上盖式高速公路互通改造桥侧护栏结构形式的试验分析——基于广深高速改扩建（新塘立交改造）工程实例

■周再恒 吴 威 张荣利

（1.广东省公路建设有限公司，广州 510623；2.广东省交通规划设计研究院集团股份有限公司，广州 510507）

根据《2021 年统计公报》[1]可知，截至2021 年底，我国公路总里程528.07 万km，较2020 年增加82 600 km， 其中高速公路通车里程16.9 万km，较2020 年末增加8 090 km，占公路通车总里程比重的3.2%，呈现稳中有升的态势[2]。 随着社会的发展，居民出行结构不断变化，监测数据表明，全国高速公路9 座及以下小型客车流量在2019—2020 年平均增长3.7%的情况下，2021 年继续保持增长态势。 日渐增加的交通量，使得交通安全事故的发生率显著提高。 因此，在设计交通安全设施时，应坚持主动引导、全时保障、隔离封闭、被动保护的原则，减少事故发生的几率，降低事故的严重性。 一般而言，桥梁段的危险程度远超路基段，车辆往往会冲出桥外，造成严重的交通事故[3]。 因此，桥梁交安设施升级改造是交通改造中的头等大事。

1 工程概况

新塘互通立交位于广州市增城区新塘镇，是广深高速公路与国道G107 公路连接的互通立交，主要为实现广深高速与国道G107、 新塘地方路的交通转换。 由于其现状存在严重的绕行现象，交通组织复杂且不清晰，导致出行费时且容易迷失方向，通行能力和服务水平较低，无法满足急剧增长的车流量需求。 因此新塘立交升级改造势在必行。

新塘互通立交改造范围内主线长1.31 km，匝道总长4 672 m，主线桥梁采用双向12 车道的四幅桥分离复合式路基，单幅桥宽16.5 m。 采用隔音降噪上盖结构对主线及匝道范围进行全封闭，上盖结构上设计空中公园，提升景观效果。 本项目上、下层桥采用分离式，每幅桥净距2.0 m，中间设置1.4 m×1.4 m矩形上层桥墩柱，主线桥梁标准断面如图1 所示。

图1 主线桥梁标准断面

2 护栏结构设计

为提高下层车行桥护栏的防撞能力，有效保护护栏背部的上跨桥梁桥墩及降低车辆撞击侧倾对上层桥墩柱产生结构风险， 同时提高施工效率，设计时采用最高等级的HA 级加强型护栏。 根据HA级加强型护栏的相关要求，下层桥桥侧拟选用高度1.5 m 的组合式护栏或钢筋混凝土护栏。

HA 级组合式护栏设计桥面以上总高度为1.5 m，下部混凝土基座高85 cm，底宽50 cm。 护栏下部混凝土基座竖向筋配筋方案如下（图2）：迎撞面、背部为Ф16 HRB400，间距15 cm；纵向筋为Ф12 HRB400。

图2 组合式护栏方案配筋方案

HA 级钢筋混凝土护栏设计桥面以上护栏墙体高度为1.5 m，迎撞面采用加强型坡面型式，混凝土护栏的底部宽度为0.5 m。 护栏墙体竖向筋配筋方案如下（图3）：迎撞面、背部为Ф16 HRB400，间距为15 cm；纵向筋为Ф12 HRB400。

图3 钢筋混凝土护栏方案配筋方案

广深高速公路位于广州与深圳之间的黄金运输通道，2023 年日均车流量14 万辆，到2043 年预测日均车流量24 万辆，属于重交通级别，大型运输货车较多。 因此在HA 级钢筋混凝土护栏顶部设置了阻挡坎，这对抑制大型车顺混凝土护栏爬高有一定作用。 顶部设置阻挡坎施工时存在一定困难，但由于广东省内SS 级护栏顶部一般也设置了阻挡坎，HA 级钢筋混凝土护栏阻挡坎的构造尺寸未做特殊设计，实际施工时现场反映基本可行。

3 仿真模型及验证

3.1 建立模型

车辆与护栏碰撞的过程包括大变形几何非线性、屈服断裂材料非线性、接触等边界非线性，所以车辆碰撞护栏是一种不宜通过简单的理论计算来评价其安全性能的复杂物理过程。 以有限元方法为基础的计算机模拟技术，可计算碰撞类复杂的物理过程，对碰撞过程进行仿真模拟和护栏安全性能评估，但需要实车碰撞试验对仿真模型参数进行修正和校核，以保证仿真模型的可靠性与准确性，为采用仿真模型进行护栏安全性能评估提供依据[4]。

3.1.1 车辆模拟

建立以薄壁金属构件为主的车身和波形梁护栏计算机模型，采用四边形的单点积分壳体单元进行模拟，该类型单元对于大变形的模拟效果好。车身各部件之间采用点焊连接的方式，车门与车身之间通过铰接点单元进行连接。 解决边界非线性问题采用Automatic_Single_Surface 触点类型，基于罚函数法。 车型坐标：X 为行驶方向，Y 为宽度方向，Z 为垂直于XY 平面的方向行驶。

（1）小型客车模型。 小型客车有限元仿真模型是参照我国小型客车结构特点，按照试验车辆参数对小型客车的要求，根据《公路护栏安全性能评价标准》建立，图4 是小型客车试验车辆与仿真模型的比较。 图5 为小型客车碰撞护栏模拟与测试对比图，从图中可以看出该车三方向加速度曲线的车辆行驶轨迹、车辆变形、模拟结果等均与测试结果相符，验证了小型客车模型的准确性。

图4 小型客车模型

图5 小型客车碰撞护栏结果比较

（2）大客车模型。 大客车有限元模型是参照我国大客车结构特点，结合试验车辆参数及《公路护栏安全性能评价标准》建立的，图6 为大客车试验车辆与仿真模型的比较。 图7 为大客车碰撞护栏仿真与试验结果对比，从图中可以看出车辆行驶轨迹及车辆变形模拟结果与测试结果相符，大客车模型的准确性得到了验证。

图6 大客车模型

图7 大客车碰撞护栏结果比较

（3）大货车模型。 大货车有限元模型是参照我国大货车结构特点，根据试验车辆参数对大货车的要求，根据《公路护栏安全性能评价标准》建立，图8为大货车试验车辆与仿真模型的比较。 图9 为仿真模型与试验对比的大货车碰撞护栏图，与试验结果一致的车辆行驶轨迹、车辆变形模拟等模型计算结果，验证了大货车模型的精确性。

图8 大货车仿真模型

图9 大货车碰撞护栏结果比较

3.1.2 护栏模型

钢材、混凝土是组成混凝土护栏的主要结构材料，通过研究对护栏仿真参数准确性进行验证。 在模型中，以弹塑材料模拟钢筋。 车辆碰撞护栏是一种物理过程，是一种动态撞击，材料的撞击硬化是需要考虑的重点[5]。 图10 为钢筋应力与应变曲线关系，该曲线图由分离式压杆冲击实验得到，作为钢材的仿真参数。

图10 钢筋冲击实验结果

桥梁护栏混凝土材料参数采用LS-DYNA中MAT159 号材料卡来定义，混凝土和钢筋间采用*CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 关键字进行约束，仿真材料精度经过了初步试验验证，如图11 所示。

图11 混凝土材料单元试验

由实车对钢筋混凝土护栏的碰撞测试和计算机模拟分析结果（图12）可知，混凝土裂纹的仿真结果和测试结果相符。 由实车碰撞组合式护栏仿真与试验对比（图13）可知，钢筋混凝土结构破坏和钢结构破坏情况的仿真结果和试验结果一致。

图12 钢筋混凝土护栏碰撞结果

图13 组合式护栏碰撞结果

通过模型和实车碰撞试验的结果比较可知，仿真碰撞模型能较好地模拟实车碰撞试验结果，仿真模型的可靠性得到了论证，为广深高速新塘互通改造工程采用高精度计算机模拟技术手段评估桥侧HA 级混凝土护栏方案安全性能提供了基础积累。

3.2 护栏碰撞试验

3.2.1 规范基本假定

JTG D81-2017《公路交通安全设施设计规范》规定：当车辆与护栏发生碰撞时，基本可认为刚性护栏（钢筋混凝土护栏）变形值为0，半刚性护栏变形值在0.3～0.6 之间。

3.2.2 碰撞试验仿真分析

按照组合式护栏方案及钢筋混凝土护栏方案的结构和八级（HA）护栏碰撞条件（表1）建立仿真模型，由小型客车、大型客车等车型对护栏碰撞，分析两种护栏方案的车辆侧倾程度，不同车型的碰撞过程如图14 所示。

表1 护栏的碰撞试验因素

图14 护栏的碰撞过程图示

4 分析对比

4.1 护栏指标对比

对组合式护栏与钢筋混凝土护栏的护栏变形指标和车辆外倾指标进行对比，如表2 所示。 可见1.5 m 高钢筋混凝土桥梁护栏较1.5 m 高组合式护栏变形值较小；但两种护栏的特大型客车和整体式货车车辆外倾指标基本相当， 而1.5 m 高钢筋混凝土桥梁护栏鞍式列车外倾值更小。

表2 护栏指标对比

4.2 施工工艺对比

组合式护栏施工工艺较为复杂，需对混凝土现浇、安装钢构件分阶段施工，且钢构件还需进行防腐涂装，在高速公路运营过程中还需定期对护栏钢构件进行涂装养护，后期养护成本较大。 而钢筋混凝土护栏的施工较为简单，施工过程中现浇混凝土然后按照规范要求进行养护，后期运营过程中无需过多维护，后期养护成本低。

4.3 景观效果对比

组合式护栏具有较好的景观效果和通透性，一般小型客车的驾驶员视觉高度高于组合式护栏的混凝土基座高度，驾驶员在行车过程中视野开阔，感受不压抑，驾驶过程更为舒适。 而钢筋混凝土护栏由于全部为混凝土，一般小型客车的视觉高度低于护栏高度，因此驾驶过程中视觉感受较差。

4.4 经济性对比

经过测算，组合式护栏每延米造价为钢筋混凝土护栏的2 倍，具体技术经济指标如下：组合式护栏造价2 295.09 元/m；钢筋混凝土护栏造价1 098.80元/m；差值1 196.29 元/m，钢筋混凝土护栏在经济性上有极大的优势，可以极大地节约成本。

5 结论

（1）在防撞等级同为HA 级的条件下，1.5 m 高钢筋混凝土护栏较等高的组合式护栏碰撞变形值更小，车辆碰撞时更不容易发生侧倾，且可降低车辆剐蹭桥墩风险；（2）组合式护栏施工工艺更为复杂，但景观效果和视觉通透性更好，行车舒适度更高；（3）从经济性上来看，钢筋混凝土护栏造价更低，同时钢筋混凝土护栏后期运营养护成本低，无需定期进行防腐涂装，可以更好地节约建设成本和运营成本；（4）混凝土护栏较组合式护栏可简化施工流程、避免分阶段安装施工，加快施工进程。