便攜式道路防撞護欄加勁肋增強結構方案研究

王廣政 丁家立 趙慧爽 楊曉旭

(1.陸軍工程大學，江蘇 南京 210007； 2.南京市江寧區公路管理站，江蘇 南京 211100)

1 概述

災害條件下道路交通應急保障中，確保搶險裝備和車輛的行駛安全，是未來一定時期、一定條件下交通應急救援的重要內容。特別是山區和高原地區道路急彎陡坡路段，在車輛荷載快速機動過程中，容易出現側滑、翻車等交通事故。而現有的防撞護欄，往往存在著防撞能力弱、便攜性差等不足，需要提前埋樁安裝，安裝速度慢，工期長，很難做到伴隨保障的高效靈活性。特別是西部高原高寒地域的應急搶險行動中，大部分高原道路的護欄設置數量不足，急需一種便攜可靠，可快速組裝與拆卸、又具有足夠防護能力的便攜式護欄，以滿足災害條件下道路交通應急保障的需求。本文主要在現有半剛性護欄結構形式的基礎上，對結構的裝配形式和立柱結構形式進行改進設計，以滿足防撞、人工快速拆裝和便攜性的需求。

2 結構方案設計

為了實現護欄器材的便攜性，又能滿足護欄本身應有的防撞性能，擬選用半剛性護欄作為改進設計的基礎。根據JTG D81—2017公路交通安全設施設計規范中的相關規定[1]，選用3A級波形梁護欄結構構件防護標準的基礎上，進行改進設計。

2.1 總體結構形式

綜合考慮護欄的安全性、可開啟性、易于維護性、可更換單元組件等多方面因素，為提高立柱的抗彎能力和便攜性，護欄采用一柱單板插拔式結構形式(見圖1)，主要由雙波梁板與防阻塊、加勁肋增強型立柱、底盤和連接構件組成。其中，雙波梁板為長4.32 m的標準構件；加勁肋增強型立柱是由圓柱形鋼圓筒和四個加勁肋焊接而成。為使設計的立柱既能滿足防撞強度要求，又能夠便攜耐用，加勁肋增強型立柱分兩種方案進行設計，方案一為單加勁肋增強型，方案二為雙加勁肋增強型，其最佳方案應通過比選確定。連接構件包括底盤與地面的連接構件，以及立柱加勁肋與底盤的連接等。

整個護欄采取現場拼裝的形式組合而成。立柱長度為地面以上高度，立柱與地基的連接固定，是通過底盤實現的。組裝時，先將圓形底盤的孔洞對準埋樁點，將鋼釬自孔砸入地下將圓形底盤固定，再將上部立柱的一個單耳(方案一)或兩個雙耳(方案二)與圓形底盤的雙耳對準用M20的軸銷進行連接固定；立柱安裝好后，即可用M20軸銷將上部波紋板、防阻塊與立柱橫向連接固定，從而完成整個立柱的埋設。

2.2 單元構件設計

按照結構部位，護欄分為上中下三個部分。

1)上部結構：主部結構為立柱、防阻塊與雙波梁板。雙波梁板(310 mm×85 mm×4 mm)采用4 mm厚的標準波紋鋼板進行設計，防阻塊(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)，材料均采用Q235號碳素鋼材。立柱、防阻塊通過軸銷與立柱連接固定。立柱設計了兩種方案：

方案一(見圖2)：為圓筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4個300 mm×60 mm×6 mm對稱的加筋肋設計，筋肋上設單耳(φ45 mm×22 mm)，單耳與筋肋采用一體式設計，通過焊接與立柱連接。

方案二(見圖3)：為圓筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4×2個300 mm×60 mm×6 mm對稱的加筋肋設計，筋肋上設雙耳(φ40 mm×22 mm)，雙耳與筋肋采用一體式設計，通過焊接與立柱連接。

2)中部結構：中部結構為圓形底盤，是與立柱與地基連接的重要部件，為使之能與立柱相配套，且能與立柱結構形式相配套，對應設計了兩種方案：

方案一：底盤(φ281 mm×10 mm)圓周上設有4個對稱的雙耳(φ45×22 mm)，雙耳中間設有均勻分布的φ32 mm的圓孔，如圖4所示。

方案二：底盤(φ220 mm×10 mm)圓周上設有4個對稱的三耳(φ40×22 mm)，三耳中間設有均勻分布的φ32 mm的圓孔，如圖5所示。

3)下部結構：為4個尺寸為φ30 mm×500 mm的45號鋼釬,鋼釬的一側頂端削尖(φ40 mm×10 mm)(見圖6)，方便護欄的安裝和開啟。

2.3 連接設計

由于立柱為結合式結構，立柱結構間需要合理的連接方式，來保證護欄整體具有很好的防護能力，通過對現有的幾種連接方式進行比對，選擇合理的連接方式。現有的連接方式有三種形式，分別是銷連接，螺栓連接和波紋板搭接。其中螺栓連接和波紋板搭接需要扳手才能實現安裝，費時費力，效率較低。而銷連接方式只需拔開銷子就可，方便開啟。綜合考慮以上因素，為便于各構件拆裝，實現便攜和人工作業的目的，擬采用銷連接設計。上部波紋板與立柱之間、立柱加勁肋與底盤之間均采用45號鋼材的M20銷釘進行連接，材料選用40Cr,以方便拆卸組裝(見圖7)。而底盤與地基之間，采用圓形頂端削尖的45號鋼釬，以方便護欄的安裝和開啟。

3 防撞性與便攜性分析

為驗算結構是否滿足防護要求，需要對結構整體和各構件進行受力計算，分析論證其可行性。根據目前國內外對波形護欄設計計算的理論研究和實踐，大部分是將護欄作為一個整體，來求解車輛碰撞護欄的作用力，然后驗算分析護欄的結構強度[2]。基于上述研究思路和成果，本文針對兩種加勁肋增強設計方案的便攜式道路防撞護欄的特點，進行了防撞能力與結構性狀的分析與比選。

3.1 防撞性能分析

1)設計碰撞沖擊力分析。

文獻[3]通過對車輛與護欄碰撞過程進行分析，建立了“雙彈簧串聯的單自由度系統”模型，通過護欄的允許位移和車輛模型求出護欄的模量，并根據力與能量平衡原理求出車輛碰撞護欄的最大沖擊力[3,4]：

(1)

其中，k2=0.003mθ+0.012 1m+0.551 7θ+164.797 8 kN/m；m為車輛荷載的質量，規范規定的最大荷載為大貨車10 t。從災害救援時運輸車輛裝備實際出發，保守考慮，本設計取載重車輛滿載時設計荷載13 t，車速V按二級公路等級取60 km/h，小型客車仍按重量1.5 t、車速V按100 km/h考慮；x1為波形護欄的變形，可參考規范保守取值0.5 m；θ為車輛與護欄相撞的夾角，本設計取20°；v為車輛與護欄相撞時垂直方向的分速度,m/s。

考慮到應變率強化效應的影響，得到了護欄碰撞力設計值的計算方法[3,5]:

(2)

根據上述計算原理與方法，可計算出在上述碰撞條件下的車輛與護欄碰撞的最大碰撞力Fmax=226.05 kN，考慮應變率強化效應后的設計碰撞力Fdes，為155.89 kN。

2)結構破損極限荷載分析。

路側防護欄在受到發生意外的車輛沖擊碰撞時，會發生內弧式破壞模式和外弧式破壞模式兩種破壞模式[3,4]。鑒于外弧式破壞模式的耗能能力強于內弧式，本設計選取的控制破壞模式為五跨內弧式破壞模式。結構破損極限荷載為結構的耗能與車輛緩沖距離Δf的比值。而結構的耗能主要由立柱彎曲消耗的能量、波形梁拉伸與變形消耗的能量、防阻塊消耗的能量三者組成，根據文獻[4]的計算方法，對上述護欄結構尺寸可分別計算立柱消耗的能量Dp、波形梁Dw和防阻塊消耗的能量Db，而得到結構破損極限荷載R=159.67 kN。

可見，在此防撞條件下，結構破損極限荷載略大于設計碰撞力155.89 kN。說明上述波形梁護欄結構尺寸，在防撞能力上基本滿足設計要求。

3.2 便攜性分析

能否實現護欄器材的便攜性，不僅反映在針對性的組裝與連接設計，更需要從護欄器材的重量上考慮，以判斷能否實現人工快速拆裝和便攜性的需求。

根據設計的護欄結構尺寸和材質，分別計算除波形梁板標準件外的護欄重量。方案一的立柱用量0.000 85 m3，底盤用量為0.000 99 m3，鋼釬用量為0.001 423 m3，總重量為0.003 26 m3，利用Q345鋼材的密度，可計算出方案一的護欄總重量約為26 kg；方案二的立柱用量0.001 502 m3，底盤用量為0.000 757 m3，鋼釬用量仍為0.001 423 m3，總重量為0.003 68 m3，可計算出方案二的護欄總重量約為29 kg。對于重量30 kg左右的護欄來說，兩人一組人工搬運非常容易實現，由此可見，兩種方案均能滿足人工快速拆裝和搬運的需求，具有較好的便捷性。而方案二相對于方案一，重量僅相對增加了3 kg左右，但進行了4對雙肋板加強，在增強立柱穩定性能方面具有更大的優勢。

4 結論

通過對便攜式道路防撞護欄加勁肋增強結構方案設計和性能分析，得出了如下結論：

1)從防撞能力的角度看，本文初步設計的護欄結構尺寸能夠滿足規范中規定的道路防撞護欄等級要求，可適用于災害條件下重型車輛裝備以60 km/h車速行駛的防撞需求；

2)從便攜能力的角度看，改進設計的兩種加勁肋增強結構方案，均能滿足人工搬運與組裝的要求，具有較好的便捷性。工程實踐中，可根據交通應急保障的需要，快速在相應路段人工便捷地設置和拆除該型防撞護欄，實現交通保障的應急防護需求，其中，方案二在增強立柱彎拉穩定性方面，具有更好的優勢；

3)從增強防撞安全性的角度來看，由于前文分析得出的結構破損極限荷載，僅僅略大于設計碰撞力，但安全系數較小，可以考慮增加護欄的鋼材性能，加大其屈服強度，以提高其結構破損極限荷載的大小，增強其防撞能力[6]。

可見，本文設計的便攜式道路防撞護欄加勁肋增強結構方案，拆裝方便、機動靈活、防撞性能基本滿足重型車輛裝備安全行車需求，為災害條件下道路應急保障開辟了新途徑[4]。

當然，判斷一個新型護欄結構能否真正滿足使用要求，不僅要從防撞性能上進行分析，更要從材料質量、加工工藝以及地基狀況、使用環境條件等方面進一步考慮分析，特別是在立柱沒有埋深或埋深較淺的情況下，需要驗算增強肋板與立柱的焊接強度和構件連接強度等。未來災害條件下的道路行車保障中，所處地理、地質環境復雜，不可預見因素較多，需要結合實際具體分析，以優化設計方案。