基于两波板再利用的公路中央分隔带开口护栏开发研究.pdf

2023.23 科学技术创新基于两波板再利用的公路中央分隔带开口护栏开发研究邰永刚1，杨杰2（1.北京交科公路勘察设计研究院有限公司，北京；2.福建省高速技术咨询有限公司，福建 福州）引言中央分隔带开口护栏是设置于公路中央分隔带开口处、具有开启功能的公路护栏结构段，其主要功能是在紧急情况下方便一些特殊车辆（如交通事故处理车、急救车等）行驶到对向车道，或在一侧道路施工封闭时车辆可临时进入对向车道通行。现行 公路交通安全设施设计规范1中对开口护栏的防护等级、开启时间以及过渡处理均提出了具体的要求，但没有相应的设计图参考，因此目前公路上出现了多种不同结构形式、不同等级的开口护栏。目前的开口护栏结构形式主要包括预应力式、框架式、组合式等等，防护等级涵盖 Am 到 SAm 多个等级。开口护栏的结构基本是以钢管预应力索以及三波板横梁、型钢横梁为主要材料，而高速公路在进行护栏提质升级改造过程中，由于两波梁护栏已无法满足现行规范的防护等级要求，目前采用的主要方法是对原护栏材料进行应用，应用较多的是双层两波梁护栏方案，例如石安高速护栏采用的 3 mm 双层两波护栏，其最终检测护栏的防护能量为 147 kJ2；交通部西部课题 高速公路波形护栏防撞能力提升改造技术研究 中，研究了双层双波形梁板方案，该方案预留 1 次路面加铺的需求，防护能量达到 160 kJ 以上3，另外团体标准 高速公路护栏改造技术指南4中也提供了多种波形梁护栏防护能力提升方案，由于部分公路在进行护栏改造中淘汰的两波板数量巨大，而高速公路、一级公路中央分隔带开口护栏需求较多，因此考虑将旧两波板应用到开口护栏结构中，本文根据开口护栏的功能需求、结构需求以及旧两波板护栏材料现状，设计一种双层两波板开口护栏，其防护等级达到现行规范的 Am 级。1需求及现状分析1.1开口护栏功能需求及评价标准根据现行设计规范公路交通安全设施设计规范 要求，开口护栏应具备的功能包括以下几个方面：（1）应有效地组织非紧急车辆在中央分隔带开口处的通行。（2）中央分隔带开口护栏应方便开启与关闭、具有可移动性，宜在 10 min 内开启 10 m 及以上的长度。（3）应与相邻中央分隔带护栏能合理过渡。（4）中央分隔带开口处活动护栏的两固定端安装应牢固，连接部分应具有防盗功能。从上述要求分析，开口护栏应具备在紧急情况下可快速开启，而在常态情况下应保持关闭且具备防盗功能，开口护栏要与两侧连接的正常段护栏有效过基金项目：福建省交通运输科技项目（2020-123-033）。作者简介：邰永刚（1979-），男，硕士研究生，正高级工程师，主要研究方向：交通安全设施结构设计、产品研发。摘要：为充分利用公路在提质升级过程中拆卸下的旧两波板，提高公路安全设施的可重复利用率，基于两波板的力学性能、防腐性能分析结果，设计了一种双层两波式开口护栏，采用计算机仿真分析方法对开口护栏的防护性能进行了优化设计，研究了不同碰撞点条件下开口护栏的防护性能，并采用实车碰撞试验方法对护栏结构进行了验证，验证结果显示该护栏的阻挡功能、缓冲功能、导向功能均满足现行评价标准要求，防护等级为 Am 级。关键词：两波板；中央分隔带开口护栏；实车碰撞试验；计算机仿真；再利用中图分类号院U417.1文献标识码院A文章编号院2096-4390渊2023冤23-0145-04145-科学技术创新 2023.23渡，从而降低车辆碰撞中央分隔带护栏段部导致绊阻的事故隐患。而根据 公路护栏安全性能评价标准5要求，开口护栏应具备的防护功能包括：阻挡功能、缓冲功能以及导向功能，开口护栏的碰撞点均应位于中央分隔带开口护栏中点和沿试验车辆行车方向距离中央分隔带开口护栏终点 2 m 位置处，因此开口护栏的防护性能验证需要进行 6 次实车碰撞试验检测。1.2旧护栏现状旧护栏材料在使用一段时间后由于受气候、碰撞等影响可能出现材料性能下降的问题，为验证旧护栏材料的可靠性，选取了我国南方沿海省份浙江省，北方地区的山东省以及内陆运营环境较差（运煤通道）的山西为研究对象，对其已营运高速公路上的护栏材料进行拉伸试验检测，以确定其材料性能在何种情况下可以满足使用要求。选取护栏立柱、两波板、防阻块等构件进行检测，每种材料检测三次，取平均值。所选取护栏的样品材料使用期限超过 10 年，且材料无明显锈蚀现象，镀锌层厚度可小于建设起标准，但外观应保持完好。表 1不同地域护栏材料拉伸试验数据从表 1 的检测结果分析，护栏材料在镀锌层没有明显破坏的条件下，其材料的屈服强度以及抗拉强度与标准 Q235 材料相比变化不大，材料仍能保持较好的强度和延伸率，从数据分析中可以认为，这些护栏材料在公路上拆除后仍然可以回收利用。2护栏结构设计结合公路波形梁护栏改造方案研究，为最大程度的利用原有护栏构件，开口护栏仍采用双层两波板护栏结构设计，由于护栏板长度为标准板，长度为 4 320mm，因此立柱间距根据横梁长度设置，标准段长度为4 000 mm，共设置 3 根立柱，路面预埋套筒，深度不小于 30 cm。立柱采用外套管的形式与六角形防阻块连接，防阻块与护栏板连接。护栏标准段两波板两端采用了传统护栏的拼接连接，下层防阻块底部设置支架和万向轮，以使护栏方便移动。图 1护栏标准段设计建立该护栏的仿真计算模型，如图 1 所示，分别采用中型客车、中型货车以及小型客车对护栏防护性能进行分析，考虑到过渡位置的护栏刚度较大，在进行初步结构设计时仅对碰撞护栏中部位置进行验证。验证结果显示，护栏防护性能均满足评价标准要求。中型客车碰撞时，护栏虽然能阻挡车辆，但由于防阻块刚度较低，导致护栏变形量较大，车辆沿护栏爬升，翻车风险增加，如图 2 所示。同时，虽然护栏采用护栏板搭接的方式提高了连接强度，但由于搭接方式采用了螺栓连接，打开、关闭时操作难度大，且开口护栏为双向顺搭设计，导致单节开口护栏无法平移，很难满足护栏快速开启的时间要求，需要对结构进行相应的优化设计。图 2大客车碰撞护栏防阻块挤压变形及车辆爬升3护栏防护性能优化分析根据初步结构设计分析结果，将立柱外套管的形式调整为套管与防阻块一体化结构，为降低防阻块变形将其设计为楔形结构，与护栏板直接连接。护栏标准段两端采用了对接连接，两波板段部设置加强连接试样号 屈服强度 RP 0.2/Mpa 抗拉强度Rm/Mpa 延伸率 A/%SD140-1 374.7 465.3 26.3 NB140-3 370.0 480.7 31.0 SD114-3 341.0 445.3 26.5 SX114-3 332.0 413.3 27.2 SXB-3 318.0 410.0 33.2 SDB-3 332.7 420.3 33.0 NBB-3 315.0 440.7 34.2 SXK-3 336.7 467.3 26.7 Q235 235 375 20 146-2023.23 科学技术创新件，单侧设置一个连接销连接，以实现护栏可平移开启，如图 3 所示，下层防阻块底部设置支架和万向轮，方便护栏移动。图 3护栏连接部设计采用三种车型进行碰撞仿真分析，验证结果显示，各车型碰撞护栏中部位置后，护栏的阻挡、缓冲、导向功能均满足评价标准要求，中型客车及货车碰撞时，碰撞区域立柱变形明显，护栏连接部产生错位，但护栏连接没有失效。各车型碰撞距离护栏端部 2 m 位置时，护栏过渡部分的各项功能也满足评价标准要求。根据仿真计算结果分析，该方案可作为实车碰撞试验推荐方案进行试验。4实车碰撞试验验证4.1样品安装该中央分隔带开口护栏由护栏标准节、连接销组成，开口护栏两端与标准中央分隔带护栏过渡连接。护栏标准节长 4.32 m，单节立柱间距 1.75 m；节间立柱间距 0.82 m；其主要结构件有厚度为 4 mm 的两波形梁板，渍140伊4.5伊1355（mm）插拔立柱，由厚度 4.5 mm的折弯板、渍159伊5.0（mm）支撑管及 50伊30伊4（mm）方管脚轮支架组成的套管框架，以上钢材材质为 Q235；连接销为 渍30伊490（mm），材质为 45#钢；护栏安装总高度 1.01 m，安装宽度 0.50 m，安装长度 42.88 m，安装后样品如图 4 所示。图 4护栏试验样品安装4.2碰撞护栏中部车辆碰撞护栏过渡段后，均能安全驶出，没有翻车、穿越、骑跨现象，车辆没有驶出驶出框，小客车碰撞时车辆最大加速度值为横向 94.3 m/s2，最大碰撞速度为 6.3 m/s，满足评价标准要求。从碰撞结果看，小型客车在与开口发生碰撞后，护栏变形较小，但中型客车与货车碰撞时，护栏变形较大，且护栏标准段连接处出现了较为明显的错位现象，如图 5 所示，护栏各项评价指标均满足评价标准要求，如表 2 所示。图 5护栏连接处错位4.3碰撞护栏端部车辆碰撞护栏过渡段后，均能安全驶出，没有翻车、穿越、骑跨现象，车辆没有驶出驶出框，小客车碰撞时车辆最大加速度值为横向 140 m/s2，最大碰撞速度为 6 m/s，满足评价标准要求。从碰撞结果看，护栏变形较为平顺，各项评价指标均满足评价标准要求。表 2护栏变形试验结果护栏中部 端部 2m 位置 具体指标 小型客车 中型客车 大型货车 小型客车 中型客车 大型货车 护栏最大横向动态变形值 D/m 0.30 0.90 0.80 0.25 0.80 0.75 护栏最大横向动态位移外延值 W/m 0.80 1.15 1.05 0.75 1.15 1.05 车辆最大动态外倾值 VI/m-0.95 0.85-1.10 0.95 车辆最大动态外倾当量值 VIn/m-1.10 1.75-1.35 2.05 147-科学技术创新 2023.23Development and Research of HighwayBarriers of Median Opening Based onReuse of W-beamTai Yonggang1,Yang Jie2（1.Rioh Transport Consultants Ltd,Beijing,China;2.Fujian Provincial Expressway Technology Consulting Co.,Ltd.,Fuzhou,China）Abstract：In order to fully utilize the old W-beam dismantled during the upgrading process of highwaysand improve the reusability of highway safety facilities,a double-layer W-beam opening barrier was designedbased on the mechanical and anti-corrosion performance analysis results of the W-beam.The protective per原formance of the opening barrier was optimized using computer simulation analysis method,and the protectiveperformance of the opening barrier under different collision point conditions was studied.The barrier structurewas verified using full scale test method,and the verification results showed that the barrier function,buffer原ing function,and guidance function of the barrier met the current evaluation standards,with a protection levelof Am.Key words:w-beam;highway barriers of median opening;full-scale test;computer simulation;reuse结束语基于公路护栏设置现状，两波板护栏在高等级公路中已逐渐被三波板护栏淘汰，本文以旧两波板为基础材料，研究了一种中央分隔带开口护栏。通过实车碰撞试验验证，其防护等级达到了现行规范的 Am级，可适用于高等级公路的中央分隔带开口防护。该护栏结构充分利用旧护栏构件，避免了公路养护、改造中的材料浪费，提高了公路养护、建设项目的绿色化进程，有效降低了公路建养过程中的碳排放。参考文献1JTG D81-2017.公路交通安全设施设计规范S.北京：人民交通出版社，2017.2邰永刚，张绍理，高水德.高防护等级钢护栏改造方案研究J.公路工程，2009，34（2）：140-143.3交通运输部公路科学研究院.高速公路波形护栏防撞能力提升改造技术研究总报告R.2017.4T/CHYTS 10030-2021.高速公路护栏改造技术指南S.北京：人民交通出版社，2021.5JTG B05-01-2013.公路护栏安全性能评价标准S.北京：人民交通出版社，2013.148-