高速公路波形梁護欄損壞等級劃分

高玉恒，陳 慧，李志強，劉孔杰

(1.河北省高速公路石安管理處，河北石家莊050031;2.北京深華達交通工程檢測有限公司，北京102208)

我國高速公路上使用的護欄按里程來計算，波形梁護欄占絕對優(yōu)勢。據(jù)統(tǒng)計，京珠高速公路河北段除橋梁上采用混凝土護欄以外，其它路段路側(cè)和中分帶全部采用波形梁鋼護欄，波形梁鋼護欄的里程占公路全長90%以上。筆者以石安高速為依托來開展波形梁護欄維修技術(shù)研究。通過對石安高速調(diào)查得出，波形梁護欄的損壞相當頻繁。然而，目前國內(nèi)的波形梁護欄維修技術(shù)正處于起步階段，護欄的損壞等級確定及護欄維修方案的選擇還沒有確切的參考規(guī)范，使得護欄維修過程操作混亂，護欄經(jīng)維修后難以達到原有的防護等級［1］。

以波形梁護欄的損壞情況為基礎(chǔ)，分析研究波形梁護欄損壞指標模型，損壞指標值經(jīng)驗證后，結(jié)合護欄的實際損壞情況，從而得出波形梁護欄的損壞等級劃分方法。

1 波形梁護欄損壞機理及形態(tài)

1.1 損壞機理

當波形梁護欄在事故中遭受到車輛的碰撞時，護欄部件的受力損壞機理如下［2］:

1)當車輛與護欄板發(fā)生碰撞時，護欄通過護欄板變形的吸能效用、護欄板自身材料力學(xué)性能、立柱對其產(chǎn)生的拉力來承受車輛撞擊。在撞擊力的作用下，護欄板會發(fā)生曲面延展、橫向(垂直于道路的延伸方向)彎曲變形甚至發(fā)生斷裂;立柱會橫向傾斜、折斷，并且其基礎(chǔ)也會產(chǎn)生剪切破壞;防阻塊也會產(chǎn)生受拉變形;螺栓會產(chǎn)生剪切破壞。

2)當車輛與護欄立柱發(fā)生碰撞時，護欄通過立柱自身材料的力學(xué)性能、護欄板對其產(chǎn)生的拉力、立柱基礎(chǔ)土體的錨固力及防阻塊的緩沖作用來承受車輛的撞擊。此時，在車輛撞擊力的作用下:護欄立柱本身會發(fā)生傾斜甚至是橫向傾斜、折斷，并且其基礎(chǔ)也會產(chǎn)生剪切破壞;護欄板會橫向彎曲變形甚至崩斷;防阻塊也會產(chǎn)生擠壓變形。

1.2 損壞形態(tài)

結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查情況，護欄各主要部件的損壞形態(tài)如下:

1)護欄板損壞以曲面延展和橫向彎曲為主，受力過大會發(fā)生崩斷;在與車輛的刮擦過程中也會發(fā)生不同程度的刮蹭損壞。

2)隨著破壞程度的不同，護欄立柱損壞有傾斜、傾倒和折斷3種。

3)立柱基礎(chǔ)不是護欄的直接組成部分，但其對護欄的防撞性能影響很大，并且基礎(chǔ)損壞最直接影響到立柱的傾斜程度;基礎(chǔ)表面可以看到的破壞主要有土體松散和開裂兩種。

2 波形梁護欄損壞指標

美國NCHRP Report 656縱向護欄維修標準中，維修指標是有關(guān)于護欄整體和各部件的損壞指標［3］。基于對護欄的受力損壞機理和國內(nèi)護欄實際損壞狀態(tài)的定性了解，護欄各部件的損壞形態(tài)各異，假如損壞指標從護欄整體損壞狀態(tài)來考慮，不能很好體現(xiàn)出護欄的具體損壞情況以及各部件的損壞嚴重程度。并且，從對護欄維修現(xiàn)狀的調(diào)研得出，國內(nèi)護欄維修根據(jù)損壞部件及損壞程度的不同，其維修方法也有所不同;只有從部件的損壞情況著手來分析損壞指標才有益于制定合理的護欄維修方案。

因此，將損壞指標從護欄板和立柱兩大部件上分開來考慮，波形梁護欄損壞指標的選擇定位于概念直觀、可量化、獲取方便、易判斷損壞情況等4個方面。通過對波形梁護欄板、立柱、防阻塊及基礎(chǔ)等各部分的損壞指標相關(guān)分析，將護欄板最大撓度值和立柱頂部偏移量作為護欄損壞評價指標。

3 波形梁護欄損壞指標分析模型

3.1 護欄板損壞指標分析模型

在事故中，波形梁護欄的受力過程是一個動態(tài)變化的，并且護欄在動態(tài)受力情況下是其他部件會協(xié)同護欄板受力，護欄板的動態(tài)變形量也包括了其他部件受力而引起的變形［4］。然而，在維修時工作人員能夠得到的是一個靜態(tài)的變形量，為了使理論值更接近測量值和簡化計算，采用簡支梁模型來分析護欄板在受力作用下變形情況。在簡支梁中，其最大撓度值為中點處的撓度值。在結(jié)構(gòu)力學(xué)中，不論簡支梁受到什么荷載作用，只要撓曲線上無拐點，其最大撓度值都可用梁跨中點處的撓度值來代替，其精確度能滿足工程計算需要［5］。因此，確定計算模型中荷載作用位于梁的中點，護欄板的受力簡化圖如圖1。

圖1 護欄板受力理論模型Fig.1 Guardrail beam mechanical model

3.2 護欄立柱損壞指標分析模型

由于波形梁護欄的立柱頂部偏移量由立柱材料性能引起撓度和基礎(chǔ)土體損壞造成的傾斜兩部分組成，故分兩部分來分析。

3.2.1 護欄立柱材料變形量

雖然土基對護欄立柱的錨固力有影響，但是在此部分中主要驗證護欄立柱本身的材料性能，因此假設(shè)土基與立柱是固結(jié)，對護欄的最大撓度沒有影響。將立柱當作懸臂梁來分析，護欄立柱的受力簡化見圖2。

圖2 護欄立柱受力理論模型Fig.2 Guardrail column mechanical model

3.2.2 基礎(chǔ)土體損壞造成傾斜位移

采用護欄立柱基礎(chǔ)土體處于極限平衡狀態(tài)下的護欄立柱頂部位移S(圖3)作為土體損壞對立柱防護能力的影響指標。立柱頂部位移S通過建立有限元模型來進行計算分析得到。

圖3 立柱頂部位移Fig.3 Guardrail column top-displacement

分析中采用MIDAS軟件建立護欄立柱和護欄板有限元模型，計算立柱在最大碰撞力時頂部位移。在模擬立柱與土之間作用時，把土體視為地基彈簧，只受壓不受拉，而且隨著深度增加土體對立柱的抗力系數(shù)越來越大。有限元分析模型及計算分析的具體情況見圖4、圖5。

圖4 護欄有限元模型Fig.4 Guardrail finite element model

圖5 護欄力學(xué)變形Fig.5 Guardrail mechanical deformation

4 波形梁護欄損壞等級劃分

采用上述分析模型對護欄各主要部件損壞指標進行分析得到護欄等級指標值，具體分析結(jié)果見表1、表2。

表1 護欄板最大撓度值Table 1 The maximum deflection calculated value of guardrail beam

從表1中可看出，當護欄板的受力達到235號鋼的強度極限［6］，此時護欄板損壞最嚴重，完全失去了防護能力;當護欄板的受力處于235號鋼的屈服強度和強度極限之間，此時護欄板發(fā)生了彎曲變形，但還具有一定的防護能力;當護欄板的受力未達到235號鋼的屈服強度，此時護欄板產(chǎn)生輕微變形，在碰撞過程中損失了較小的防護能力。

表2 立柱頂部偏移量Table 2 Guardrail column top-offset

由表2知，當立柱受到大于等于100 kN碰撞力時，其周圍的土體嚴重剪切損壞且頂部位移大于141 mm，立柱的防護能力損失嚴重;當立柱受到大于等于93 kN碰撞力時，其周圍的土體發(fā)生剪切損壞且頂部位移在131～141 mm之間，立柱的防護能力損失;當立柱受到碰撞力小于93 kN時，其周圍的土體未發(fā)生剪切損壞且頂部位移小于131 mm，立柱的防護能力損失較小。

護欄損壞等級的劃分是根據(jù)護欄在碰撞力作用下的損壞程度來進行的。以表1和表2中的理論指標值為基礎(chǔ)，綜合考慮驗證后的指標值和護欄在實際中的損壞情況，將護欄損壞等級劃分為3個等級;考慮到防阻塊，螺栓、墊片等小部件在養(yǎng)護過程中更換操作不復(fù)雜［7］，且實際維修中以更換新件為主，故未將小部件的損壞情況納入到損壞等級劃分中。具體的等級劃分如下:

1)損壞嚴重。護欄板豎向撕裂或斷裂;護欄板最大撓度值等于或大于425 mm;立柱缺失，沿著紋理開裂;路側(cè)護欄立柱頂部偏移量等于或大于141 mm;中分帶護欄立柱頂部偏移量等于或大于232 mm。

2)損壞較嚴重。連接螺栓和防阻塊缺失、損壞;相鄰兩根立柱間，護欄板的最大撓度值在266～425 mm之間;路側(cè)護欄立柱頂部偏移量在131～141 mm之間;中分帶護欄立柱頂部偏移量在216～232 mm之間。

3)損壞一般。相鄰兩根立柱間，護欄板的最大撓度值小于266 mm;路側(cè)護欄立柱頂部偏移量小于131 mm;中分帶護欄立柱頂部偏移量小于216 mm。

5 波形梁護欄維修方案

根據(jù)實際調(diào)查中了解到護欄各部件損壞后的維修情況，針對波形梁護欄各部件的損壞等級提出了相應(yīng)的護欄維修方案［8］如下:

1)損壞嚴重。更換護欄板以及其他部件(防阻塊，螺栓等);按照JTG F 10—2006《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》［8］修筑立柱基礎(chǔ)。更換護欄立柱以及其他部件(防阻塊，螺栓等)。

2)損壞較嚴重。補齊、更換螺栓;校正護欄板;更換其他部件(防阻塊，螺栓等);補齊、更換防阻塊;采用施工機械夯實地基，并達到《規(guī)范》［8］要求;采用合適的方法對立柱校正或是維修(如焊接法、套管法、打樁法等);更換其他部件(防阻塊，螺栓等)。

3)損壞一般。可不校正或更換護欄板;可不須校正或是更換立柱;壓實表面松土層，并達到《規(guī)范》［8］要求。

6 結(jié)語

以石安高速護欄損壞維修為依托進行護欄損壞等級劃分方法研究，得出以下結(jié)論:

1)根據(jù)護欄的損壞機理分析，綜合護欄部件的實際損壞情況，護欄各部件的損壞形態(tài)各不相同。護欄板的損壞主要是彎曲、撕裂(斷裂)，立柱的損壞主要是有傾斜、傾倒和折斷3種。

2)在對護欄損壞機理分析及護欄部件損壞情況調(diào)研的基礎(chǔ)上，借鑒美國的維修指標研究成果，國內(nèi)護欄損壞評價指標采用護欄板最大撓度和立柱頂部偏移量，并將波形梁護欄的損壞等級劃分3個等級。

3)波形梁護欄損壞等級劃分方法研究為明確護欄維修方案提供了依據(jù)，可在一定程度上避免護欄維修方法選用的盲目性，規(guī)范波形梁護欄的維修。

［1］ 黃紅武，莫勁翔，楊濟匡，等.影響護欄防護性能的相關(guān)因素研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2004，31(2):45-59.

Huang Hongwu，Mo Jinxiang，Yang Jikuang，et al.Study on relevant factors that affect the performance of barrier protection［J］.Journal of Hunan University:Natural Science，2004，31(2):45-59.

［2］ 竇新平.高速公路防撞設(shè)施的構(gòu)成及維護［J］.科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2005(15):278.

Dou Xinping.The composition and maintenance of highway crash facilities［J］.Science and Technology Information Development and Economic，2005(15):278.

［3］ JTG H 10—2009公路養(yǎng)護技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2010.

［4］ 李廉錕.結(jié)構(gòu)力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2004.

［5］ 孫訓(xùn)方，方孝淑.材料力學(xué)［M］.北京:高等教育出版社，2002.

［6］ 彭富強.公路養(yǎng)護技術(shù)與管理［M］.北京:人民交通出版社，2010.

［7］ 崔新壯，甘久彤，丁樺.高速公路中央分隔帶護欄立柱穩(wěn)定性分析及加固方案研究［J］.公路交通科技，2004，21(5):74-77.

Cui Xinzhuang，Gan Jiutong，Ding Hua.Highway central median guardrail column stability analysis and reinforcement scheme［J］.Highway and Transportation Research，2004，21(5):74-77.

［8］ JTG F 10—2006公路路基施工技術(shù)規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2006.