基于两波形护栏的升级改造开发研究

摘 要：为避免将大量的既有两波形梁护栏淘汰废弃，减少能源消耗和降低碳排放量，提高既有护栏的利用率，该文采用强度和刚度理论、弹塑性本构模型理论、有限元分析和实车碰撞试验方法，研究设计一种可再利用两波形梁板的路基段升级改造护栏，防护等级能满足JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中的A级要求。

关键词：两波形梁板；双层双波护栏；再利用；碰撞试验；效益分析

中图分类号：U417.12 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2024）24-0１２２-0４

Abstract： In order to avoid the elimination and abandonment of a large number of existing two-corrugated beam guardrails， reduce energy consumption and carbon emissions， and improve the utilization rate of existing guardrails， this paper uses strength and stiffness theory， elastoplastic constitutive model theory， finite element analysis and real vehicle crash test methods to study and design a roadbed section upgrading guardrail that can reuse two corrugated beam plates， and the protection level can meet the A-level requirements in the JTG B05-01—2013 "Highway Guardrail Safety Performance Evaluation Standard".

Keywords： two-wave plate; double-layer double-wave guardrails; reuse; crash test; benefit analysis

随着社会经济的快速发展，车流量日益增加，我国部分高速公路通行能力已经难以适应公众出行需求，制约了国家公路网的高质量发展。为优化路网结构，对原有高速公路在原址上扩容改造项目日益增多。高速公路改扩建项目具有线路较长、规模较大的特点，其安全设施中钢板护栏需求，由于两波护栏已无法满足现行JTG D81—2017《公路交通安全设施设计规范》[1]的要求，但是将大量的既有两波形梁板全部淘汰废弃，将造成较大的资源浪费。

美国在20世纪90年代开始进行公路护栏再利用的研究，已经在某些方面取得了一些进展，如安全护栏木制立柱再利用问题等[1-2]。美国2011版《路侧设计指南》[3]提出了建立升级需求的优先级概念，即将旧式护栏作为新建或改建公路项目的一部分来考虑。在该指南中，对波形梁护栏提出了一些改造的原则，但未提供具体的改造技术和方法，相对来说对桥梁护栏的升级改造有一些具体做法，但主要是增设新护栏的方法。除了美国对既有护栏的防护性能评估和再利用升级改造技术有少许的研究外，包括欧洲、日本等学者在内主要针对护栏设置原则、方法和应用的相关研究[4-6]。由于护栏材料、结构，使用情况、防护等级和能量的差别，护栏评估和再利用提升技术可借鉴之处不多。

针对新旧规范更替，目前国内采用波形梁钢护栏材料再利用的方法中，两波护栏再利用时应用最多的是双层双波方案[7-12]，但是由于既有波形梁护栏的实际防护能力和再利用价值情况不同，现有的成果适用范围有限，不能完全适用于所有高速公路的实际情况。因此，本文针对XX改扩建工程既有两波护栏进行评价，根据既有护栏的实际情况，设计一种安全功能的各项指标均满足JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》的要求，具有较好的阻挡功能、导向功能和缓冲功能，防护等级达到A级，防护能量达到160 kJ的升级改造方案。

1 试验

材料的常规力学性能主要将试件放进万能电子试验机夹具中进行常温下的准静态拉伸试验，试验过程中由试验机输出载荷-位移数据，经过式（1）—（4）的处理即可获得材料的真实应力-应变关系。

式中：F、d0、？滓e、？滓t、？着e及？着t分别为试验机输出的载荷、试件原长、工程应力、真实应力、工程应变及真实应变。至少对3个试件进行压缩测试，最终取平均值进行结果分析。

2 测试结果与分析

为清晰了解既有波形梁板的实际防护能力和再利用价值情况，首先需要掌握既有波形梁板的材料特性，因此，本文对既有波形梁板的力学性能进行了常规力学性能研究。真实应力应变曲线如图1所示，拉伸曲线有一个明显的屈服平台。在应变越过屈服平台后，流动应力随应变的增加而增加，直至产生颈缩断裂。高强钢拥有较高屈服强度与抗拉强度，上屈服强度为358 MPa，下屈服强度为332 MPa，同时具有很高的塑性，伸长率达32.3%。

3 既有波形梁护栏升级改造方案设计

本文的既有波形梁护栏升级改造方案结构将按照JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中三级（A级）防护等级要求的试验条件和评价方法开展计算机仿真模拟碰撞试验，经优化设计的最终方案通过实车足尺碰撞试验验证，各项指标须满足评价标准要求。试验碰撞条件见表1。

在护栏进行有限元仿真模拟的过程中，护栏的各部件单元类型采用四边形壳单位，并考虑材料的应变率效应，防阻块与梁板及立柱之间均通过梁单元属性的螺栓进行连接，材料模型采用MAT24号，单元属性采用shell类型。

根据JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中对三级（A级）防护等级护栏试验碰撞条件的规定，本研究首先对护栏方案进行了10 t中型客车、60 km/h碰撞速度、20°碰撞角度条件下计算机仿真模拟碰撞试验。护栏采用宽型托架，升级完成后形成双层双波护栏。方案结构如图2所示，具体参数如下。

1）护栏立柱间距为2 m。

2）下层两波形梁板中心距离路缘石顶面高度为60 cm，上层两波形梁板中心距离路缘石顶面高度为100 cm。

3）新增护栏立柱规格为Φ140×4.5×（2 150+hc）（mm）和Φ140×4.5×（2 550+hc）（mm），新增构件均采用Q235钢材。

4）护栏板采用路侧和中央分隔带拆除的两波形梁板，即规格为4 320×310×85×3（mm）。

经计算机仿真模拟碰撞试验分析（结果如图3所示），优化方案护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能均满足标准要求，中型客车和中型货车碰撞时护栏的W值分别为139 cm和114 cm，VIn值分别为137 cm和202 cm，满足实际工程的防护需求。

4 实车试验

为验证既有波形梁护栏升级改造方案段的安全性能，根据现行JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》三级（A级）的试验碰撞条件（表1），对其进行了小型客车、中型客车和中型货车的实车足尺碰撞试验。

4.1 小型客车试验情况

小型客车碰撞试验时，试验前后护栏的照片分别如图4—6所示。

4.2 中型客车试验情况

中型客车碰撞试验时，试验前后护栏的照片分别如图7—9所示。

4.3 中型货车试验情况

中型货车碰撞试验时，试验前后护栏的照片分别如图10—12所示。

5 效益分析

5.1 经济效益

根据现行JTG/T D81—2017《公路交通安全设施设计》细则中推荐的波形梁钢护栏结构型式，以打入式立柱为例，设置在高速公路的Am级三波形梁钢护栏的用钢量为37.23 kg/延米，本项目的A级双层双波护栏方案新增用钢量23.46 kg/延米，相比于新设17版细则中推荐的A级三波形梁钢护栏节新增用钢量节省约37.0%。如果将本成果在全国高速改扩建工程进行推广应用，将节省超过百亿元的建设资金，具有显著的经济效益。

5.2 安全效益

本研究成果，能为94版规范和06版规范设计设置的护栏改造升级提供了系统的解决方案，通过利用原有两波形梁板研发了符合现行规范标准要求的三级（A级）双层双波护栏和四级（SB级）双层双波护栏，提高了高速公路的整体交通安全防护水平，可有效防止或减少车辆穿越护栏事故的发生，降低公路事故死亡率，发挥了自身的社会价值。

5.3 环境效益

高速公路改扩建工程中，以往对于不再满足现行规范要求的既有护栏构件，多数拆除后回收至冶炼厂重新回炉，重新回炉对环境造成了较大的影响，任何经济数据都很难计算出其对生活环境的影响。本着生态可持续的原则，对原有护栏的两波梁护栏板进行再利用，提升原有护栏的再利用率，一方面减少了新增用钢量，一方面减少了回炉对环境的影响，总体降低能耗，减小了对生态环境的危害，推动了公路交通与生态保护协同发展，深化了绿色公路建设，强化了资源材料循环利用，促进了资源能源节约集约利用。

6 结论

1）本文对既有波形梁护栏进行了评价研究，考虑既有护栏立柱防腐能力较差和建筑限界影响，本文主要利用既有护栏板，对既有护栏的力学性能进行分析，发现其力学性能能满足Q235的要求。

2）通过数值模拟对既有波形梁护栏升级改造方案的结构进行了设计和优化，得到了最终既有波形梁护栏升级改造的设计方案，并对该方案进行了实车碰撞试验，此护栏满足JTG B05-01—2013《公路护栏安全性能评价标准》中三级（A级）防护等级的要求。

3）部分公路的交通组成和交通流量发生了较大的变化，部分路段按94版规范和06版规范设计设置的护栏的防护能力可能与当前需求不匹配，本文解决了该问题。充分利用既有公路的安全设施，提升公路的安全防护水平，达到了“安全合理、经济适用、节能环保、因地制宜”的目的。

参考文献：

[1] 公路交通安全设施设计规范：JTG D81—2017[S]

[2] SICKING D.Manual for Assessing Safety Hardware[Z]. 2009.

[3] ROADSIDE DESIGN GUIDE：AASHTO RSDG-4-2011[S].

[4] STANDARDS B. Road Restraint Systems-Part1： Terminology And General Criteria For Test Methods[S].

[5] STANDARDS S. Road Restraint Systems - Part 2：Performance classes， impact test acceptance criteria and test methods for safety barriers including vehicle parapets[S].

[6] 日本道路协会.车辆用防护栏标准与解说[S].2000.

[7] 公路护栏安全性能评价标准：JTG B05-01—2013[S].

[8] 高速公路交通安全设施设计及施工技术规范：JTJ 074—94[S].

[9] 公路交通安全设施设计规范：JTG D81—2006[S].

[10] 公路交通安全设施设计细则：JTG/T D81—2006[S].

[11] 公路交通安全设施设计规范：JTG D81—2017[S].

[12] 公路交通安全设施设计细则：JTG/T D81—2017[S].

作者简介：作者简介：石杰荣（1971-），男，高级工程师。研究方向为高速公路建设管理。