組合式消能減速護欄實車碰撞試驗研究

賈 寧，閆書明，馬 亮，鄭 斌，安 宇，王益川

(1.北京中路安交通科技有限公司，北京 100071;2.四川雅西高速公路有限責任公司，成都 610041)

公路連續長大下坡路段行車安全問題日益突出。國內外大量事故資料證明，在連續長大下坡路段，載重汽車由于長時間制動易導致剎車失靈，如果受地形地貌限制沒有設置避險車道，則失控車輛無法安全減速，很容易發生追尾及側翻等惡性交通事故。

除避險車道之外，連續長下坡路段安全治理的另一種工程措施是設置減速護欄。減速護欄在阻擋失控車輛翻越或穿越護欄駛出路外的同時，能夠通過駕駛員主動貼靠摩擦護欄來吸收失控車輛的動能，達到為車輛安全減速目的，因此具備防撞和減速的雙重功能。在國外研究資料中未見連續長下坡路段應用減速護欄的文獻資料，自上世紀90年代，我國對公路護欄進行了大量研究，但這些護欄設計時僅考慮其防撞功能，沒有考慮其減速功能。目前，國內有連續長下坡路段采用混凝土減速護欄(圖1)，該護欄雖然具備良好的防撞和減速功能，但由于護欄高度較高，且為混凝土結構，對小客車視線遮擋嚴重，使司乘人員有壓迫感，同時混凝土結構吸收車輛動能也有一定的局限性，因此需要在護欄結構優化和吸能構件設計方面作進一步研究。

圖1 混凝土減速護欄Fig.1 Concrete barrier for vehicle speed-reducing

基于以上研究背景，本文通過將鋼管構件變形吸能原理應用于護欄設計中，兼顧減速護欄的防撞功能、減速功能和景觀效果，設計出一種防撞等級達到SS級(520kJ)的組合式消能減速護欄。結合依托工程現場橋梁情況，進行護欄基礎錨固強度驗算及橋梁翼緣板加強處理，采用實車碰撞試驗方法進行護欄安全性能以及基礎錨固強度檢驗。

1 護欄設計

橫向受壓鋼管是應用較廣泛的能量吸收元件，其特點是構造簡單、成本低，并且對荷載作用方向沒有嚴格要求［1-2］。另外，根據文獻［2］，鋼管的吸能能力因幾何尺寸、材料、荷載特性而異，動載情況下的吸能能力高于靜載情況下的吸能能力;在鋼管變形量相同的情況下，材料屈服強度高者吸能較多。由此可以推論，若將鋼管構件設置于護欄的迎撞面，在車輛碰撞貼靠壓扁的過程中，可以起到消耗車輛動能的作用;而且，車輛碰撞護欄屬動態高速沖擊過程，這種情況下更適于采用鋼管作為減速護欄吸能構件。

橋梁護欄主要有混凝土墻體式、組合式和金屬梁柱式三種類型。其中組合式護欄兼具混凝土墻體式護欄材料用量省、防撞能力高以及金屬梁柱式護欄景觀效果好的優點，因此，確定在組合式護欄的橫梁上設置吸能鋼管形成減速護欄，吸能鋼管和護欄橫梁通過螺栓連接。減速護欄的吸能鋼管外邊緣與混凝土墻體迎撞面豎向平齊，使其較易與車輛發生貼靠;吸能鋼管截面應有一定的寬度，使其有足夠的變形空間，從而對橫梁起到保護作用;吸能鋼管的設置高度應考慮其迎撞面能與大貨車的合理部位貼靠摩擦，以達到減速效果;吸能鋼管之間采用搭接方式(圖2)，以方便安裝和拆卸。

圖2 吸能鋼管搭接示意圖Fig.2 Overlap of energy-absorbing steel pipe

綜上所述，確定設置鋼管的減速護欄設計方案如圖3所示。

圖3 減速護欄設計方案(尺寸單位:mm)Fig.3 Design of barrier for vehicle speed-reducing

2 護欄基礎錨固強度驗算

根據文獻［3］中關于護欄碰撞力計算的相關規定，參考文獻［4］中鋼筋混凝土構件承載力計算方法，進行護欄基礎錨固強度驗算。

2.1 碰撞荷載計算

根據文獻［3］，最大橫向碰撞力計算公式為:

對于SS級(520kJ)的防撞等級，各參數的取值為:m=18 000 kg，v1=22.2 m/s，θ=20°，C=5.5 m，b=2.5 m，Z=0 m，則Fmax=472 kN。

如圖4所示，以I-I截面為驗算截面，根據文獻［3］，組合式護欄梁柱式結構和砼墻體承擔的碰撞力大小均為Fmax/2，則碰撞力產生的I-I截面總彎矩為:

圖4 護欄受力簡圖(尺寸單位:mm)Fig.4 Barrier load(unit:mm)

碰撞力在橋梁翼緣板上的有效分布寬度為:

式中:H為下部鋼筋混凝土墻體的高度，取H=1.2 m;D為下部鋼筋混凝土墻體所受碰撞荷載的分布寬度，根據文獻［3］，取D=5 m，則:

碰撞力在I-I截面單位寬度產生的彎矩為:

2.2 翼緣板強度驗算

根據依托工程現場橋梁設計圖紙，按最不利情況計算，I-I截面配筋如圖5所示。

圖5 單位寬度翼緣板尺寸配筋Fig.5 Size and steel of flange slab for unit width

單位寬度產生的彎矩包括:① 碰撞力產生的彎矩:83 kNm;② 護欄自重產生的彎矩:12.4×0.25=3.1 kNm;③ 翼緣板自重產生的彎矩:1.79 ×0.25=0.5 kNm

故I-I截面單位寬度的總彎矩為:

按雙筋矩形截面進行承載力驗算，A's=565 mm2，As=565 mm2，b=1 000 mm，h=150 mm，a'=36 mm，a=26 mm。

fcbx+f'yA's=fyAs，則x=0 ＜2a'，說明受壓區鋼筋不會達到其抗壓設計強度，則抗彎承載力為:

而不考慮受壓鋼筋(單筋截面)時計算的抗彎承載力:

由于Mu2＞Mu1，故計算截面的抗彎承載力為:

不滿足要求。

2.3 加強措施

綜上所述，原設計橋梁翼緣板配筋不滿足護欄基礎錨固強度要求。如圖6所示，通過在橋面現澆層增設延伸至護欄墻體的鋼筋進行翼緣板加強。在橋面現澆層增設直徑14 mm(⑤號鋼筋)和直徑16 mm(⑥號鋼筋)Ⅱ級鋼筋，鋼筋間距150 mm，增設鋼筋延伸至護欄墻體內，與護欄墻體內縱向和橫向受力鋼筋焊接或綁扎，在護欄內側方向，增設鋼筋應穿過翼緣板根部并向內延伸，延伸距離按鋼筋錨固長度要求確定。

圖6 橋面現澆層增設鋼筋示意(尺寸單位:mm)Fig.6 Additional steel in deck(unit:mm)

3 護欄實車碰撞試驗驗證

按照文獻［5］規定的防撞等級SS級護欄碰撞試驗條件和評價標準，進行護欄安全性能實車碰撞試驗驗證［6，9］，同時要求吸能鋼管能夠按照設計要求變形吸能，且不能對護欄防撞、緩沖和導向性能造成不利影響。

3.1 試驗車輛

試驗小客車如圖7所示，小客車整備質量為1 271 kg，車輛總質量為1 492 kg，重心高度為距地面558 mm。試驗大客車如圖8所示，大客車整備質量為11 414 kg，車輛總質量為17 902 kg，重心高度為距地面1 233 mm。

圖7 試驗小客車Fig.7 Test car

圖8 試驗大客車Fig.8 Test bus

3.2 試驗護欄

試驗護欄整體如圖9所示，立柱和橫梁的連接以及吸能鋼管的搭接如圖10和圖11所示。

圖9 試驗護欄Fig.9 Test barrier

為檢驗護欄基礎錨固強度，試驗護欄施工中模擬修建橋梁翼緣板(圖12)，其截面尺寸及配筋與依托工程現場設計圖紙相同，按圖6所示的加強處理措施在橋面現澆層設置加強鋼筋(圖13)。

圖10 立柱和橫梁的連接Fig.10 Connection of post and beam

圖11 吸能鋼管的搭接Fig.11 Overlap of steel pipe

3.3 試驗結果

3.3.1 小客車碰撞

圖14為小客車碰撞護欄過程的行駛軌跡圖，可見小客車碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態，沒有發生橫轉、調頭、翻車現象，駛出角度為1.2°。

圖12 模擬修建橋梁翼緣板Fig.12 Simulation of flange slab

圖13 橋面現澆層加強鋼筋Fig.13 Additional steel in deck

圖14 小客車行駛軌跡Fig.14 Car Track

如圖15所示，小客車碰撞護欄后，護欄結構沒有損壞，主要部件沒有脫落，僅在碰撞區域混凝土墻體局部和吸能鋼管下緣有劃痕。

圖15 碰撞后護欄Fig.15 Barrier after Test

圖16 小客車損壞Fig.16 Car after test

如圖16所示，車輛左側前輪爆胎，車體左前角凹進，車架縱梁、后橋、車頂棚以及制動系統完好，車輛內部座椅以及配載等沒有破壞，左前方車門打不開，其余車門可以正常打開，駕駛室變形小。

小客車碰撞的乘員風險評價指標值如表1所示，能夠對乘員形成良好保護。

表1 乘員風險評價指標值Tab.1 Evaluation Index of Occupant Risk

綜上所述，小客車碰撞護欄結果滿足評價標準要求。

3.3.2 大客車碰撞

如圖17和圖18所示，大客車碰撞護欄后，護欄下部混凝土墻體沒有明顯損壞，只在碰撞區域局部有少量劃痕，碰撞區域的吸能鋼管壓扁變形，變形范圍約為8 m，方管橫梁幾乎沒有變形。

圖17 吸能鋼管變形Fig.17 Deformation of steel pipe

圖19為大客車碰撞護欄過程的行駛軌跡圖，可見大客車碰撞護欄后平穩駛出，并恢復到正常行駛姿態，沒有發生橫轉、調頭、翻車現象，駛出角度為 3.9°。

綜上所述，大客車碰撞護欄結果滿足評價標準要求。

圖18 方管橫梁沒有變形Fig.18 Little deformation of squire-tube

圖19 大客車行駛軌跡Fig.19 Bus track

3.3.3 鋼筋應變

橋面現澆層加強鋼筋(⑤、⑥號鋼筋)和翼緣板鋼筋(1號鋼筋)應變片布置如圖20所示，應變測試數據如表2～表4所示，行車方向為“前”，表中“—”表示沒有測到應變數據，由于橋梁翼緣板澆筑完畢至試驗的間隔時間較長，導致翼緣板中1號鋼筋的應變片失效較多。

圖20 鋼筋應變片布置Fig.20 Strain gauge settlement of steel

表2 ⑥號鋼筋最大應變(單位:微應變)Tab.2 Strain Maximum in Steel⑥(uint:micro－strain)

表3 ⑤號鋼筋最大應變(單位:微應變)Tab.3 Strain Maximum in Steel⑤(uint:micro－strain)

表41 號鋼筋最大應變(單位:微應變)Tab.4 Strain Maximum in Steel 1(uint:micro －strain)

根據表2～表4的鋼筋最大應變數據，可得出如下結論:

(1)⑥號鋼筋從5號應變片至1號應變片的最大應變值逐漸減小，碰撞點后0.075m鋼筋1的①號應變片比②號應變片的應變值大，證明護欄迎撞面根部對應的翼緣板截面鋼筋應變值最大。

(2)雖然⑤號鋼筋和⑥號鋼筋并置，由于⑤號鋼筋的直徑比⑥號鋼筋小，因此應變片位置相同時，⑤號鋼筋的應變值偏大。

(3)橋面現澆層加強鋼筋(⑤號鋼筋和⑥號鋼筋)和翼緣板鋼筋1的應變值數量級大致相當，證明在橋面現澆層配筋這種加強方式可以起到協助翼緣板承擔碰撞荷載的作用。

(4)在12 m/s沖擊速度下，Q345鋼材(II級鋼筋)應力應變曲線如圖21所示，屈服微應變在4 500左右，由于試驗測試的最大微應變4 207小于屈服微應變，因此鋼筋沒有屈服，橋梁翼緣板配筋及加強措施可以滿足護欄基礎錨固強度要求。

圖21 沖擊載荷下，Q345應力應變曲線Fig.21 Curve of Stress-strain for Steel Q345 under Impact Load

4 結論

本文通過在組合式護欄上部橫梁上設置吸能鋼管，設計出一種組合式減速護欄結構，并采用在橋面現澆層增設鋼筋的方式進行翼緣板加強，采用實車碰撞試驗方法進行護欄安全性能評價。

根據試驗結果可知:組合式減速護欄防撞等級可達到SS級;車輛貼靠碰撞減速護欄時吸能鋼管壓扁變形，使車輛的動能轉化為吸能鋼管的內能，有效降低車速;吸能鋼管的設置沒有對車輛碰撞護欄過程的行駛姿態造成不利影響，也沒有導致車輛絆阻;由于吸能鋼管的壓扁變形，使方管橫梁幾乎沒有變形，減小了護欄碰撞后的維護工作量;根據鋼筋應變測試數據可知，護欄迎撞面根部對應的翼緣板截面鋼筋應變值最大，橋面現澆層加強鋼筋可以有效分擔碰撞荷載，翼緣板加強措施可以滿足護欄基礎錨固強度要求。

組合式減速護欄的研發成功拓展了護欄研究開發的思路，也為連續長下坡路段的安全治理提供了一種新型措施，對于提高我國山區高速公路連續長大下坡路段的交通安全水平具有重要意義。

［1］張 忠，楊永雄，劉盈豐.橫向受壓薄壁圓鋼管在沖擊波作用下動力壓扁的數值模擬分析［J］.重慶建筑，2009.64(2):22-25.

ZHANG Zhong，YANG Yong-xiong，LIU Ying-feng.Numerical simulation analysison dynamicalflattening oftransverse pressured thin-wall circular steel tube under shock wave［J］.Chongqing Architecture，2009.64(2):22-25.

［2］方 秦，姜錫權，王年橋，等.橫向受壓鋼管吸能特性分析［D］.第三屆全國工程結構防護學術會議論文集，北京，2000:190-195.

［3］(JTG/T D81-2006)公路交通安全設施設計細則［s］.

［4］(JTG D62-2004)公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范［s］.

［5］(JTG/T F83-01-2004)高速公路護欄安全性能評價標準［s］.

［6］邰永剛.組合式橋梁護欄防撞性能仿真與試驗［J］.交通運輸工程學報，2010，10(1):94-100.

TAI Yong-gang.Simulation and experiment of crashworthiness for combined bridge guardrail［J］.Journal of Traffic and Transportation Engineering，2010，10(1):94-100.

［7］申 杰，金先龍，陳建國.汽車碰撞護欄事故再現方法［J］.振動與沖擊，2007，26(5):38-40.

SHEN Jie，JIN Xian-long，CHEN Jian-guo.A method of carhighway barrier crash accident reconstruction［J］.Journal of Vibration and Shock，2007，26(5):38-40.

［8］閆書明.護欄碰撞中車體加速度敏感性分析［J］.振動與沖擊，2011，30(7):1-4.

YAN Shu-ming.Sensitivity analysis of vehicle acceleration during impact to a barrier［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(7):1-4.

［9］閆書明.有限元仿真方法評價護欄安全性能的可行性［J］.振動與沖擊，2011，30(1):152-156.

YAN Shu-ming.Feasibility analysis of barrier safety eEvaluation with finite element simulation method［J］.Journal of Vibration and Shock，2011，30(1):152-156.