高速公路波形梁护栏改造方案设计.pdf

交通世界TRANSPOWORLD0 引言近年来，我国高速公路建设和运输事业发展迅速，其安全问题也受到广泛关注。高速公路防撞护栏作为一种重要的交通安全设施，对预防事故、降低事故损失、保障人民群众的生命财产安全具有重要意义1。2006年以前我国使用的高速公路波形梁护栏存在两方面不足，一是防护能量达不到新规范的最低防护能量标准；二是波形梁护栏高度不足，碰撞大型车辆产生侧翻，造成二次伤害。目前对此类护栏改造基本采用拆除重建的方案，不仅工程造价高而且造成了极大的浪费2-3。因此，为了使高速公路波形梁护栏的安全性能得到有效提升，满足我国公路交通安全设施设计规范（JTG D812017）的要求，提出将波形横梁新型结构和传统结构组合在一起的新型护栏，能够适用于高速公路波形梁护栏改造中。1 方案设计原则高速公路波形梁护栏改造方案设计需要遵循“尊重规范，满足标准，注重创新”的原则，对既有波形护栏升级改造，解决其防护能力不足或存在隐患的“不安全”问题，同时节约改造成本4。方案设计的过程中需要满足以下几点：第一，在钢材用量一定的前提下，确定设计新波形梁结构形式及尺寸，提高刚度、提升防护能力；第二，设计整体护栏结构，尽量利用既有护栏材料，环保节约；第三，新波形梁护栏结构应满足我国现行防腐标准规范要求。2 改造方案关键技术2.1 组合式波形梁截面形式的选择组合式波形梁为新横梁+两波形梁，新横梁作为一种单独的梁式结构，其合理的截面形式可直接提高护栏的防护功能和缓冲功能5。2.2 组合式波形梁受力机理的研究组合式波形梁的受力机理研究对梁的力学分析和设计计算具有重要意义，也是本项目的一个难点所在。2.3 组合式波形梁整体安全性研究安全性是指：对大型车辆和小型车辆不同防护要求的安全性，以及在不同加强构件（如缓冲防阻块、防盗加强螺栓）的合理匹配下的整体安全性，包括防护能量、缓冲指标和导向能力等综合表现。3 改造方案的技术路线采用科学与实际结合的研究方法，调查项目所在地区的高速公路交通流特点，将车型与规范规定的实验参数结合起来，采用计算机模型车辆模拟试验和实车碰撞试验相结合的方法进行试验，具体步骤如下：1）通过高速公路实地调查，并收集道路相关事故资料、相关波形梁护栏的研究资料、护栏研究的最新进展等，为整个课题的研究做准备。2）通过理论计算分析、模型试验，初步分析波形梁护栏的受力特点；通过计算机仿真，进一步探索加强波形梁护栏的受力特点，并建立波形梁护栏的力学模型，确定护栏横向位移量的合适尺寸。3）根据力学分析的结果，结合施工工艺的要求，以及景观设计，确定详细结构形式，并通过计算机动态数值模拟进行结构参数的优化。4）通过实车足尺碰撞试验，检验护栏的防护性能是否满足评价标准的要求。如果不满足，则返回第2步或第3步再次进行研究；如果满足要求，继续下一步。5）详细研究施工工艺，绘制施工标准图。收稿日期：2023-01-05作者简介：李想（1984），男，黑龙江大庆人，硕士，高级工程师，研究方向为道路工程。基金项目：吉林省交通运输厅重点科研项目（2019-1-12）高速公路波形梁护栏改造方案设计李想1，谷凤娇2，贲放1（1.吉林省高速公路集团有限公司，吉林 长春 130000；2.吉林省交通运输综合行政执法局，吉林 长春 130000）摘要：通过对既有高速公路波形梁护栏改造方案的分析，在满足新的护栏碰撞等级要求的前提下，充分利用原结构，提出了适宜的高速公路波形梁护栏加固改造方案，以计算机仿真模拟碰撞测试、实车足尺碰撞试验与实体工程验证的方法，分别对小型客车、中型客车、中型货车进行碰撞模拟，并对结果进行护栏防护性能评价，得到适用于目前我国高速公路波形梁护栏改造的方案。关键词：波形梁护栏；改造方案；计算机仿真模拟碰撞测试中图分类号：U417文献标识码：A37总657期2023年第27期（9月 下）6）开展实车碰撞试验。4 改造方案的初步设计通过查阅相关资料6-7发现，在原护栏基础上加密立柱并在原有护栏板上层增加一层护栏板，将原有的护栏改造为双层双波护栏的方案已经有所研究，通过上文改造方案的关键技术和技术路线，确定本文改造方案的初步设计方案如下：通过重新等间距打入护栏立柱，对中分带埋设的通信管线会造成影响，同时原有立柱尺寸114 mm不满足现行规范140 mm的要求，经综合考虑提出在原114 mm立柱外套立柱140 mm改造为双层双波护栏的方案。具体方案为：拆掉原护栏防阻块，将原114 mm打深10 cm，再利用内径为114 mm外径140 mm立柱贴近打入，同时注意140 mm立柱防阻块螺栓孔应与原114mm立柱孔重合，安装防阻块、安装波形板。护栏改造形式如表1所示，护栏改造平面图如图1所示，护栏改造纵向图如图2所示。单位：mm图1 护栏改造平面图1单位：mm图2 护栏改造纵向图2表1 护栏改造形式项目类型立柱尺寸/mm立柱间距/m波形板层数和厚度/mm连接方式防护能量/kJ原护栏1144单层3防阻块或托架70改造后波形护栏内114+外1404上层4，下层3直接连接1605 改造方案的试验验证为确定上文所述的改造方案初步设计的合理性，需要对其进行试验验证。采用计算机仿真模拟试验、实车足尺碰撞试验与实体工程验证的方法，利用有限元理论建模，研究车辆行驶状态、护栏最大动态变形值、车辆驶出轨迹及护栏变形等情况8-9。经实车足尺试验检测，需要满足 公路护栏安全性能评价标准（JTG B05-012013）三级（A级，防护能量大于等于160 kJ）防护等级的要求。模拟碰撞的双层双波梁护栏长度为72 m，由18段二波形梁板连接组成，依据公路护栏安全评价标准（JTG B01-052013）对护栏进行模拟碰撞，车辆撞击护栏位置在护栏顺行车方向1/3处。A级护栏碰撞条件如表2所示。表2 A级护栏碰撞条件防护等级三级防护等级代码Am设计防护能量/kJ160车型小型客车中型客车中型货车车辆总质量/t1.51010碰撞速度/（km/h）1006060碰撞角度/o2020205.1 小型客车模拟碰撞小型客车模拟碰撞仿真如图3所示。由图3可知，小型客车碰撞过程中姿态正常，无绊阻，能够顺利导出。护栏W值为580 mm，加速度为39.7 m/s。5.2 中型客车模拟碰撞中型客车模拟碰撞仿真如图4所示，中型客车导向驶出框示意图如图5所示。由图4和图5可知，中型客车碰撞过程中车辆行驶姿态正常，行驶无绊阻，可以顺利导出。护栏W值为1 110 mm。客车横向偏移要求不超过8.532 m，仿真结果为4.179 m，符合标准要求。5.3 中型货车模拟碰撞结果中型货车模拟碰撞仿真如图6所示，中型货车导向图3 小型客车模拟碰撞38交通世界TRANSPOWORLD驶出框示意图如图7所示。由图6和图7可知，中型货车碰撞过程无绊阻，导出顺利，由于货车的重心较高，碰撞时车辆倾斜的角度偏大。护栏W值950 mm，大货车横向偏移要求不超过8 m，仿真结果为4.957 m，符合标准要求。图6 中型货车模拟碰撞图7 中型货车导向驶出框示意图6 护栏防护性能评价对高速公路波形梁护栏的防护性能评价主要从阻挡功能、缓冲功能、导向功能三个方面进行评价10。6.1 阻挡功能改造方案能够阻挡车辆穿越、翻越和骑跨，护栏构件及其脱离件不得侵入车辆乘员舱。6.2 缓冲功能乘员碰撞速度的纵向与横向分量不得大于12 m/s，乘员碰撞后加速度的纵向与横向分量均不得大于200 m/s2。6.3 导向功能车辆碰撞后不得翻车，车辆驶出驶离点后的轮迹符合导向驶出框的要求。7 结束语根据以上模拟仿真碰撞结果的分析评价，该波形梁护栏能够满足公路护栏安全性能评价标准（JTGB05-012013）三级（A级）防护等级的要求，满足高速公路波形梁护栏的防护性能中阻挡功能、缓冲功能、导向功能的要求。说明该改造方案科学合理，可在高速公路项目中推广应用。参考文献：1 陈晖，姜超，丁旭东，等.波形梁钢护栏升级改造技术研究J.中外公路，2016，36（2）：331-334.2 肖旭.公路工程波形梁钢护栏的施工质量问题与控制措施探究J.西部交通科技，2022（8）：102-104.3 吴俊.基于安全性的波形梁钢护栏检测技术探讨J.福建交通科技，2021（10）：120-122.4 郭俊旗.公路工程波形梁钢护栏旧板翻新施工技术要点分析J.运输经理世界，2021（33）：19-21.5 连文峰，樊琳.关于公路波形梁钢护栏工程施工安全控制研究J.公路交通科技（应用技术版），2019，15（1）：168-170.6 阿林香高速公路波形梁钢护栏施工技术分析J中国新技术新产品，2020（20）：97-997 顾莉，张苗，刘拥辉.桥梁中分带波形梁钢护栏改造技术方案研究J.公路交通技术，2019，35（3）：128-133.8 李春.公路路面大中修后波形梁钢护栏提质升级设计研究J.工程技术研究，2021，6（4）：216-217.9 薛瑞云.浅谈高速公路现役波形梁钢护栏评价方法J.北方交通，2021（9）：66-68.10 王科超，常安德.基于PC-Crash的公路护栏标准段安全性评价研究J.现代交通技术，2022，19（3）：78-82，88图4 中型客车模拟碰撞图5 中型客车导向驶出框示意图39