单坡面混凝土桥梁中分带护栏安全性能分析.pdf

第 3 5卷 ， 第 6期 2 0 1 0年 1 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 5，No 6 De c， 20 1 0 单坡面混凝 土桥梁 中分 带护栏安全性能分析 闫 书明 ，李康 全 ，荆 坤 ，马 亮 ， 唐 键 ，陈翔 云 ( 1 北京中路 安交 通科技有 限公 司，北京 1 0 0 0 7 1 ； 2 湖南永蓝高速公 路有 限公 司 ， 湖南 永州4 2 5 0 0 0 ； 3 中 交公路 规划设计 院有 限公 司，北京 1 0 0 0 8 8 ) 摘要为将单坡面混凝土路 基段 中分 带护栏应用 于桥梁上 ， 给出设计方案 ， 运用计算机仿 真和实车 碰撞 试 验相结合 的方法对其安全防护性能进行分析 。结果表明 ， 桥梁段 中分带护栏防撞性能高于经试验 验证 的路 基段护 栏 ， 各项 指标满 足评价标准要求 ， 防撞能力达到 S A m级 4 0 0 k J以上 ， 同时桥梁段护栏对 基础嵌 固依赖 性小 ， 更加 可 靠 。可见桥梁段单坡面护栏满足安全防护需 求 ， 可 以在实际工程 中应用。 关键词 护栏 ； 碰撞实验 ； 有 限元 ；计算机仿真 ； 安全评价 中图分 类号 】u 4 1 7 1 2 文献标识码 A 文章 编号1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 - 0 0 5 4 0 5 S a f e t y Ev a l u a t i o n o f S i n g l e S l o p e Co n c r e t e Br i d g e Ba r r i e r YAN S h u mi n g ，LI Ka n g q u a n ，J I N Ku n ，M A Li a n g ，TANG J i a n ，CHEN Xi a n g y u n ( 1 B e i j i n g Z h o n g l u a n T r a ffic T e c h n o l o g i c a l C o ， L t d B e i j i n g 1 0 0 0 7 1， C h i n a ； 2 Hu n a n Yo n g l a n E x p r e s s wa y C o ， L t d Yo n g z h o u，Hu n a n 4 2 5 0 0 0，C h i n a ； 3 C C CC Hi g h w a y Co n s u l t a n t s C o ， L t d B e i j i n g 1 0 0 0 8 8 ， C h i n a ) A b s t r a c t I n o r d e r t o a p p l y s i n g l e s l o p e c o n c r e t e me d i a n s u b g r a d e b a r r i e r t o b r i d g e s e g e me n t ， d e s i g n s c h e me s we r e b r o u g h t o u t a n d s a f e t y e v a l u a t i o n we r e d o n e o n br i d g e b a r r i e r b a s e d o n c o mp u t e r s i mu - l a t i o n a n d r e a l v e h i c l e i mp a c t t e s t Th e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e s a f e t y p e r f o r ma n c e o f b r i dg e me d i a n b a r - r i e r i s mu c h be t t e r t h a n t h a t o f s u b g r a d e b a r r i e r wh i c h h a s b e e n po r v e d b y p h s i c a l t e s t ，t h e c r a s h wo r t h n e s s c l a s s o f b r i d g e b a r r i e r me e t S Am wh i c h a b l e t o h o l d o n 4 0 0k J i mpa c t e n e r g y f o r e v e r y i n d e x me e t t h e e v a l u a t i o n r e q ui r e me n t s，a n d t h e b r i dg e b a r r i e r i s mu c h r e l i a b l e f o r l e s s d e p e n d e n c e t o b u i l t i n b a s e me n t R e s e a r c h r e s u l t s h a v e c o n c l u d e s t h e b r i d g e b a r r i e r c a n b e a p p l i e d i n p r o j e c t f o r i t me e t s s a f e t y r e q ui r e me n t Ke y wo r d s B a r r i e r ； I mp a c t t e s t ；F i n i t e E l e m e n t Me t h o d ； C o mp u t e r S i m u l a t i o n ； S a f e t y E v a l u a t i o n 中分带护栏作为一种重要交通安全设施， 在防 止车辆穿越 中分带与对 向车辆碰撞方面发挥了重要 作用。某路基段 中分带护栏采用单坡 面素混凝 土结构 ， 具有 施工 方 便 、 造 价 低廉 、 维修 养 护 费 用低 等诸多优点 ， 经实车足尺碰撞试验验证该护栏具备 S A m 级 4 0 0 k J的 防护 能 力 。 为 了将 该 护 栏 形 式 应 用于桥梁段 ， 需对护栏基础和结构进行改进 ， 更需要 对改进护栏的安全 防护性 能进行分析论证 ， 确保其 防护能 力不低 于 S A m 级 4 0 0 k J 。 提 出单坡面混凝土 中分带护栏桥梁段设置方 案 ， 建立有限元仿真模型 ， 结合碰撞试验 ， 对其安全 防护性能进行分析。 1 碰撞条件与 防撞指标 护栏的碰撞条件包括车型 、 车重 、 碰撞速度和碰 撞角度四大因素- z “ ， 用来对护栏 的安全防护性能 进 行 评价 。护栏 的安 全 防护性 能主要 包括 防撞性 能 指 标 和乘员 风 险指标 。小 型车辆 质量 小且 运行速 度 高， 所产生的冲击加速度较大， 易对乘员形成严重伤 害， 因此采用小型车碰撞主要对护栏的乘员风险指 标进行评价 ； 大型车质量大， 对护栏 的损坏大， 因此 采用大型车碰撞主要对护栏的防撞性能进行评价。 混凝土护栏 的乘员风险指标主要和坡面形式有关 ， 由于该部分研究较为成熟 “ ， 这里仅对单坡面混 收稿 日期2 0 1 0 0 6 2 1 作者简介】闰书明( 1 9 7 6 一) ， 男， 山东德州人 ， 硕士 ， 工程师， 主要从事交通安全设施研 发。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6 期 闫书明 ， 等 ： 单坡 面混凝 土桥梁 中分带护栏安全性 能分析 5 5 凝 土 护栏 的防撞 性能 进行研 究 。 根 据规 范规定 S A m 级护 栏 的碰撞 条 件 为 ： 速 度 为 8 0 k m h的 1 4 t 大客车 以2 0度角碰撞护栏 。 根 据规 范 ， 确 定 防 撞 性 能 评 价 指 标 为 ： 试 验 车 辆不得 穿越 、 翻越 、 下 穿 护栏 ， 护 栏 碎 片不 得 侵 入 驾 驶室 及阻挡 驾驶 员 视 线 ； 试 验 车 辆驶 出角 度 小 于 碰撞角度 的 6 0 ； 碰撞后 车辆恢 复到正 常行驶 姿 态 ， 不发生横转 、 掉头 、 翻车等现象 ； 混凝土刚性护栏 最大 动态变 形小 于 0 1 m。 2路基段护栏 2 1护 栏 结 构 图 1为单坡面混凝土护栏示意图。护栏顶部距 路面以上 9 6 c m， 底部两侧通 过混凝土预制块嵌 固 深度 为 1 0 c m， 坡 面 高 度 为 8 1 c m； 顶 面 宽 度 为 2 0 c n l ， 底 面宽度 5 0 c m； 混凝 土 标 号 为 c 单 坡 面 混凝 土护栏 的设 计 防撞等 级 为 S A m 级 。 图 1单坡面混凝土护栏 F i g 1 Sk e t c h o f s i n g l e s l o pe c o n c r e t e ba r r i e r 2 2碰 撞 试验 试 验护 栏模 型 长 4 8 m， 试 验 车 辆 为 大 型 客 车 ， 其结构尺寸为 1 0 8 m长 x 2 5 m宽 X 2 7 m高 ， 车 辆 自重 9 7 t ， 配重 至 1 4 t 。图 2为碰撞 试 验模 型 。 ( a ) 试验车辆 ( b ) 试验护栏 图 2试验模型 Fi g 2 Te s t mo d e l 图 3为按试验条件组织 的碰撞试验 结果 ， 可见 试验车辆没有穿越 、 翻越 、 下穿护栏 ， 护栏碎片没有 侵入 驾驶 室及 阻挡 驾 驶员 视 线 ； 试 验 车 辆 驶 出 角度 接近 0度 ， 小 于碰 撞 角 度 的 6 0 ； 车 辆 驶 出护 栏 后 恢复到正常行驶姿态 ， 没有发生横转、 掉头、 翻车现 象； 护栏表面留有大面积的刮擦痕迹 ， 出现通长的裂 纹 ， 但最大动态变形小于 0 1 m。可见大客车碰撞 护 栏各 项指 标 均 满足 评 价 标 准 的 要 求 ， 具 备 4 0 0 k J 的防撞 能力 ， 防撞 等级 达 到 S A m级 。 ( a ) 碰撞 试验过 程 ( b ) 护栏变形 ( c ) 混凝土裂纹 图 3碰 撞 试 验 Fi g 3 I mp a c t t e s t 3桥梁段 护栏 设计 图 4为桥 梁段 单坡 面混 凝土护 栏设 计方 案 。根 据护 栏 基础嵌 固深 度不 同 ， 设 计 了 2种方 案 ： 方 案 1 适用 于 嵌 固深 度 大 于 1 5 c m 的 护栏 基 础 ， 方 案 2适 用 于嵌 固深 度 为 1 0 c m 的护 栏 基 础 ； 2种 方 案 的护 栏墙体 以经过试验 的护栏结构为基础 ， 通过配筋加 强， 以增强其整体受力性能； 2种方案均通过搭板设 置在桥 梁翼 板上 ， 方 案 1由于嵌 固深 度 大于 1 5 c m， 搭 板采 用钢 筋混 凝 土结 构 ， 方案 2由于 搭 板厚 度 仅 为 1 0 c m， 采用槽 钢 混 凝 土 结 构 来增 强 搭 板 的 抗 弯 强 度 。 由于墙体结构 、 基础形式、 护栏墙体嵌固部分两 侧结构 、 基础宽度与试验护栏有所不同， 需要对两种 桥 梁单坡 面混 凝 土护栏 安全 防护性 能进 行分 析 。 4桥梁段护栏 防撞性 能分析 通过建立路基段 和桥梁段护栏有 限元仿真模 型 ， 运 用定 性对 比的 方法 对 嵌 固基础 桥 梁 段 护栏 防 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 6 公路工程 3 5卷 磊 搭板 f 1| l L 一 ：J ：j： f： t f I l 0 l ( a ) 方案 1 一 I 21 1 l )0 l 图 4 桥 梁段单坡面 混凝土护栏 F i g 4 S i n g l e s l o pe c o nc r e t e b a r r i e r a t br i dg e s e g e me n t 撞性 能进 行分 析 ； 另外 建立 平摆 浮搁模 型 ， 对 基础 最 不利 条件下 桥 梁段护 栏 的安 全 防护性 能进行 分析 。 4 I碰 撞 模 型 利用 H Y P E R ME S H软 件 ， 按 1： 1比例建立 车辆 和护 栏 的 L S - D Y N A有 限元 仿 真模 型 。 为获得精 确的车辆几何尺寸 ， 采用拆车方法建 立车 辆有 限元仿 真模 型 。 由于 车 身结构 主要是 薄壁 金属件， 单元类型以擅长大变形 的四边形单点积分 壳单 元为 主。 为获 得 良好 单 元 质 量 ， 控 制 碰撞 区域 的四边形单元翘屈度小于 l 5 。 ， 长宽 比小于 4， 最大 角小 于 1 3 5 。 ， 最小 角大 于 4 5 。 ， 三 角形 单 元 的数量 在 5 以内， 最小特征长度控制在 5 m m左右。车身各 部分主要采用点焊连接 ， 车门和车体通过铰接点单 元连接。对于护栏结构 ， 混凝土和槽钢采用六 面体 单元 模拟 ， 钢筋 结构 采用 梁单 元模 拟 ， 碰撞 区单元 翘 屈 度小 于 5 。 ， 长 宽 比小 于 2 ， 最 大 角 小 于 1 2 0 。 ， 最 小 角 大于 6 0 。 ， 最小 特征 长度 控制 在 1 0 m m左 右 。 图 5为建 立 的车辆模 型 。 图 5车辆模 型 Fi g 5 Ve h i c l e mo d e l s 4 2嵌 固基 础护 栏 防撞 性 能 图6 为嵌 固基础 护栏 模 型 ， 用 于对 正 常工 况 图 6嵌 固基础护栏模型 Fi g 6 Ba r rie r mo d e l wi t h bu i l t i n ba s e me n t 下 护栏安 全防 护性能 进行 分析 。 图 7为嵌 固基础护栏仿真计算结果 ： 路基段护 栏仿真结果与前述碰撞试验结果相一致 ， 验证 了仿 真模型的可靠性 ； 车辆碰撞 3种护栏行驶轨迹几乎 相 同 ， 没有穿 越 、 翻越 、 下穿护 栏 ， 护栏 碎 片没有 侵入 驾 驶室及 阻 挡 驾 驶员 视 线 ； 车 辆 驶 出角 度 接 近 0 。 ， 小 于碰撞 角度 的 6 0 ； 车辆 驶 出护 栏后 恢 复 到 正常 行驶姿态 ， 没有发生横转 、 掉头 、 翻车现象 ； 路基段护 栏表面仿真结果出现大 面积的刮擦痕迹 ， 护栏结构 出现了通长裂纹 ， 两种桥梁护栏刮擦受损程度减少 ， 裂纹消失 ， 搭板也未出现结构破坏等现象 ， 3种护栏 的最 大动 态变形 量 均小 于 0 1 m。 可见桥 梁 护栏 相 对于已通过碰撞试验验证的路基段护栏结构强度明 显增强 ， 防撞 能力 在 S A m级 4 0 0 k J能量 以上 。 4 3基 础 最不利 护栏 防撞 性 能分析 图 8为平 摆 覆 搁护 栏 模 型 ， 用 于对 基 础最 不 利 条件下护栏安全防护性能进行分析。 图9 为平摆浮搁模 型碰撞结 果 ： 路 基护栏 由于 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 6期 闰书 明， 等 ： 单坡面混凝土桥梁中分带护栏安全性能分析 5 7 霍 ：0 1 2 s l =0 3 4 ( a j 碰撞仿真过程 ( b ) 护栏变 彤 ( c ) 护栏 应力 图 7嵌 固基 础 护栏 仿真 结 果 F i g 7 S i mu l a t i on r e s ul t s o f b a r r i e r mo de l wi t h b ui l t i n b a s eme n t 图 8平摆覆搁护栏模型 Fi g 8 Ba r r i e r mo de l wi t ho ut b u i l t i n b a s e me nt 图 9平 摆 覆搁 护 栏模 型 仿 真 结 果 F i g 9 S i mu l a t i on r e s ul t s o f b a r r i e r mo d e l wi t h o ut bu i l t i n b a s e me nt 基础嵌固出现断裂和倾覆现象 ， 不满足安全防护要 求 ； 桥 梁护 栏 由于配 筋 和 刚性 底 板 整 体性 能 明显 加 强， 防护性能没有受到 明显影响， 仍具有 S A m级防 撞 等级 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 8 公路工程 3 5卷 ( 上接 第 2 8页) 表 1为 某选 址 问题 中 ， 影 响 选 址 的可 达性 因素 及 其权重 。 表 1 影响选址的可达性因素及其权重 Ta b l e 1 Fa c t o r s o f a c c e s s i b i l i t y a n d t h e i r we i g h t s a f f e c t i ng l o c a t i o n s e l e c t i o n 可达性 主要影响因素 权重 可达性主要影响因素 权重 交通枢纽0 1 5 道路等级0 1 土地 价 格0 2 旅 行 时 间0 1 土地规模0 1 舒适 度0 0 5 土地开发强度0 1 拥堵情况0 0 5 区位吸引力0 1 5 5 4 算例应 用 某 城市有 6个 小 区 ( 城 区 中 心 ) 的坐 标 和客 运 需 求量 ( 见表 2 ) 。 表 2 6个小 区的数据 Ta bl e 2 The d a t a o f 6 z o n e s 根据重心法 ， 得到迭代计算结果见表 3 。 表 3 迭代计算的结果 Ta bl e 3 The r e s u l t s o f t h e i t e r a t i v e c a l c ul a t i o n 对 于以上选 址 方案 ， 考 虑 到影 响 城 际轨 道 交 通 枢纽选址 的可达性 因素 及其权 重 ， 进行综 合评 定 ( 见表 4 ) 。 表 4评价情况 Ta b l e 4 Ev a l ua t i on s 根据表 4， 计算出各方案的评价值为： CA=0 3 3 9， CB=0 4 6 5， Cc=0 3 0 5 因此 ， 根据可达性因素的综合分析 ， 3个城际轨 道交通枢纽选址方案中址排位第 l ， 址排位第 2 ， 址 排 位第 3 。 6 结 论 通过对可达性的分析， 构造了在交通情况 、 区位 条件等因素约束下 ， 综合考虑城际轨道交通枢纽在 区域 交通 网络 中 的 可达 性 指 标 的 城 际 枢 纽 选 址 模 型 ， 以实现 城际 轨道 交 通 枢 纽 的选 址 分 析 的定 性 和 定量 相结合 ， 是 一种 可行 的 、 全 面 、 合 理 的选址方 法 。 参考文献 1 裴欣 基于步行可达性的公共服务设施布局优化研究 D 清华 大学硕士学位论 文， 2 0 0 7 2 罗铭城市交通与土地利 用互动关 系研究 D 北京工业大 学博士学位论文 ， 2 0 0 8， 1 0 3 孙焰 现代物流管理技术 建模理论及算法设计 M 上 海 ： 同济大学出版社 ， 2 0 0 4 4 刘国龙 ， 吴小萍 ， 孟详 定 基于分层 模糊法 的城市 轨道交 通规 划优化决策研 究 J 公路工程 ， 2 0 0 8 ， 3 3 ( 1 ) ： 4 4 4 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m