基于最大横向动态位移外延值的中央分隔带节地型分设式波形梁护栏研究

邰永刚

(北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京 100191)

0 引言

公路尤其是山区公路在建设时，其建设条件困难，涉及到大填大挖、征地困难等问题，因此路基宽度成为山区公路建设中的一项主要经济指标控制因素。在我国现行公路设计规范中，对于车道宽度、路肩宽度等横断面指标，均已给出了相应的设计参考值，而对于在采用极限值条件的横断面指标中，现行安全设施设计规范中并没有给出完整的全等级护栏设置方法，例如针对0.5 m土路肩的情况，规范中仅给出了A级路侧护栏的标准图，对于其他等级护栏如何设置没有给出具体参考。同样，在中分带护栏设计标准图中，给出了中分带设置相应等级分设型波形梁护栏的最小宽度[例如：规范中关于SBm级分设型波形护栏的设计明确了其中央分隔带宽度最小值为1 795 mm(设计速度不大于100 km/h)]，而对于小于此宽度时能否设置分设型波形梁护栏没有明确规定，其应用具有局限性。

目前我国公路常用的中央分隔带护栏主要类型有波形梁护栏和混凝土护栏。其中，波形梁护栏的主要特点是结构通透，视线诱导效果好，但是在护栏遭受到车辆碰撞后，其动态变形量较大，且高等级波形梁护栏造价较高；而混凝土护栏的主要特点是防护能力强，造价与养护费用低，但施工周期长，景观通透性较差。出于节约建设用地的考虑，国内湖南邵永高速公路、怀通高速，广西桂柳高速公路和云南昆玉高速公路率先引入了中间带优化设计理念，采用整体式混凝土护栏代替原有的波形梁护栏(见图1)。虽然整体式混凝土护栏能够大幅缩减中央分隔带宽度[1]，但由于混凝土护栏景观通透性较差、无法绿化等因素，并未大范围推广应用。国内已有部分对混凝土护栏景观性能的相关研究成果，例如湖南省常吉高速公路结合当地的人文特点，研究开发出凤凰型混凝土护栏[2]，在保证行车安全的同时，体现了公路沿线自然和人文特点，增添了车辆行驶过程中的舒适感。另外，青海花久公路将桥梁梁柱式护栏应用于路基中央分隔带护栏[3-4]，同样降低了中央分隔带宽度，提升了中分带护栏的景观效果，但梁柱式护栏由于成本高、养护不便等因素，目前并未在其他道路推广应用，见图2。国外针对窄路基中分带的护栏，也主要是采用混凝土护栏和组合型波形梁护栏[5-6]，鉴于目前公路中央分隔带中波形梁护栏的普及率仍然较高，而分设型护栏又具备绿化的优势条件，有必要针对窄路基条件下分设型波形梁进行相应的研究，以满足节地型公路建设发展的需要。

图1 节地型整体式混凝土护栏Figure 1 Land-saving integral concrete barrier

图2 节地型梁柱式中央分隔带护栏Figure 2 Land-saving beam-column median barrier

1 分设型波形梁护栏结构分析

波形梁护栏属于连续的梁柱式结构，在车辆碰撞护栏的过程中，最先接触的波形梁板通过波纹的展开变形吸收部分碰撞能量，并将剩余的碰撞能量分散作用到多根立柱上，最后通过立柱弯曲变形和土基压缩变形吸收部分碰撞能量，护栏板的刚度和强度迫使事故车辆改变行驶方向，回到正常行驶状态[7]。

根据现行规范要求，分设型中央分隔带波形梁护栏两侧护栏宜平齐布置[8-9]，如图3所示，此种布设方式针对宽度较大的中央分隔带路段较为合理，根据以往碰撞试验结果，车辆在与护栏发生碰撞时，由于单侧护栏已具备足够的变形空间，因此并不会较大影响对向护栏，也就不会影响对向车道的安全行车，而碰撞事故发生时一般是瞬时事故，只要护栏永久变形未侵入到对向行车道，影响对向车道就可以忽略不计。以3 m中央分隔带试验为例，护栏最大动态变形量1.05 m，车辆最大动态外倾当量值1.65 m(见图4)，对向护栏无变形。

图3 分设型波形梁护栏Figure 3 Separate W-beam barrier

图4 最大动态外倾及最大永久变形

从上述试验结果可以看出，在标准SB级护栏净宽为2 m(两侧C值各0.5 m)的条件下，双向护栏在碰撞过程中基本没有发生干涉，既没有影响对向车道，但根据试验数据分析，如果护栏净宽为1 m，则双向立柱必然会发生干涉，从而导致对向护栏发生变形，可能影响对向车道的行车安全(见图5)。

图5 护栏立柱发生干涉图Figure 5 Picture of interference forms of barrier posts

根据国外相关文献资料[6]，中分带护栏的设置一般是以不影响对向车道的安全行车为主，即不侵入到对向行车道。同时对向车道的左侧路缘带可以一定程度上保障部分偏离车道的车辆有一定的缓冲反应时间，从而避免直接撞击到护栏。因此中央分隔带分设型护栏变形的控制仍以路缘带边缘线为界限，以最大横向动态位移外延值为控制指标，即护栏的变形量不要侵入到路缘带内，但可以占用C值，以最大限度地减少对对向车道的行车安全影响。

2 护栏变形量控制方案研究

2.1 控制方案

由于中分带宽度已无法改变，要控制护栏变形量，则必须通过在护栏结构上进行相应的改进设计，鉴于高速公路中分带护栏景观要求，目前SBm级三波梁护栏的外形结构应尽量保持不变，因此提出的护栏技术方案主要以提高立柱承载力和提高横梁刚度为主，从而降低护栏的最大横向动态位移外延值。

方案1：加密立柱。

根据现行规范要求，在立柱承载力不足、保护层厚度不足时，可采用加密立柱的方式提高护栏的承载力。而对于中央分隔带护栏，由于种植土的影响可能导致护栏立柱的承载力下降，因此如果采用加密立柱的方式，则护栏的变形量得到有效控制。

方案2：增加支撑。

在SB(SBm)级护栏结构中，护栏板与立柱协调性较好，护栏的变形量主要是受到立柱变形的影响，因此对护栏变形量的控制能以控制立柱变形为重点。目前在一些中分带护栏改造方案中，提出了增加横梁支撑的方案，即增加横向支撑，使两侧护栏可以协同受力，从而提高护栏的承载力、降低变形量，但对于波形梁护栏来说，如果采用上部支撑的方案，则迎撞侧护栏发生变形时会迅速将碰撞力传递到对向护栏，可能增大对向护栏的变形。为降低支撑给对向护栏的影响，考虑采用增加斜撑的方式(见图6)，迎撞侧支撑在护栏板中心位置，另一段支撑在对向护栏的立柱根部，降低迎撞侧护栏变形给对向立柱的变形影响。

图6 6斜向支撑方案Figure 6 Scheme of diagonal support

方案3：立柱错落布置。

通过护栏受力机理分析发现，分设型两侧护栏过早地接触并不利于护栏防护性能的发挥，相反，应该尽量延迟两侧护栏发生接触的时间，以充分发挥迎撞侧护栏的阻挡功能。对窄路基中央分隔带护栏来说，护栏立柱间距较小，立柱一旦变形就很容易碰撞到对向立柱，从而使对向护栏发生变形，因此将护栏立柱进行错落布置(见图7)，增大立柱的变形空间。

图7 立柱错落布设方案Figure 7 Layout scheme of staggered posts

方案4：提高立柱基础承载力+立柱错落布设。

对于中分带护栏立柱基础，由于种植土一般较为松散，且有进行浇灌、植被扎根等现象，不可避免地导致其压实度下降，从而使立柱的承载力下降，故有必要提高立柱的承载力。采用增加其加强板的方式加大立柱与土基础的接触面积(见图8)，即在立柱底部焊接加强板，提高立柱承载力，根据以往规范中的建议形式和相关科研成果，为防止立柱打入困难，加强板的位置以立柱路面以下20 cm为宜(一般立柱变形时的屈服折弯点)。

图8 立柱加强Figure 8 Post reinforcement

2.2 控制方案对比

针对控制方案的对比，主要从对向护栏变形、结构施工难度、工程量方面进行对比，采用计算机仿真技术分别对各方案进行结构分析。根据以往实车碰撞试验及计算机仿真计算分析经验，SB(SBm)级护栏在碰撞时，以中型客车的碰撞最为不利，主要原因是中型客车的碰撞速度较高，对护栏的损伤较大，因此重点以中型客车碰撞分析为主，以碰撞结果首先满足评价标准要求为前提进行对比[10]，不满足评价标准要求的方案不进行对比(见表1)。

表1 控制方案对比Table 1 Control scheme comparison序号方案简介最大横向动态位移外延值/mm施工难度增加材料量与标准护栏对比/(kg·m-1)1标准段方案(标准压实度)1 283一般02加密立柱方案(标准压实度)1 109稍难78.63斜撑方案(标准压实度)1 158较难2.24提高立柱基础承载力+错落布设1 143一般2.45立柱错落布置方案(种植土)1 389一般0

通过上述分析可看出，方案2和方案3虽然也有效控制了护栏的最大横向动态位移外延值，但其增加的材料量较多，且增加了施工难度，而方案4在增加材料量较小的情况下有效地控制住了护栏的最大横向动态位移外延值(见图9)，且对于增加加强钢板来说，立柱打入的施工难度增加不大，因此推荐采用该方案作为实车碰撞试验检测方案。

(a)加密立柱方案2

3 推荐方案实车碰撞试验检测

根据现行《公路护栏安全性能评价标准》要求，采用SBm级碰撞条件对推荐方案进行实车足尺护栏碰撞试验检测(见图10)，检测结果如表2～表4所示。

图10 车辆及护栏准备照片

表2 碰撞条件测试结果Table 2 Collision condition test results编号试验日期碰撞车型车辆总质量/kg碰撞速度/(km·h-1)碰撞角度/(°)碰撞能量/kJ1—小客车1 492101.019.7—2—中型客车10 22481.520.23123—大型货车18 15260.720.2307

表3 护栏检测各项指标1Table 3 Barrier detection indicators 1评价项目小型客车中型客车大型货车测试结果是否合格测试结果是否合格测试结果是否合格阻挡功能车辆是否穿越、翻越和骑跨护栏否是否是否是护栏构件及脱离件是否侵入车辆乘员舱否是否是否是导向功能车辆碰撞后是否翻车否是否是否是车辆碰撞后的运行轨迹是否满足驶出框要求是是是是是是乘员碰撞速度/(m·s-1)纵向5.5是————缓冲功能横向5.2是————乘员碰撞后加速度/(m·s-2)纵向66.7是————横向182.6是————

表4 护栏检测各项指标2Table 4 Barrier detection indicators 2车型护栏最大横向动态变形值D/m护栏最大横向动态位移外延值W/m车辆最大动态外倾值VI/m车辆最大动态外倾当量值VIn/m是否有效小型客车0.250.50——是中型客车0.951.201.151.30是大型货车0.751.051.802.40是

经实车碰撞试验验证结果表明，该分设型中分带波形梁护栏防护等级可满足SBm级防护等级要求，护栏防护能量最高可达312 kJ。

4 结论

本文以护栏的最大横向动态位移外延值为控制指标，通过计算机仿真方法研究了一种节地型分设式中央分隔带波形梁护栏方案，该方案可适用于中央分隔带宽度为1.5 m的公路，方案对护栏结构、绿化以及交通运行影响较小。经实车碰撞试验验证，护栏的防护等级可达到SBm级。

节地型分设式中分带波形梁护栏可有效节约公路建设用地，降低车辆碰撞护栏给对向车道行车造成的安全隐患，提升公路建设工程的安全性能和经济性，具备较好的推广应用价值。