橋梁嵌固式基礎中央分隔帶鋼護欄安全性分析

劉明虎，張門哲，亢寒晶，唐守峰，馬晴

(1.中交公路規劃設計院有限公司，北京市 100088；2.湖北省交通投資集團有限公司；3.北京華路安交通科技有限公司)

公路中央分隔帶護欄作為一種被動安全防護設施，主要用于防止事故車輛穿越中央分隔帶進入對向車道。橋梁路段一般處于高位，一旦發生車輛沖入對向車道，救援更為困難，橋梁中央分隔帶護欄的安全性能較路基護欄更為重要。目前特大型橋梁中央分隔帶一般采用鋼護欄，傳統設計采用與橋側護欄相同的方式，多與橋梁翼緣板采用預埋螺栓的方式進行固結。高速公路橋梁橋面一般分為左、右兩幅，兩道護欄分別防護各側的車輛撞擊，沒有充分發揮其使用效率，若利用雙幅橋梁翼緣板端部形成嵌固式基礎，可將原先需要設置兩道護欄的情況變成一道，可有效減少工程造價和增加施工方便性，同時改變護欄基礎與橋梁翼緣板之間的受力狀態，但需要對其安全性能進行研究和驗證。該文以某特大型橋梁為依托，設計出嵌固式基礎橋梁中央分隔帶鋼護欄，建立高精度計算機仿真模型，對該護欄的安全性能進行評估，并組織實車足尺碰撞試驗進行驗證。

1 橋梁護欄結構

1.1 傳統橋梁中央分隔帶鋼護欄

橋梁護欄主要結構包括梁柱式鋼護欄、混凝土護欄、組合式護欄，如圖1所示。其中梁柱式鋼護欄由橫梁和立柱組成，景觀較為通透美觀，在一些特大橋上應用較為廣泛。

目前中國橋梁多為左右分幅建設，傳統橋梁護欄基礎均與橋梁翼緣板進行固結，對于橋側位置，由于設置條件受限，傳統固結方式較為合理，如圖2所示。而對于中央分隔帶位置，為實現基礎固結，一般需要設置兩道護欄，兩道護欄完全獨立，各自通過橋梁翼緣板錨固。

圖1 橋梁護欄結構形式

圖2 傳統橋梁中央分隔帶鋼護欄

1.2 橋梁嵌固式基礎鋼護欄的結構

某特大橋主橋部分路段中央分隔帶采用SS級鋼護欄，利用中央分隔帶橋梁翼緣板端部形成嵌固式基礎，將護欄嵌固在翼緣板之間。圖3為橋梁基礎嵌固式鋼護欄的構造圖：護欄底座嵌固在翼緣板之間，護欄底座下部寬度0.6 m，該部分高度0.2 m，嵌入橋梁翼緣板之間；中部寬度1 m，該部分高度0.1 m，嵌入橋面鋪裝中；上部寬度1 m，該部分高度0.13 m，位于路面以上；上部金屬梁柱結構高1.38 m，其中混凝土基座到最上方橫梁頂面的有效高度為1.37 m，結構包括間距1.5 m的H形立柱(12 mm厚)、雙面四層矩形鋼管橫梁(160 mm寬×120 mm高×6 mm厚×6 000 mm長)、橫梁內套管(144 mm寬×100 mm高×10 mm厚×1 000 mm長)、C形連接鋼(155 mm寬×144 mm高×10 mm厚×300 mm長，展開為434 mm×300 mm×10 mm)、底板(390 mm×390 mm×35 mm厚)，C形連接鋼和底板均焊接在立柱上；地腳螺栓采用不低于8.8級的M30螺栓；橫梁與C形連接鋼，橫梁、C形連接鋼、橫梁內套管之間采用不低于8.8級的M18螺栓。

圖3 橋梁嵌固式基礎鋼護欄(單位：mm)

1.3 傳統鋼護欄與嵌固基礎鋼護欄的對比

傳統固結方式中央分隔帶橋梁鋼護欄除了需要設置兩道護欄，施工過程需要在橋梁翼緣板內設置預埋螺栓，基礎澆筑過程需要對橋梁板頂面進行鑿毛，施工過程較為繁瑣。合理設計的固結基礎鋼護欄安全性能可靠，已在多處橋梁工程上應用，取得了較好的應用效果，但是該結構也有一定的隱患：固結基礎橋梁鋼護欄是否牢固依賴于橋梁翼緣板對預埋螺栓的錨固，若發生車輛碰撞護欄事故，碰撞力過大時，有損傷橋梁翼緣板結構的風險，屆時影響橋梁主體安全。

橋梁嵌固式基礎鋼護欄的設計使雙幅橋梁中央分隔帶僅需設置一道護欄，護欄基礎與兩側翼緣板均未設置實質連接節，護欄的錨固不再依賴橋梁翼緣板的錨固力，更多的是依靠橋梁翼緣板和護欄基礎之間的接觸力，改變了車輛碰撞護欄時護欄基礎和橋梁翼緣板之間的受力狀態，降低因車輛碰撞傷害橋梁主體的可能；從施工角度來說，嵌固式基礎鋼護欄取消了預埋螺栓和混凝土鑿毛的施工工序，可大幅提高施工方便性、降低工程造價，同時有利于縮短施工周期和方便運營期維護，具有較大的優越性。

2 安全性能仿真分析

2.1 計算機仿真理論基礎

采用大變形動態顯示有限元方法，拉格朗日增量描述的動態顯式有限元求解方程為：

(1)

(2)

(3)

(4)

當時間步長Δt小于臨界值Δtcr時，可得到穩定的計算結果，即：

(5)

(6)

(7)

式中：ωmax為系統最高固有頻率；Ls為單元特征長度；c為聲速；E為楊氏彈性模量；ρ為材料密度；υ為泊松比；As為單元面積；Li(i=1，2，3，4)為單元邊長。

2.2 計算機仿真模型

根據相關標準試驗車輛特點，按實際尺寸建立小客車、大客車、大貨車的仿真模型如圖4所示。在仿真模型中，以擅長大變形的四邊形單元為主，并控制單元質量。采用試驗的方法確定車身單元的材料屬性，采用Cowper-Symons模型考慮材料的應變率效應，選擇Automatic Single Surface接觸類型中的罰函數方法。

圖4 車輛物理模型與仿真模型

以某高防護等級組合式護欄實車足尺碰撞試驗數據為基礎對仿真模型的準確性進行驗證，圖5為3種車型碰撞該護欄的過程，計算機仿真模擬軌跡、形態與試驗較為一致。

圖5 車輛碰撞護欄過程仿真與試驗對比

圖6為組合式護欄變形試驗與仿真對比圖，上部鋼結構變形和下部混凝土結構破壞仿真結果與試驗結果一致。

以經過實車碰撞試驗驗證后的仿真模型為基礎，根據橋梁嵌固式基礎中央分隔帶鋼護欄設計結構建立護欄仿真模型如圖7所示。

圖6 護欄變形情況物理模型與仿真模型

圖7 橋梁中央分隔帶嵌固式基礎鋼結構護欄仿真模型

3 安全性能仿真分析

3.1 設計防護等級下安全分析

橋梁嵌固式基礎鋼護欄設計防護等級為SS級，按照SS級碰撞條件的規定建立車輛碰撞護欄模型，分析護欄的安全性能。碰撞條件如表1所示。

表1 SS級碰撞條件

圖8為小客車碰撞過程，車輛順利駛出，護欄的阻擋功能良好。

圖8 小客車碰撞護欄過程

表2為小客車碰撞橋梁嵌固式基礎鋼護欄的緩沖指標數據，滿足乘員碰撞后加速度縱向和橫向分量均不得大于200 m/s2和乘員碰撞速度縱向和橫向分量均不得大于12 m/s的要求，護欄的緩沖功能良好。

表2 小客車碰撞護欄緩沖指標數據

圖9為小客車行駛軌跡圖，小客車駛離護欄后10 m未越出駛出框，且碰撞護欄后車輛未翻車，護欄導向功能良好。

圖9 小客車碰撞護欄行駛軌跡圖(單位：m)

圖10為大客車碰撞過程，車輛順利駛出，護欄的阻擋功能良好。

圖10 SS級護欄大客車碰撞過程

圖11為大客車行駛軌跡圖，大客車駛離護欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護欄后車輛未翻車，護欄導向功能良好。

圖11 SS級大客車碰撞護欄行駛軌跡圖(單位：m)

圖12為大客車碰撞后護欄破壞情況，碰撞區域護欄橫梁有擠壓變形，立柱發生傾斜；如圖13所示，從隱藏鋪裝層和護欄基座可以看到，護欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖14為整體式貨車碰撞過程，車輛順利駛出，護欄的阻擋功能良好。

圖15為整體式貨車行駛軌跡圖，可以看出整體式貨車駛離護欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護欄后車輛未翻車，護欄導向功能良好。

圖12 SS級大客車碰撞后護欄情況

圖13 SS級大客車碰撞后翼緣板情況

圖14 SS級整體式貨車碰撞過程

圖15 SS級整體式貨車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖16為整體式貨車碰撞后護欄破壞情況，碰撞區域護欄橫梁擠壓變形，其中最上方橫梁損壞最為嚴重，碰撞區域立柱發生傾斜；如圖17所示，從隱藏鋪裝層和護欄基座可以看到，護欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖16 SS級整體式貨車碰撞后護欄情況

3.2 安全儲備分析

若中央分隔帶護欄安全性能不足，未能對失控車輛進行有效防護，不僅事故車輛自身造成損失，甚至穿越護欄沖至對向行車道與來車相撞，若大客車發生該類事故極易造成群死群傷的惡性二次事故。因此采用大客車并提高其碰撞能量，對橋梁嵌固式基礎鋼護欄的安全性進行進一步的分析。

圖17 SS級整體式貨車碰撞后翼緣板情況

表3 HA級特大型客車碰撞條件

圖18為HA級特大型客車碰撞過程，車輛順利駛出，護欄的阻擋功能良好。

圖18 HA級特大型客車碰撞過程

圖19為特大型客車行駛軌跡圖，特大型客車駛離護欄后20 m未越出駛出框，且碰撞護欄后車輛未翻車，護欄導向功能良好。

圖19 HA特大型客車碰撞行駛軌跡圖(單位：m)

圖20為大客車碰撞后護欄破壞情況，碰撞區域護欄橫梁有擠壓變形，立柱發生不同程度傾斜；如圖21所示，從隱藏鋪裝層和護欄基座可以看到，護欄下部的橋梁板沒有任何損壞，可以看出車輛碰撞護欄過程對橋梁主體的影響較小。

圖20 HA級大客車碰撞后護欄情況

圖21 HA級大客車碰撞后翼緣板情況

4 實車足尺碰撞試驗

按照HA級特大型客車碰撞條件組織進行實車足尺碰撞試驗，對橋梁嵌固式基礎鋼護欄的安全性能進行進一步驗證。圖22為試驗所用車輛和修建的試驗護欄。

圖22 試驗車輛與試驗護欄

圖23為HA級特大型客車碰撞橋梁嵌固式基礎中央分隔帶鋼護欄過程，車輛順利導出，護欄各部分構件和脫離構件未侵入乘員艙，護欄的阻擋功能良好。

圖23 HA級特大型客車試驗碰撞護欄過程

圖24為特大型客車碰撞橋梁嵌固式基礎中央分隔帶鋼護欄行駛軌跡圖，特大型客車駛離護欄后20 m未越出駛出框且未發生翻車，護欄導向功能滿足要求。

圖24 特大型客車碰撞護欄行駛軌跡圖(單位：m)

特大型客車碰撞基礎嵌固式鋼護欄后，鋼護欄發生變形，部分立柱發生傾斜，最大殘余變形為0.13 m，車輛與護欄的刮擦長度為11 m，如圖25所示。

圖25 特大型客車碰撞后護欄變形情況

圖26為特大型客車碰撞護欄后車輛損壞情況。特大型客車碰撞基礎嵌固式鋼護欄過程中前保險杠變形損壞，車輛前大燈損壞脫落，前擋風玻璃破裂，碰撞側車體有變形。

圖26 特大型客車碰撞護欄后車輛損壞情況

試驗測量得到其他參數如表4所示。

表4 特大型客車碰撞護欄試驗所得部分參數 m

根據試驗實際測量數據，該特大型客車碰撞護欄的實際碰撞條件如表5所示，碰撞能量為851 kJ。

表5 特大型客車碰撞護欄試驗的實際碰撞條件

HA級特大型客車碰撞基礎嵌固式鋼護欄的各項指標均滿足要求，護欄體現出良好的安全防護能力，同時驗證嵌固式基礎安全性能可靠。

5 結語

橋梁嵌固式基礎中央分隔帶鋼護欄創造性地采用嵌固式基礎，使需要設置兩道護欄的分離式橋梁中央分隔帶僅需設置一道護欄。通過計算機仿真對護欄的安全性能進行分析，并采用實車足尺碰撞試驗進行驗證，橋梁嵌固式基礎鋼護欄安全性能可靠，同時具有較大的安全儲備，該護欄在實際應用中可為公路提供有效的安全防護。