一种中央分隔带分离式改进混凝土护栏的研究

张 淑 宝

(漳州厦蓉高速扩建工程有限公司，福建 漳州 363000)

0 引 言

中央分隔带分离式混凝土护栏由于其防护等级高，对于轻微的车辆碰撞，一般无需维修，已越来越广泛地应用于高速公路上。为了不影响中央分隔带的管线埋设，通常采用嵌固式基础，护栏墙体放置在枕梁上，两侧墙体之间设置支撑块，依靠路面和支撑块的嵌固作用使护栏结构保持稳定。护栏墙体为预制形式，每节长4 m，预制段上预埋连接螺栓，用连接方钢将护栏纵向连接成整体。安装后，路面距护栏顶面100 cm，采用加强型坡面，护栏高度及坡面形式均与JTG/T D 81—2017《公路交通安全设施设计细则》(以下简称《设计细则》)一致。

混凝土护栏一般为墙式护栏，对于梁柱式混凝土护栏则需要特殊开发[1]。由于公路路面养护时，路面罩面一般厚度不大，根据JTG D 81—2017《公路交通安全设施设计规范》(以下简称《设计规范》)及《设计细则》的要求，当路面罩面厚度小于(含)7.5 cm，即路面将混凝土护栏底部的7.5 cm直面完全覆盖，中央分隔带分离式混凝土护栏总高度降低为92.5 cm时，护栏的防护等级仍然可以达到SAm级；但当罩面厚度大于10 cm，即护栏高度为90 cm时，车辆在碰撞护栏后出现了翻车现象[2](图1)，不能满足SAm级防护等级要求，因此需要对护栏进行加高，以提升护栏的防护性能。

图1 车辆碰撞护栏后翻车

如果采用混凝土植筋加高或者混凝土预制块加高，则不仅难以保障体积较小的现浇混凝土或混凝土预制块自身的结构强度，而且会增加混凝土块后期的维修养护难度；如果采用组合式护栏加高，则根据《设计细则》要求，组合式护栏的总高度应在标准混凝土护栏的基础上增加10 cm，即护栏总高度为110 cm，这不但会增加提升方案的实施难度，而且对原护栏的景观效果有较大影响。为保持护栏原有的景观效果，同时降低改进护栏在施工时对现有中央分隔带内绿植的影响，护栏的高度以保持100 cm高度较为合理。

笔者参考文献[3-9]，将组装式钢构件与原有混凝土护栏进行连接，得到了一种改进混凝土护栏，并进行了仿真分析和实车足尺碰撞试验。研究表明：改进混凝土护栏的防护等级满足JTG B 05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》(以下简称《评价标准》)的SAm级(五级)防护要求。

1 改进混凝土护栏结构

中央分隔带分离式改进混凝土护栏由原混凝土护栏及增加的组装式钢构件组成，如图2。组装式钢构件包括横梁、套管、支撑梁和连接螺栓等。

图2 改进混凝土护栏

由于护栏顶部的宽度较窄，为保证顶部横梁可靠连接，采用植入螺栓的方式连接，横梁纵向之间设置套管；为降低施工难度，减少植入螺栓数量，拼接螺栓与连接螺栓共用。鉴于护栏增高后无法增加种植土厚度，导致上部护栏结构在受到碰撞时变形增大。因此，在两侧横梁之间每2 m增设1个支撑梁，支撑梁与横梁之间的连接也采用与连接螺栓共用的方式。为便于施工，拼接处采用单侧(内侧)开口型横梁和套管，如图3。套管螺栓孔为通孔，支撑梁主断面为槽钢，两端焊接钢板，可直接扣接在连接螺栓上，支撑梁与套管连接后可约束套管的移动。

图3 套管

提升结构的施工顺序为：在原混凝土护栏顶部钻孔→植入化学螺栓→套入横梁→放入套管→套入支撑梁→拧紧螺栓→完成安装。

2 改进混凝土护栏仿真分析

2.1 仿真模型建立

建立改进混凝土护栏的仿真模型(图4)，模型主体采用solid单元(混凝土)+ beam(钢筋)单元建立。护栏后部的连接型钢采用beam单元建立，横梁及支撑均采用shell单元建立。根据《评价标准》要求，护栏模型总长度设为40 m，采用嵌固 + 枕梁 + 支撑块的约束方式。

图4 改进混凝土护栏仿真模型

2.2 仿真分析

选择小轿车、大型客车及大型货车3种车型来仿真分析改进混凝土护栏的防撞性能，并与标准型护栏分析结果[2]进行对比。

2.2.1 小轿车碰撞

由图 5 仿真碰撞过程可见：小轿车与改进混凝土护栏发生碰撞后，车辆能安全驶出，没有翻车、穿越、骑跨等现象发生；改进混凝土护栏主体没有明显的破坏。

图5 小轿车碰撞改进混凝土护栏过程

1)小轿车乘员加速度a

由于混凝土护栏坡面的主要作用是使小轿车在与护栏发生碰撞时沿护栏的坡面爬升，从而增加车辆与护栏的碰撞作用时间，降低车辆乘员碰撞后加速度。当路面加铺厚度t> 7.5 cm时，原护栏底部的部分坡面被新路面覆盖，坡面长度降低，导致车辆乘员碰撞后加速度值变大。小轿车与改进混凝土护栏及标准型护栏发生碰撞后乘员加速度变化如图6。由图可见：车辆乘员纵向加速度ax、横向加速度ay均不大于200 m/s2，满足《评价标准》的要求。

图6 小轿车与混凝土护栏碰撞后乘员加速度曲线

2)小轿车重心高度HG

图7、图8分别为小轿车与改进混凝土护栏及标准型护栏发生碰撞过程中，车辆重心高度变化曲线和最大爬高形态。由图可见：以初始状态为0点，小轿车沿改进护栏的爬升高度明显小于标准型护栏的，重心最大爬升高度由395 mm降为75 mm。

图7 碰撞护栏过程中小轿车重心高度曲线

图8 碰撞护栏过程中小轿车最大爬高形态

2.2.2 大型客/货车碰撞

由图9大型客/货车与改进混凝土护栏发生碰撞的仿真过程可见：车辆均没有翻车、穿越、骑跨等现象发生，车辆均安全驶出，护栏的阻挡功能、缓冲功能和导向功能均满足《评价标准》要求。

图9 大型客/货车碰撞改进混凝土护栏过程仿真

图10为大型客/货车仿真碰撞后，改进混凝土护栏的支撑梁和横梁应力云图，可见：

图10 大型客/货车碰撞后改进混凝土护栏支撑梁及横梁应力云图

1)改进混凝土护栏中，上部增加的横梁起到了主要拦截作用，大型客车碰撞时，横梁变形较小，碰撞点附近套管处横向支撑梁变形较为明显，应力峰值达到400 MPa。

2)大型货车碰撞时，由于车辆上部结构变形较大，车辆与横梁和支撑梁剐蹭，导致有3根支撑梁产生破坏，但没有影响车辆的正常驶出。

3 改进混凝土护栏实车碰撞试验

在具备CNAS检测资质的北京深华达交通工程检测有限公司碰撞试验场地，按照1∶1比例修筑混凝土护栏，并按照《评价标准》的SAm级(五级)碰撞条件进行实车足尺碰撞试验。改进混凝土护栏由两侧中央分隔带混凝土护栏墙体、种植土、支撑梁、加高横梁及套管、连接螺栓等组成。支撑梁为槽钢770 mm × 120 mm × 61 mm；加高横梁为矩形梁150 mm × 100 mm × 6 mm × 3 980 mm；拼接套管为矩形管120 mm × 80 mm × 8 mm × 300 mm；混凝土护栏高度900 mm，加高横梁高度100 mm，护栏路面以上总体高度1 000 mm；护栏共计安装10节，单节长度4 000 mm，安装总长度40 000 mm，混凝土强度等级为C30；加高横梁通过化学锚栓锚固于混凝土护栏顶部。

改进混凝土护栏实车碰撞试验后的照片如图11，试验结果及评价指标见表1。

图11 车辆碰撞后改进混凝土护栏照片

由图11可见：小轿车碰撞后，改进混凝土护栏无明显变形；大型客、货车碰撞后，改进混凝土护栏的支撑梁分别出现了2～3处局部破坏，但均没有对车辆的行驶轨迹造成不利影响。

由表1可知：笔者提出的中央分隔带改进分离式混凝土护栏的防护等级可满足SAm级防护要求；根据试验大型客车的碰撞条件——车辆质量14 120 kg，碰撞速度82 km/h，碰撞角度20.4°——计算，改进混凝土护栏的防护能量最高可达445 kJ。

表1 改进混凝土护栏实车碰撞试验结果

4 结 语

设计了一种中央分隔带分离式改进混凝土护栏；分别选用小轿车、大型客车、大型货车3种车型，对改进混凝土护栏进行了仿真碰撞分析及实车碰撞试验。研究表明：小轿车碰撞后，乘员碰撞加速度值满足评价标准要求；大型客车及大型货车碰撞后，改进混凝土护栏的支撑梁及横梁产生变形，但能有效阻挡并导向车辆；改进混凝土护栏的各项评价指标均能满足评价标准要求，防护等级可达到SAm级。