高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案设计

张 力

(广西新发展交通集团有限公司，广西 南宁 530029)

0 引言

采用波形钢护栏板与钢柱进行拼接而成的半刚性道路护栏，具有工业化生产、成熟表面处理、防腐蚀、安装方便、功能有效等优势。另外，该护栏结构简单，防盗性能好，适应各种地形，成本适中，使用寿命长，已被广泛应用于国内外的交通建设领域。如何在现有波形钢护栏材料的基础上，改进原始防撞性低的护栏，以改善其抗碰撞性能，是目前的一个重要课题。付晓鹏等[1]提出的桥梁梁柱式型钢护栏结构优化方法，采用矩形管制造横梁，将立柱设置为斜H形，两者通过角钢连接，底部与护栏迎撞面平行，改造钢护栏高度，完成钢护栏升级改造；张春发等[2]提出的基于SA级外悬式钢护栏立柱柱脚强度的优化方法，在桥面外侧悬挂立柱，通过计算机仿真改善小曲线半径路段，以此加强护栏立柱强度，进而完成钢护栏升级改造。然而，这两种方法无法完全满足道路安全强度要求，为此，本文提出了高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案设计。

1 工程概况

本文以广西某高速公路路段的半刚性波形钢护栏为例，该路段全长75 km，双向六车道，设计时速为120 km/h。原设计的护栏结构是300 mm×85 mm×4 mm的双波板，115 mm×4 mm立柱，横梁间距为4 m，阻塞块为3 mm，全部钢材采用热镀锌。波形钢护栏在使用时的结构参数，如波形梁板的中心高度、立柱、防阻块、镀锌涂料厚度等，都要进行现场试验。随着道路高程的增大，在原有道路与中间隔离区的基础上，仅添加30 cm的中间波形梁板加固梁，其防护性能和防撞性要求都大为降低，远远达不到标准的要求。

2 高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案

合理利用原始护栏，使之达到新的标准。在进行改造工程设计时，必须明确：(1)防撞性优先；(2)降低造价，使原有护栏构件得到最大限度的利用；(3)构件加工容易、施工简便、便于操作。

2.1 改造参数的确定

2.1.1 立柱埋深的确定

由于局部基础的强度和深度均未达到要求，大型车辆撞上护栏时，护栏虽然不会发生弯曲，但由于土壤的原因，护栏的作用也不能充分发挥[3]。为了得到与推荐的抗拔力相当的值，必须相应增加立柱埋深。

选取埋设在土中的立柱为研究对象，分析立柱被拔起的临界条件，公式为：

F拔≥f阻+F拉

(1)

式中：f阻——立柱拔起时受到周围土体的阻力；

F拉——立柱拔起时地面受到的拉力[4]。

在式(1)中f阻参数的支持下，计算剪力，公式为：

f阻=γi·di·r·θ

(2)

式中：γi——第i层路肩承受的最大剪应力；

di——第i层路肩厚度；

r——立柱直径；

θ——立柱拔起时的角度[5-7]。

结合式(2)，计算路肩结构层所能承受的最大剪力，公式为：

(3)

式中：h——立柱埋深。

选择立柱底面单元体为主要研究对象，设计立柱底面单元体，使护栏立柱升级改造方案获得理想的抗拔力[8]。

2.1.2 浇筑高度的确定

半刚性波形钢护栏在改建后，因其与原有护栏相比有很大的差异，因此在加固后的护栏混凝土浇筑时，首先要选择3个节点作为最适合的箍筋位置。在这3个节点处，钢管的承载力与碰撞力弯矩是相同的，若柱子的承载力比碰撞力弯矩要大，可以不浇筑混凝土；相反，则必须进行混凝土的灌浆[9-10]。该点的浇筑高度计算公式为：

(4)

式中：P1、P2——钢管内部承受的压力和受到浇筑影响的压力；

γ——浇筑相对密度；

hn——钢管压力降时高度[11]。

2.1.3 构件受剪承载力的确定

对立柱中浇筑混凝土的部分，主要是由外部钢管承受剪力，构件受剪承载力计算公式为：

(5)

式中：F剪——作用腹板平面的剪力；

S——剪应力处以上的面积；

ω——惯性矩；

d′——抗剪强度。

2.1.4 波形梁板中心高度的确定

波形梁板的中心高度对护栏的防护效果有很大的影响，在高度不够的情况下，大、中型汽车有可能在发生碰撞后翻过围栏[12]。在较高的情况下，尽管可以增强对大、中型汽车的阻隔性能，但也会导致汽车在碰撞后撞上护栏。波形钢护栏横梁中心高度允许误差为±20 mm，应根据容许误差，设计与图纸相符的护栏高度。

2.1.5 镀锌涂层厚度的确定

为保证试验柱和防阻块的镀锌涂层厚度符合基本规范，波形钢护栏梁板的镀锌层厚度为60～80μm，当其出现明显的波形横梁与板面的腐蚀，即具有较小的镀锌涂层厚度[13]。

2.2 升级改造方案设计

2.2.1 双层双波护栏升级改造

从防撞性能、改造成本、施工难度、社会经济等方面考虑，在原护栏基础上，采用如图1所示的改造方案，对其进行了加固，并在原始护栏上添加一层防护栏，使其变为双层双波护栏[14]。

由图1可知，对于双层双波护栏的改造，其关键在于将立柱加固后，在原来的护栏板之上再加一层防护，改造完成后，可形成双层双波护栏。护栏的改建包括：(1)保持原护栏板、立柱、防阻块、螺栓；(2)增加新立柱、防阻块、护栏板，并对路旁护栏构件拆掉防阻块、护栏板进行利旧[15]。

双层双波护栏的设计目的是尽可能地利用原有的高速公路护栏，保持原有的中心隔离栏杆功能，并充分利用道路护栏部件的扩展，以提高防碰撞栏杆的性能。对双层双波护栏进行改进的具体参数如下：(1)护栏柱间距从5 m改为3 m；(2)下部护栏中心距路缘顶部50 cm，上部护栏中心距路缘顶部100 cm。双层双波护栏的优势在于，在同等的防撞力下，对大型货车和客车的防护效果更好，既能充分利用原有的护栏，又不会对原有的护栏造成太大的损害。双层双波护栏的不足之处在于，必须增设一段2 500 mm长的柱子，在进行施工时必须在原有的护栏板中间穿孔。

图1 改造设计方案图

2.2.2 立交区中分带护栏升级改造

对立交区的整体路基，根据规范规定，如果护栏与路缘不在相同标高的情况下，可以将护栏的中心提升至路缘顶面50 cm以上。采用双层双波护栏重构技术，可以重构中央隔离墙的护栏，使其具有较好的抗碰撞能力。改造方案如下：

(1)保持中心隔离栅栏原有的立柱、护栏板和防阻块。

(2)增加一根115 mm×3.5 mm×2 300 mm的柱子，把栏杆的距离从5 m改至3 m。

(3)在铺设之前，增设两个195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞块，并将原来的护栏板和新的护栏板进行连接。

(4)在原中段栏杆上部增设195 mm×175 mm×200 mm×3 mm的阻塞块，并与下部护栏板横梁的中间间隔40 cm。采用从路旁或其他道路上拆除的双层护栏板，可以反复使用。

立交桥区域护栏设计的技术关键及控制指标是：

(1)新增的桩基开挖深度为100 cm，实际开挖120 cm。在该长桩上设置两对钻孔，其中下孔与地面高度为50 cm，上孔与地面高度为100 cm。

(2)对于新增的两个防阻块，需将其与下层原始护栏板相连。

2.2.3 护栏横隔梁升级改造

通过增加护栏横隔梁，可以有效地解决波形梁板的厚度问题，增强护栏的阻隔性能，防止车辆在发生碰撞时翻越护栏。加强动力传递通道的横梁与横梁的连接，有利于传递多跨波形梁板的冲击力，减小应力集中，防止因过度变形而丧失稳定性。护栏横隔梁可以更好地控制失控的汽车沿着护栏前进，并在摩擦力的作用下缓慢地降低车速，从而保障司机的人身安全。护栏横隔梁升级设计方案如图2所示。

图2 护栏横隔梁升级设计图

由图2可知，根据材料的可用性和规范的施工要求，对上部立柱、上部钢梁的尺寸进行了改造设计。立柱直径的选取应先确保下柱易于插入，且无间隙，移动立柱和固定立柱间距为1.5 mm。同时，为了减少生产成本，还应该考虑到现行的国家规范和标准。由于上立柱的孔径变小，为了确保其弯曲强度，将墙体厚度提高至5.0 mm。该规格与SA等级公路护栏一致，所以其支撑钢结构也与之相同，无须特殊处理，可在市场上直接购买。

3 仿真实验

使用计算机仿真试验作为验证高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案合理性的手段，并以实车碰撞试验结果为准。

3.1 仿真过程

采用有限元模拟软件对高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案进行研究。1号车是一种大客车的有限元模型，该模型是一个刚体的模型。基于实际的大客车构造，设计了大客车的驱动系统，以确保汽车的正常运行。2号车是一种轿车的有限元模型。通过大量的模拟和实际测试，这两款汽车模型都达到了安全行驶标准。

在设置了试验对象后，使用有限元软件构建护栏局部模型，如图3所示。

由图3可知，护栏局部有限元模型按照基本规范标准构建，为了保证分析结果的可靠性，对模型进行了如下处理：

图3 护栏局部有限元模型示意图

(1)步骤一：螺栓的端部为刚体，中部为空间梁，梁可以模拟拉、压、扭、弯等荷载状态。

(2)步骤二：由于道路的刚度很大，所以在不考虑变形的情况下，全部采用了刚体结构。

(3)步骤三：由于边沿刚度较大，在计算时易发生车轮的损伤，从而导致汽车的弹跳。由于这种方法对护栏的抗撞性影响较小，因此在模拟中通常不会将其影响考虑在内。

(4)步骤四：立柱的底部和栏板两端均采用了全约束处理方案。

(5)步骤五：在整个碰撞模型坐标系中，汽车的运动方向是x轴，地面是由x、y轴构成的平面。

(6)步骤六：根据历史试验资料，对护栏的各个部件的材质进行了分析。

3.2 仿真结果与分析

仿真试验过程中，在小型试验车的重心位置安装加速度传感器，测试车辆在碰撞过程中x、y、z三个方向的加速度，分别使用桥梁梁柱式型钢护栏结构优化方法、基于SA级外悬式钢护栏立柱柱脚强度的优化方法和高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案，对比加速度分析结果，如图4所示。

由图4可知，使用桥梁梁柱式型钢护栏结构优化方法与理想情况不一致，对于x方向的加速度，在时间为0.28 s时，加速度达到最大为11.5 g；对于y方向的加速度，在时间为0.53 s时，加速度达到最大为7.5 g；对于z方向的加速度，在时间为0.48 s时，加速度达到最大为12.0 g。

(a)理想情况

(b)桥梁梁柱式

(c)SA级外悬式

(d)钢护栏升级改造图4 加速度对比分析图

使用基于SA级外悬式钢护栏立柱柱脚强度的优化方法与理想情况不一致，对于x方向的加速度，在时间为0.29 s时，加速度达到最大为13.0 g；对于y方向的加速度，在时间为0.43 s时，加速度达到最大为6.5 g；对于z方向的加速度，在时间为0.39 s时，加速度达到最大为11.0 g。

使用高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案，对于x方向的加速度，在时间为0.28 s时，加速度达到最大为10.5 g；对于y方向的加速度，在时间为0.53 s时，加速度达到最大为14.0 g；对于z方向的加速度，在时间为0.49 s时，加速度达到最大为4.0 g。

通过上述对比结果可知，使用高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案与理想情况一致，最大误差仅出现在y方向上，最大加速度误差为0.25 g。

作为辅助性评价标准，在车内安装了试验假人来测试头部、胸部和腿部相关性能，并分别使用三种方法对比分析测试结果，如表1所示。

表1 假人辅助测试结果对比分析表(kN)

由表1可知，使用桥梁梁柱式型钢护栏结构优化方法，假人辅助的测试指标均超过理想情况，其中右腿与理想情况相差最大为0.5 kN；使用基于SA级外悬式钢护栏立柱柱脚强度的优化方法，假人辅助的测试指标均超过理想情况，但相差不是很大，最大误差为0.2 kN；使用高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案，假人辅助的测试指标与理想情况基本一致，并且头部保护效果更佳。

通过上述分析结果可知，使用高速公路半刚性波形钢护栏升级改造方案，能够保护乘员安全。

4 结语

本文提出的护栏升级改造方案在充分利用原有护栏的同时，通过增设横梁、加大埋深等措施，有效地改善了护栏的防撞性能。该方法不但可用于更新老护栏，还可用于个别路段的新护栏。经过改造后的护栏，碰撞车辆时不会发生车辆骑跨、穿越和横转现象，波形梁板完全张开，防阻块发生充分变形，可以有效地吸收碰撞能量，降低二次撞击的发生，护栏最大变形量及最大车速峰值可达到设计要求。

针对传统护栏的更新设计，目前还没有投入到具体的工程中，因此，对其防撞性能还需要进一步的研究。