四（SB）级波形梁护栏加高结构研究

2021-12-31徐绍国王秀芬马乐荆坤

特种结构 2021年6期

徐绍国王秀芬马乐荆坤

1.青岛市公路事业发展中心 266101

2.北京中路安交通科技有限公司 100071

引言

由于国内交通流量逐年增加，每年涉及加铺罩面的道路日益激增，导致波形梁护栏改造再利用的需求也在逐年增加。但是四（SB）级波形梁护栏的立柱上没有设置预留孔，无法满足加高的需求。国外关于加高波形梁护栏安全性能的研究比较少见，主要因为国外大部分道路遵循长寿命设计理念，且超载运输现象较少，养护管理手段先进，因此在路面使用期内路面增高幅度不大，所以护栏高度不足问题并不明显。国内研究中，即使有针对四（SB）级波形梁护栏加高的方案也只是进行单次加高，没有满足不同路面加铺高度要求的波形梁改造加高结构，当需要大尺度多次加高时，需要再次更换套管，造成资源浪费。针对该问题，本文提出一种大尺度可多次加高的套管加高方式，采用有限元仿真的方法，以螺栓连接个数、套管尺寸、套管的插入深度与波形梁护栏防护性能关系为指标，结合经济性，确定了套管的结构尺寸，通过有限元仿真和实车足尺碰撞试验的方法对四（SB）级波形梁护栏加高结构进行验证。

1 加高方案的确定

1.1 加高方法对比

现阶段公路改造时护栏主要的加高方式包括增设套管加高法、偏心防阻块加高法、立柱拔出重新打入法和增设立柱法等。各种方法优缺点如表1 所示。偏心防阻块加高无法满足大尺度逐级加高的需求，同时考虑到经济性及施工方便性，最终针对四（SB）级波形梁护栏采用增设套管的方法进行加高。

表1 几种加高方法对比Tab.1 Comparison of several heightening methods

1.2 套管的选择

套管可分为内套管和外套管，如图1 所示，为了达到相同的抗弯性能，套管的截面系数不小于原立柱截面系数。

图1 套管加高法Fig.1 Casing heightening method

若采用外套管，则原始防阻块尺寸过小，无法连接，需要重新更换防阻块，因此采用内套管进行加高。此时内套管与防阻块存在间隙，在其中增加垫片以满足结构的稳定性。但由于内套管和立柱重叠区域的截面模量相当于套管处截面模量的两倍，造成刚度突变，可能会对护栏的防护性能造成影响，下文会进一步验证。

2 加高结构的确定

对于四（SB）级波形梁护栏下部柱脚锚固情况，立柱加高后波形梁中心高度距离地面依旧为697mm，碰撞位置没有变，因此力臂不变，这样柱脚弯矩与原始护栏相同，本篇论文不进行论证。

四（SB）级波形梁护栏原防阻块孔距为10cm，最上端孔距顶面为6cm，在尽可能重复利用旧件的基础上增设套管，则第一次加高高度为10cm，第二次加高高度为18cm，之后每次加高均可按照每隔4cm为一档进行加高。实际路面加铺过程中，即使对路面多次加铺罩面，最高加铺尺寸也不会超过40cm，所以以加高高度42cm 为基础，进行套管的设计。

采用有限元仿真方法，以螺栓连接个数、套管尺寸、套管的插入深度与波形梁护栏防护性能关系为指标，对加高结构进行设计，有限元仿真碰撞条件如表2 所示。因为三种车辆碰撞最不利车型为大货车，因此确定指标时采用大货车作为主要评价依据。

表2 四（SB）级护栏碰撞条件Tab.2 Four（SB）level guardrail collision conditions

2.1 螺栓的连接

原始未加高结构立柱与防阻块采用两个螺栓连接，为了保证波形梁护栏加高结构在连接处与原结构具有相同的强度，四（SB）级波形梁护栏立柱与防阻块采用两个螺栓进行连接。

原始立柱只开有两个连接孔，孔距10cm，若立柱与套管采用两个螺栓连接，则需要较复杂的套管结构，不利于波形梁护栏加高结构的经济性，所以采用一个螺栓进行连接。通过仿真可以看出车辆可以平稳导出，采用一个螺栓连接可以满足连接强度。

2.2 套管尺寸

采用套管和原立柱抗弯截面系数相当的原则确定套管的尺寸。四（SB）级立柱尺寸为130mm×130mm×6mm，抗弯截面模量W＝117605mm4，可采用尺寸为115mm×115mm×8mm、抗弯截面模量W＝114262mm4，尺寸为112mm×112mm×10mm、抗弯截面模量W＝127548mm4，尺寸为110mm ×110mm×10mm、抗弯截面模量W＝122424mm4三种规格形式的套管。对三种套管进行碰撞仿真对比，车辆可以平稳导出，均未发生侧翻。

对三种套管在应用可行性、经济性和安全性方面进行对比，如表3 所示。三种套管安全性均符合要求，115mm×115mm ×8mm 套管在安装时与原立柱中的间隙较小，导致安装不便；110mm ×110mm×10mm的套管则会出现立柱与套管间框量过大的情况导致加高结构的不稳定，最终选用112mm×112mm ×10mm 套管作为四（SB）级加高方案的套管。

表3 套管对比Tab.3 Casing comparison

2.3 套管插入深度

套管的插入深度影响着护栏的防护性能，插入深度过小，当立柱与套管的连接螺栓在碰撞过程中断裂时，易造成套管的脱出，从而造成车辆的翻越。

当护栏加高42cm 时，套管插入深度最小为200mm。对插入深度分别为200mm、210mm、220mm、230mm 的加高结构进行有限元仿真分析，对比不同插入深度对护栏防护性能的影响。通过仿真可以看出，四种不同插入深度均可满足护栏的防护需求，插入深度为210mm 和220mm时，大型货车侧倾角度较小。

小型客车速度和加速度情况如表4 所示。

表4 不同插入深度小型客车速度和加速度情况Tab.4 Speed and acceleration of small passengercars with different insertion depths

乘员碰撞后加速度的纵向和横向分量均不大于200m／s2，乘员碰撞后速度的纵向和横向分量均不大于12m／s。四种插入深度中，220mm 和230mm的X方向和Y方向加速度和速度相对较小，从节约材料和护栏防护性能方面综合考虑，插入深度选取220mm，以此来确定套管的总长度。

2.4 套管最终结构

通过对比几种套管的结构尺寸和插入深度，最终选用112mm ×112mm × 10mm 套管作为四（SB）级加高方案的套管，并且根据节约造价的原则，插入深度选取220mm。根据防阻块结构结合不同档位对套管进行开孔设计，套管的最终结构如图2 所示，满足加高的要求。由于套管和防阻块间存在间隙，为了保证结构的稳定性，需要增加垫片进行补偿，四（SB）级波形梁护栏加高结构如图3 所示。