便携式道路防撞护栏加劲肋增强结构方案研究

王广政 丁家立 赵慧爽 杨晓旭

(1.陆军工程大学，江苏 南京 210007； 2.南京市江宁区公路管理站，江苏 南京 211100)

1 概述

灾害条件下道路交通应急保障中，确保抢险装备和车辆的行驶安全，是未来一定时期、一定条件下交通应急救援的重要内容。特别是山区和高原地区道路急弯陡坡路段，在车辆荷载快速机动过程中，容易出现侧滑、翻车等交通事故。而现有的防撞护栏，往往存在着防撞能力弱、便携性差等不足，需要提前埋桩安装，安装速度慢，工期长，很难做到伴随保障的高效灵活性。特别是西部高原高寒地域的应急抢险行动中，大部分高原道路的护栏设置数量不足，急需一种便携可靠，可快速组装与拆卸、又具有足够防护能力的便携式护栏，以满足灾害条件下道路交通应急保障的需求。本文主要在现有半刚性护栏结构形式的基础上，对结构的装配形式和立柱结构形式进行改进设计，以满足防撞、人工快速拆装和便携性的需求。

2 结构方案设计

为了实现护栏器材的便携性，又能满足护栏本身应有的防撞性能，拟选用半刚性护栏作为改进设计的基础。根据JTG D81—2017公路交通安全设施设计规范中的相关规定[1]，选用3A级波形梁护栏结构构件防护标准的基础上，进行改进设计。

2.1 总体结构形式

综合考虑护栏的安全性、可开启性、易于维护性、可更换单元组件等多方面因素，为提高立柱的抗弯能力和便携性，护栏采用一柱单板插拔式结构形式(见图1)，主要由双波梁板与防阻块、加劲肋增强型立柱、底盘和连接构件组成。其中，双波梁板为长4.32 m的标准构件；加劲肋增强型立柱是由圆柱形钢圆筒和四个加劲肋焊接而成。为使设计的立柱既能满足防撞强度要求，又能够便携耐用，加劲肋增强型立柱分两种方案进行设计，方案一为单加劲肋增强型，方案二为双加劲肋增强型，其最佳方案应通过比选确定。连接构件包括底盘与地面的连接构件，以及立柱加劲肋与底盘的连接等。

整个护栏采取现场拼装的形式组合而成。立柱长度为地面以上高度，立柱与地基的连接固定，是通过底盘实现的。组装时，先将圆形底盘的孔洞对准埋桩点，将钢钎自孔砸入地下将圆形底盘固定，再将上部立柱的一个单耳(方案一)或两个双耳(方案二)与圆形底盘的双耳对准用M20的轴销进行连接固定；立柱安装好后，即可用M20轴销将上部波纹板、防阻块与立柱横向连接固定，从而完成整个立柱的埋设。

2.2 单元构件设计

按照结构部位，护栏分为上中下三个部分。

1)上部结构：主部结构为立柱、防阻块与双波梁板。双波梁板(310 mm×85 mm×4 mm)采用4 mm厚的标准波纹钢板进行设计，防阻块(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)，材料均采用Q235号碳素钢材。立柱、防阻块通过轴销与立柱连接固定。立柱设计了两种方案：

方案一(见图2)：为圆筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4个300 mm×60 mm×6 mm对称的加筋肋设计，筋肋上设单耳(φ45 mm×22 mm)，单耳与筋肋采用一体式设计，通过焊接与立柱连接。

方案二(见图3)：为圆筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4×2个300 mm×60 mm×6 mm对称的加筋肋设计，筋肋上设双耳(φ40 mm×22 mm)，双耳与筋肋采用一体式设计，通过焊接与立柱连接。

2)中部结构：中部结构为圆形底盘，是与立柱与地基连接的重要部件，为使之能与立柱相配套，且能与立柱结构形式相配套，对应设计了两种方案：

方案一：底盘(φ281 mm×10 mm)圆周上设有4个对称的双耳(φ45×22 mm)，双耳中间设有均匀分布的φ32 mm的圆孔，如图4所示。

方案二：底盘(φ220 mm×10 mm)圆周上设有4个对称的三耳(φ40×22 mm)，三耳中间设有均匀分布的φ32 mm的圆孔，如图5所示。

3)下部结构：为4个尺寸为φ30 mm×500 mm的45号钢钎,钢钎的一侧顶端削尖(φ40 mm×10 mm)(见图6)，方便护栏的安装和开启。

2.3 连接设计

由于立柱为结合式结构，立柱结构间需要合理的连接方式，来保证护栏整体具有很好的防护能力，通过对现有的几种连接方式进行比对，选择合理的连接方式。现有的连接方式有三种形式，分别是销连接，螺栓连接和波纹板搭接。其中螺栓连接和波纹板搭接需要扳手才能实现安装，费时费力，效率较低。而销连接方式只需拔开销子就可，方便开启。综合考虑以上因素，为便于各构件拆装，实现便携和人工作业的目的，拟采用销连接设计。上部波纹板与立柱之间、立柱加劲肋与底盘之间均采用45号钢材的M20销钉进行连接，材料选用40Cr,以方便拆卸组装(见图7)。而底盘与地基之间，采用圆形顶端削尖的45号钢钎，以方便护栏的安装和开启。

3 防撞性与便携性分析

为验算结构是否满足防护要求，需要对结构整体和各构件进行受力计算，分析论证其可行性。根据目前国内外对波形护栏设计计算的理论研究和实践，大部分是将护栏作为一个整体，来求解车辆碰撞护栏的作用力，然后验算分析护栏的结构强度[2]。基于上述研究思路和成果，本文针对两种加劲肋增强设计方案的便携式道路防撞护栏的特点，进行了防撞能力与结构性状的分析与比选。

3.1 防撞性能分析

1)设计碰撞冲击力分析。

文献[3]通过对车辆与护栏碰撞过程进行分析，建立了“双弹簧串联的单自由度系统”模型，通过护栏的允许位移和车辆模型求出护栏的模量，并根据力与能量平衡原理求出车辆碰撞护栏的最大冲击力[3,4]：

(1)

其中，k2=0.003mθ+0.012 1m+0.551 7θ+164.797 8 kN/m；m为车辆荷载的质量，规范规定的最大荷载为大货车10 t。从灾害救援时运输车辆装备实际出发，保守考虑，本设计取载重车辆满载时设计荷载13 t，车速V按二级公路等级取60 km/h，小型客车仍按重量1.5 t、车速V按100 km/h考虑；x1为波形护栏的变形，可参考规范保守取值0.5 m；θ为车辆与护栏相撞的夹角，本设计取20°；v为车辆与护栏相撞时垂直方向的分速度,m/s。

考虑到应变率强化效应的影响，得到了护栏碰撞力设计值的计算方法[3,5]:

(2)

根据上述计算原理与方法，可计算出在上述碰撞条件下的车辆与护栏碰撞的最大碰撞力Fmax=226.05 kN，考虑应变率强化效应后的设计碰撞力Fdes，为155.89 kN。

2)结构破损极限荷载分析。

路侧防护栏在受到发生意外的车辆冲击碰撞时，会发生内弧式破坏模式和外弧式破坏模式两种破坏模式[3,4]。鉴于外弧式破坏模式的耗能能力强于内弧式，本设计选取的控制破坏模式为五跨内弧式破坏模式。结构破损极限荷载为结构的耗能与车辆缓冲距离Δf的比值。而结构的耗能主要由立柱弯曲消耗的能量、波形梁拉伸与变形消耗的能量、防阻块消耗的能量三者组成，根据文献[4]的计算方法，对上述护栏结构尺寸可分别计算立柱消耗的能量Dp、波形梁Dw和防阻块消耗的能量Db，而得到结构破损极限荷载R=159.67 kN。

可见，在此防撞条件下，结构破损极限荷载略大于设计碰撞力155.89 kN。说明上述波形梁护栏结构尺寸，在防撞能力上基本满足设计要求。

3.2 便携性分析

能否实现护栏器材的便携性，不仅反映在针对性的组装与连接设计，更需要从护栏器材的重量上考虑，以判断能否实现人工快速拆装和便携性的需求。

根据设计的护栏结构尺寸和材质，分别计算除波形梁板标准件外的护栏重量。方案一的立柱用量0.000 85 m3，底盘用量为0.000 99 m3，钢钎用量为0.001 423 m3，总重量为0.003 26 m3，利用Q345钢材的密度，可计算出方案一的护栏总重量约为26 kg；方案二的立柱用量0.001 502 m3，底盘用量为0.000 757 m3，钢钎用量仍为0.001 423 m3，总重量为0.003 68 m3，可计算出方案二的护栏总重量约为29 kg。对于重量30 kg左右的护栏来说，两人一组人工搬运非常容易实现，由此可见，两种方案均能满足人工快速拆装和搬运的需求，具有较好的便捷性。而方案二相对于方案一，重量仅相对增加了3 kg左右，但进行了4对双肋板加强，在增强立柱稳定性能方面具有更大的优势。

4 结论

通过对便携式道路防撞护栏加劲肋增强结构方案设计和性能分析，得出了如下结论：

1)从防撞能力的角度看，本文初步设计的护栏结构尺寸能够满足规范中规定的道路防撞护栏等级要求，可适用于灾害条件下重型车辆装备以60 km/h车速行驶的防撞需求；

2)从便携能力的角度看，改进设计的两种加劲肋增强结构方案，均能满足人工搬运与组装的要求，具有较好的便捷性。工程实践中，可根据交通应急保障的需要，快速在相应路段人工便捷地设置和拆除该型防撞护栏，实现交通保障的应急防护需求，其中，方案二在增强立柱弯拉稳定性方面，具有更好的优势；

3)从增强防撞安全性的角度来看，由于前文分析得出的结构破损极限荷载，仅仅略大于设计碰撞力，但安全系数较小，可以考虑增加护栏的钢材性能，加大其屈服强度，以提高其结构破损极限荷载的大小，增强其防撞能力[6]。

可见，本文设计的便携式道路防撞护栏加劲肋增强结构方案，拆装方便、机动灵活、防撞性能基本满足重型车辆装备安全行车需求，为灾害条件下道路应急保障开辟了新途径[4]。

当然，判断一个新型护栏结构能否真正满足使用要求，不仅要从防撞性能上进行分析，更要从材料质量、加工工艺以及地基状况、使用环境条件等方面进一步考虑分析，特别是在立柱没有埋深或埋深较浅的情况下，需要验算增强肋板与立柱的焊接强度和构件连接强度等。未来灾害条件下的道路行车保障中，所处地理、地质环境复杂，不可预见因素较多，需要结合实际具体分析，以优化设计方案。