技术研究[J].公路交通科技，2019（9）：124-128，149.

[6]中华人民共和国交通部.公路交通安全设施设计细则：JTG/T D81—2006[S].北京：中国标准出版社，2006.

[7]富志鹏，吴智勇，荆琳.高速公路中央分隔带波形梁护栏高度的研究[J].公路交通科技，2010（9）：143-148.