新型装配式防撞护栏的设计及碰撞安全性能研究

2022-10-16聂祝清

交通世界 2022年25期

聂祝清

（湖南建工交通建设有限公司，湖南长沙 410000）

0 引言

我国现行使用的公路护栏有刚性护栏、半刚性护栏、柔性护栏等三种常用类型[1]。其中，刚性护栏使用最为广泛。刚性护栏大多为钢筋混凝土结构，因其刚性大，在车辆碰撞护栏的过程中几乎不会发生变形，主要通过车辆变形以及车辆与护栏、地面之间的摩擦力抵消碰撞能量。因此，在车辆与刚性护栏碰撞的过程中往往造成的损害较大，大都伴随二次伤害的产生。半刚性护栏最常用的波形护栏在碰撞时可通过自身变形吸能延长碰撞加速度时间发挥较好的导向作用。但应用在桥梁和高边坡上时，当碰撞力较大时很可能由于护栏刚性不足导致损毁护栏冲出限界造成重大安全事故。柔性护栏多为缆索结构，其防撞能力弱，对大型车辆几乎没有防护作用，在桥梁上几乎不会使用。在桥梁、高边坡等危险地段使用最为广泛的是刚性护栏[2-5]。不同车型与护栏的碰撞位置高度不同，护栏刚度过大会导致碰撞力增加。因此，在保证一定刚度的前提下对护栏迎撞面的刚度进行优化，使其在碰撞过程中可以有效吸能，延长碰撞加速度时间，可以降低碰撞过程中车辆损坏[6]。设计一种新型嵌入缓冲块的装配式护栏，可以很好地解决汽车碰撞护栏造成损害过大的问题。

1 装配式新型护栏的设计与安装

1.1 装配式新型护栏的设计

根据现行《公路交通安全设施设计细则》（JTG TD81—2017）中以HA级单坡护栏结构尺寸为参考基础，在其内侧也就是迎撞面设置凹槽作为嵌入缓冲块的位置，缓冲块高度为h，截面呈梯形，其梯形斜边与HA级单坡护栏斜率一致，以保证其在碰撞过程中的导向性。在嵌入缓冲块后，混凝土护栏截面尺寸变小，为保障刚度削弱不大，可通过在护栏背面加厚混凝土的厚度实现，加厚区如图1所示。此外，在内侧受拉区需要根据规范设计削弱截面，截面1-1为缓冲块顶部对应的护栏预制混凝土截面，截面2-2为缓冲块底部对应的护栏预制混凝土截面，截面3-3为护栏底部截面，三个关键截面配筋如表1所示，配置直径为C16mm及C20mm的HRB400钢筋。新型护栏的钢筋与连接件横截面布置如图2所示，根据以上计算结果拟定新型装配式护栏的配筋布置，护栏预制混凝土部分迎撞面每延米拟采用10根直径为C20mm的钢筋，根部连接钢筋每延米布置5根直径为C20mm的钢筋。

表1 新型护栏控制截面配筋数量

图1 新型装配式护栏尺寸图（单位：cm）

浆锚钢筋及波纹管布置如图2所示。浆锚钢筋N3、N4预留在桥面板悬臂上，其下端与桥面板悬臂钢筋焊接成整体，在护栏预制时按照纵向每10cm预留N3、N4钢筋安装孔（以波纹管的形式），护栏分节起吊安装就位过程N3、N4钢筋插入预留孔内即刻灌入C40早强灌浆料连接成整体，24h强度达到设计强度的50%开始缓冲块安装，48h强度达到设计强度的80%即可投入使用，整个装配施工的周期较现场护栏浇筑大幅缩短（进度受模板周转限制且混凝土养护周期长），同时装配式施工最大限度地减少对现场环境的污染，尤其是在市镇施工时。护栏的预制件长度根据现场情况按5～8m每节预制，与大多设计院设置断缝长度基本相同，以避免护栏纵向受拉主筋频繁断开。

图2 新型装配式护栏的钢筋与连接件横截面布置图（单位：cm）

1.2 装配式新型护栏的安装

（1）护栏混凝土节段与缓冲块的预制。护栏的混凝土节段与缓冲块节段均分节段在工厂进行预制，分节长度5～8m为宜，以便运输与安装，工厂宜采用蒸汽进行养护，可加快预制进度。

（2）桥面板浇筑。桥梁施工时先浇筑桥梁悬臂板部分，并按设计要求预留好与护栏的锚固钢筋。

（3）混凝土节段安装。将护栏的混凝土节段安装到桥梁悬臂位置并进行钢筋的绑扎与焊接，通过浆锚注浆的方式进行锚固，注浆材料标号不低于C40。

（4）缓冲块安装。预制好的缓冲块与混凝土节段的安装槽应保持表面光滑、清洁，先进行接触面摩擦系数试验，确定接触面的技术要求后再批量进行安装。

（5）桥面铺装施工。按设计要求绑扎桥面网钢筋，浇筑桥面铺装混凝土。

2 护栏-悬臂板协同受力承载力验算

根据《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2017）中HA级护栏确定新型装配式护栏横向碰撞标准力值与分布长度。最大横向动态变形值D=0时横向碰撞力取值720kN，D=0.3～0.6m时横向碰撞力按照620～550kN线性内插取值，分布长度取值2.4m。根据1.1节新型装配式护栏尺寸图与相应的配筋设计建立护栏桥面板悬臂协同受力的静力模型，最不利荷载工况为汽车碰撞力与结构以及汽车自重荷载组合。经仿真分析得到混凝土第一主拉应力云图（图3）与横向主筋拉应力云图（图4）。混凝土主拉应力峰值出现在护栏根部。

从应力云图中可知，混凝土第一主应力为3.32MPa，大于混凝土抗拉强度1.65MPa，钢筋最大应力为204MPa。由此可知，混凝土产生了裂缝但钢筋并未发生屈服。

图3 混凝土第一主拉应力云图

图4 钢筋应力云图

3 车辆-护栏碰撞有限元模型的建立与碰撞过程中车乘安全性主要影响因素分析

3.1 车辆-护栏碰撞有限元模型的建立

护栏的安全性评判需要依靠碰撞的仿真试验与足尺试验验证其有效性。采用ABAQUS进行仿真建模，有限元模型按以下步骤建立：

（1）选取符合规范的有限元汽车并进行模型验证；

（2）建立护栏、桥面板悬臂的几何模型并进行网格划分，定义好材料、单元，混凝土定义为实体单元，钢筋定义为桁架单元，并将钢筋节点与混凝土实体单元节点耦合；

（3）建立边界条件与接触类型：桥面板根部各向固定，其他方向无约束，鉴于车辆与护栏碰撞过程复杂，判断接触面发生方向较为困难，故选择自动接触的方式。

3.2 新型装配式护栏碰撞过程中车乘安全性主要影响因素分析

车辆与护栏的碰撞过程中，车辆与地面、护栏之间产生摩擦力。在安装缓冲块以后，车辆轮胎与缓冲块直接接触，缓冲块的高度尺寸过低，撞击点可能落在缓冲块之外，从而起不到缓冲吸能的作用，而缓冲块高度过高可能导向性不佳致使车辆飞出护栏外，因此护栏缓冲块尺寸高度是影响碰撞结果的关键参数之一，因此需要根据以往碰撞事故中的研究成果大致确定出发生碰撞时的碰撞高度，在此高度区间内取值进行对比分析。缓冲块与混凝土接触面的摩擦系数是影响碰撞结果的又一关键因素，橡胶作为较好的碰撞吸能材料，其与光滑混凝土面之间的摩擦系数约为0.3，在润滑条件下可达到0.1以下，因此在对比研究时取摩擦系数0.05～0.3之间为宜。缓冲块弹性模量影响碰撞力的吸收，使用橡胶最为适宜，但成本较高不利于大面积推广使用，而泡沫混凝土成本较低，且可以控制发泡程度相应的改变弹性模量，是较好的缓冲材料。

为分析安装缓冲块后的护栏碰撞中的车乘安全性能，将通过有限元仿真模拟碰撞过程中的车辆横向、纵向加速度的变化来进行安全性评价。

4 缓冲块关键参数对车乘安全性的影响分析

4.1 缓冲块尺寸高度对车乘安全性影响分析

缓冲块尺寸高度分别设计为70cm与90cm（缓冲块70cm高时安装底面以距离桥面铺装顶面25cm处开始，缓冲块90cm高时安装顶面以距离桥面铺装顶面15cm处开始），以55t鞍式货车来模拟碰撞（大型货车发生碰撞引起的破坏效果更大）。通过建立有限元碰撞模型模拟HA级单坡护栏、新型护栏缓冲块高度70cm、新型护栏缓冲块高度90cm（新型护栏的弹性模量取值2 500MPa，摩擦系数取值0.3）三种碰撞情况，得到三种情况下车头、车辆的纵向（前进方向）与横向（垂直前进方向）加速度峰值，加速度曲线。

通过三种情况碰撞仿真模拟分析数据可知：车辆横向与纵向加速度均小于20g，满足现行规范的要求；安装缓冲块后车头质心的横向加速度最值分别减少40.0%与46.2%，说明缓冲块起到了较好的作用。但随着尺寸增高，加速度峰值降低并不明显。车头的纵向加速分别增加10.2%与减少15.13%，影响并不明显。安装缓冲块后车辆质心横向加速度分别减少26.1%与提高2%，且与HA级单坡护栏相比，峰值出现的时间延后较多，这源于缓冲块的吸能变形所致。缓冲块尺寸90cm时车辆质心横向加速度、纵向加速度比HA单坡护栏更大且发生时间延长很多，说明发生了再次碰撞且再次碰撞的加速度峰值最大，据此缓冲高度为70cm时车辆的安全性能更高。缓冲块高度为90cm车头安全性较高，但车辆安全性不及HA级单坡护栏。

4.2 缓冲块与混凝土的摩擦系数对车辆安全性的影响分析

设定缓冲块与新型护栏混凝土之间摩擦系数为0.05、0.1、0.2、0.3，模拟以55t鞍式货车与新型护栏及HA级单坡型护栏发生碰撞，缓冲块尺寸高度为70cm，安装方式同上。得到五种情况下车头、车辆的纵向（前进方向）与横向（垂直前进方向）加速度峰值，加速度曲线。

对比分析可知：（1）在以上几种情况下，车头质心及车辆质心的横向、纵向加速度最大值均小于20g，满足我国护栏评价标准对护栏缓冲功能中车辆加速度的要求；（2）由车辆加速度数据可知，车头质心横向加速度最小的是摩擦系数0.3时的6.422g，较HA级单坡护栏小40.0%，其他两种情况的车头横向加速度也比HA级护栏低；车头质心纵向加速度最小的是摩擦系数0.2时的13.685g，较HA级单坡护栏小17.72%。此外，几种摩擦系数下纵向加速度较HA级单坡护栏都大；且车辆质心的横向加速也是在摩擦系数0.2时最小，较之HA级单坡护栏小51.8%，而摩擦系数对车辆质心的纵向加速度影响不明显。据此选择缓冲块摩擦系数0.2时车辆、车头质心横向、纵向加速度最值小于或约等于HA级单坡护栏的数值，因而碰撞过程车辆安全性更高。

4.3 缓冲块弹性模量对车辆安全的影响分析

设定缓冲块的弹性模量为2 500MPa、1 250MPa、625MPa、300MPa，以55t鞍式货车与新型护栏及HA级单坡型护栏发生碰撞模拟分析（缓冲块高度70cm，摩擦系数0.2）。得到五种情况下车头、车辆的纵向（前进方向）与横向（垂直前进方向）加速度峰值，加速度曲线。

对比货车与不同弹性模量缓冲块新型护栏的碰撞结果数据可知：

（1）车辆与护栏发生碰撞时，车辆各参考点质心的横向纵向加速度最值均小于20g，加速度满足我国护栏评价标准对护栏缓冲功能的要求。

（2）加入缓冲块后较之HA级护栏车头质心横向加速度约有20%的降低，但与弹性模量的变化未呈现规律性；车头质心的纵向加速度在弹性模量2 500MPa时最大，且随弹性模量降低有下降趋势；车辆质心的横向加速度较HA级护栏有较大降低但未呈现明显规律；车辆质心纵向加速度在弹性模量1 250MPa时最小。据以上分析，弹性模量的变化对车辆碰撞加速度影响不大且均符合规范要求。考虑横向的碰撞力随弹性模量的增加而减少，纵向碰撞力随弹性模量的减少而降低，因此，在合适的材料范围内应选择弹性模量较高的材料作为缓冲块。

4.4 新型装配式护栏与普通刚性护栏的车乘安全性对比分析

根据前述对新型装配式护栏关键参数的研究结果设定缓冲块与预制混凝土块之间的摩擦系数为0.2，缓冲块尺寸高度为70cm。缓冲块材料结合成本与施工简便考虑以泡沫混凝土作为缓冲块材料最为合适，泡沫混凝土密度为799kg/m3，泊松比0.1，弹性模量为342.2MPa，抗拉强度为0.2MPa[7]。分析小型客车与55t大型货车与护栏碰撞过程中车辆加速度并与普通刚性护栏进行对比。

通过对比新、旧护栏与两种车型碰撞过程中的加速度及最值可得：两种车型与两种护栏的碰撞过程中车辆质心加速度均小于20g，符合现行规范对护栏的缓冲要求；小型客车与55鞍式货车的横向加速时分别减少33.5%与50.9%，纵向加速度增加4.0%与14.4%。由此可知，新型装配式护栏嵌入泡沫混凝土缓冲块后车辆碰撞的横向加速度明显减小，纵向加速度增加不大且在规范要求的范围内。因此，新型装配式护栏可有效提高车乘的安全性。