高强钢轻量化波形梁护栏应用分析

王利军

(沈阳三鑫集团有限公司 沈阳市 110148)

波形梁钢护栏是公路交通安全设施的重要组成部分，应用广泛。现行标准下公路波形梁护栏需用钢材较大，通过提升钢材强度等级和相关性能，减轻护栏材料重量，从而达到节能降耗、降低成本的效果，市场应用前景广阔。

1 现行标准下波形梁钢护栏使用状态分析

1.1 我国公路波形梁钢护栏的使用现状

根据行业相关数据统计，从2014—2019年我国平均每年公路里程增长量约为12万公里，2019年全国公路总里程达到501万公里。根据《国家综合立体交通网布局》，到2035年国家高速公路网达到16万公里、普通国道网公路达到30万公里。护栏用钢量每年超过500万吨以上，整个护栏用钢量巨大。

1.2 现有波形梁钢护栏的优化空间

(1)目前公路波形梁钢护栏采用的标准是GB/T 31439—2015(以下简称原国标)中规定的护栏构件原材料力学性能和化学指标应不低于GB/T 700—2006规定的Q235牌号钢的要求,主要指标为屈服强度不小于235MPa、抗拉强度不小于375MPa、断后伸长率不小于26%。而最早提出该材料的标准JT/T 281—1995是1995年制定的。现在市场通用钢材均为Q235牌号钢。经过多年的发展，钢材强度等级和相关性能有了大幅度提高，目前的通用的材料等级很难满足社会发展的需要，亟需升级。

(2)公路波形梁钢护栏主要由波形梁板、立柱、端头、防阻块、加强横梁等构件组成，按波形梁板宽分为两波和三波波形梁钢护栏。两波波形梁板主要规格为4320×310×85×3(4)mm，重量为49.16(65.55)kg/片；立柱规格为Φ114(140)×4.5mm，重量为12.15(15.04)kg/m[1]；三波波形梁板主要规格为4320×506×85×3(4)mm，重量为76.3(102)kg/片；立柱规格为Φ140×4.5mm、Φ130×6mm，重量为15.04、22.6kg/m[2]。耗费大量材料，不利于节能减排及绿色发展，重量亦需要减轻。

(3)材料笨重，安装不便。以4mm三波形梁钢护栏为例每片重102kg，至少需要四个工人安装，对人力要求较高，安装时十分不便。

(4)物流运输消耗大。目前国内波形梁钢护栏材料生产主要布局在山东、江苏等省份，材料到达施工现场近则几百公里，远则上千公里。常规公路运输货车载重不超过40t，产品笨重对物流也是一种压力。

综上所述，公路护栏的轻量化势在必行，轻量化设计可以非常有效地改善以上的问题。经理论计算，提高护栏用钢强度可以有效提高护栏的安全性；在强度相当的情况下钢板的断后伸长率越高，其安全性能越好。且护栏的轻量化有利于减少钢铁材料的耗费，节约大量材料资源，降低能耗，减少碳排放，降低成本；公路护栏材料重量减轻，能大幅度降低物流和人力成本，减少汽车尾气的碳排放量，对环境更友好。如此大体量的公路护栏市场，公路护栏轻量化会产生巨大的经济效益和社会效益，对企业、社会和国家来说是十分必要的。

2 《高强钢轻量化波形梁护栏》的技术特点

针对现行标准下波形梁钢护栏存在的问题，中国交通运输协会于2020年9月发布了《高强钢轻量化波形梁护栏》[3](T/CCTAS 16—2020)团体标准(以下简称新团标)。在满足护栏安全性能的前提下，提出使用高强钢材料，适当减薄护栏产品厚度，减少钢铁材料消耗，降低能耗，减少排放。使用高强钢材料不仅制造成本得到控制，同时也有效降低了物流运输以及安装维护成本。

新团标要求波形梁钢护栏的波形梁板、背板、立柱、横梁、防阻块等构件用基底金属材料为高强度钢，力学性能及化学指标为屈服强度不小于700MPa、抗拉强度不小于750MPa、断后伸长率不小于17%。

新团标对波形梁板尺寸规格要求为4320×310×85×2.1mm(B级)、4320×506×85×2.2mm(A级)、4320×506×85×2.7mm(SB、SA级)；立柱尺寸规格要求为Φ114×3.0mm(B级)、Φ140×3.0mm(A、SB级)、Φ130×4.3mm(SA级)。

3 波形梁护栏轻量化对比

选取目前国内高速公路波形梁钢护栏常用的A、SB、SA三类防护等级，以材料重量占比较大的波形梁板、立柱、防阻块、加强横梁四类材料为基础，对比分析原国标与新团标材料规格和重量的差异表1。

表1 原国标与新团标材料重量差异化分析

以辽宁省正在实施的某高速公路波形梁钢护栏材料用量为例，综合计算新团标的轻量化率表2。

表2 某高速采用轻量化后材料重量差异化分析

通过上述高速公路波形梁钢护栏轻量化分析原设计方案需用钢材3918t，轻量化后需用钢材2430t，预估可节约钢材用量1488t，轻量化率37.98%。经初步了解高强钢轻量化波形梁护栏材料的单价为Q235材料单价的1.3倍，若采用高强钢轻量化波形梁护栏，预估本项目材料费可降低500万元，造价降低率达到19.4%。护栏设计总量81.7km(单侧)，材料价格可降低61000元/km。轻量化后节能效果及经济效益明显。

4 高强钢轻量化波形梁护栏的优点

目前国内某公司已研制出适合高强钢轻量化波形梁护栏所需材料。该产品已通过国家交通安全设施质量监督中心碰撞试验，有五个防撞等级的试验报告(B、A、SB、SA、SS级)，满足新团标要求。已经在吉林省长春东收费站主线项目、四川成宜高速公路项目、江苏常州溧阳G104项目、广西荔浦-玉林高速公路项目等多条高速公路得到应用，效果良好。该材料相较于传统的Q235材质波形梁护栏具有如下优点：

(1)材质更优，防撞更好

相比现有Q235钢材，高强钢屈服强度提高了665MPa，提高率283%；抗拉强度提高了375MPa，提高率100%；断后伸长率降低了9%，降低率35%。

屈服强度和抗拉强度的提高大大提升了钢护栏的防撞性；断后伸长率的降低保证材料具有更好的抗高温和抗低温特性以及性能稳定性。

(2)节能减排，绿色环保

高强钢轻量化护栏的应用将极大降低钢材的使用量，与现行的同防撞级别护栏相比可实现30%～45%的轻量化率，有效减少了对不可再生资源的消耗；降低了碳的排放量及炼钢过程中标准煤的使用量；同时材料运输效力有很大提升，节约了运输费用和减少运输车辆尾气的排放量。

(3)养护施工，高效便捷

高强钢轻量化护栏更有利于后期养护，有效解决了目前SB级护栏在路面加铺后不能提升的缺点，一定程度上提高了施工工效，同时降低了养护成本。

(4)成本更优，方便安装

高强钢轻量化护栏材料在保障安全性能的前提下，相比同防撞级别其他钢护栏材料单位造价更低，安装工效更高。

5 轻量化波形梁钢护栏的应用效益分析

通过对我国公路护栏现状(每年改造使用Q235公路波形梁钢护栏产品的普通公路按11万公里计，按每公里使用30t钢护栏，每年需330万吨产品。高速公路按每年8000km，每公里200t用钢计，高速公路及普通公路每年合计需要公路波形梁钢护栏产品约500万吨)和高强钢轻量化波形梁护栏优势的分析，高强钢轻量化波形梁护栏的应用能够带来巨大的社会效益。

高强钢轻量化波形梁护栏，带来传统行业的变革和巨大的社会效益，实现节能减排、绿色环保，效益分析如下：

(1)降低碳排放、节约能源

以吨钢产生2.1t的CO2排放测算，每年节约钢材165万吨，可实现碳排放每年减少346.5万吨。

以吨钢消耗571kg标准煤测算，每年可节约标准煤94.2万吨，可大幅度节约煤炭等不可再生资源，并大量减少能源消耗。

(2)降低运输成本

我国公路护栏年用钢量为500万吨，若采用轻量化的新型公路护栏年用钢量为335万吨。按运输车辆每车装货32t为例，运输现有公路护栏车辆约需156250辆，运输新型轻量化公路护栏车辆只需104688辆，运输车辆减少51562辆，车辆运输成本降低约33%。

以柴油货车消耗柴油0.0606L/(t·km)为例，单位周转量碳排放量0.1553kg/(t·km)计算[4]，51562辆货车若运距为1000km，则可减少CO2排放量为25.6万吨。

(3)降低工程造价

以现市场Q235护栏均价每吨6600元、用量500万吨；高强钢护栏每吨8600元、用量335万吨(按平均33%的轻量化率计算)，预估每年可节约护栏材料费41.9亿元。