基于兩波形護欄的升級改造開發研究

摘 要：為避免將大量的既有兩波形梁護欄淘汰廢棄，減少能源消耗和降低碳排放量，提高既有護欄的利用率，該文采用強度和剛度理論、彈塑性本構模型理論、有限元分析和實車碰撞試驗方法，研究設計一種可再利用兩波形梁板的路基段升級改造護欄，防護等級能滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中的A級要求。

關鍵詞：兩波形梁板；雙層雙波護欄；再利用；碰撞試驗；效益分析

中圖分類號：U417.12 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）24-0１２２-0４

Abstract： In order to avoid the elimination and abandonment of a large number of existing two-corrugated beam guardrails， reduce energy consumption and carbon emissions， and improve the utilization rate of existing guardrails， this paper uses strength and stiffness theory， elastoplastic constitutive model theory， finite element analysis and real vehicle crash test methods to study and design a roadbed section upgrading guardrail that can reuse two corrugated beam plates， and the protection level can meet the A-level requirements in the JTG B05-01—2013 "Highway Guardrail Safety Performance Evaluation Standard".

Keywords： two-wave plate; double-layer double-wave guardrails; reuse; crash test; benefit analysis

隨著社會經濟的快速發展，車流量日益增加，我國部分高速公路通行能力已經難以適應公眾出行需求，制約了國家公路網的高質量發展。為優化路網結構，對原有高速公路在原址上擴容改造項目日益增多。高速公路改擴建項目具有線路較長、規模較大的特點，其安全設施中鋼板護欄需求，由于兩波護欄已無法滿足現行JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》[1]的要求，但是將大量的既有兩波形梁板全部淘汰廢棄，將造成較大的資源浪費。

美國在20世紀90年代開始進行公路護欄再利用的研究，已經在某些方面取得了一些進展，如安全護欄木制立柱再利用問題等[1-2]。美國2011版《路側設計指南》[3]提出了建立升級需求的優先級概念，即將舊式護欄作為新建或改建公路項目的一部分來考慮。在該指南中，對波形梁護欄提出了一些改造的原則，但未提供具體的改造技術和方法，相對來說對橋梁護欄的升級改造有一些具體做法，但主要是增設新護欄的方法。除了美國對既有護欄的防護性能評估和再利用升級改造技術有少許的研究外，包括歐洲、日本等學者在內主要針對護欄設置原則、方法和應用的相關研究[4-6]。由于護欄材料、結構，使用情況、防護等級和能量的差別，護欄評估和再利用提升技術可借鑒之處不多。

針對新舊規范更替，目前國內采用波形梁鋼護欄材料再利用的方法中，兩波護欄再利用時應用最多的是雙層雙波方案[7-12]，但是由于既有波形梁護欄的實際防護能力和再利用價值情況不同，現有的成果適用范圍有限，不能完全適用于所有高速公路的實際情況。因此，本文針對XX改擴建工程既有兩波護欄進行評價，根據既有護欄的實際情況，設計一種安全功能的各項指標均滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》的要求，具有較好的阻擋功能、導向功能和緩沖功能，防護等級達到A級，防護能量達到160 kJ的升級改造方案。

1 試驗

材料的常規力學性能主要將試件放進萬能電子試驗機夾具中進行常溫下的準靜態拉伸試驗，試驗過程中由試驗機輸出載荷-位移數據，經過式（1）—（4）的處理即可獲得材料的真實應力-應變關系。

式中：F、d0、？滓e、？滓t、？著e及？著t分別為試驗機輸出的載荷、試件原長、工程應力、真實應力、工程應變及真實應變。至少對3個試件進行壓縮測試，最終取平均值進行結果分析。

2 測試結果與分析

為清晰了解既有波形梁板的實際防護能力和再利用價值情況，首先需要掌握既有波形梁板的材料特性，因此，本文對既有波形梁板的力學性能進行了常規力學性能研究。真實應力應變曲線如圖1所示，拉伸曲線有一個明顯的屈服平臺。在應變越過屈服平臺后，流動應力隨應變的增加而增加，直至產生頸縮斷裂。高強鋼擁有較高屈服強度與抗拉強度，上屈服強度為358 MPa，下屈服強度為332 MPa，同時具有很高的塑性，伸長率達32.3%。

3 既有波形梁護欄升級改造方案設計

本文的既有波形梁護欄升級改造方案結構將按照JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中三級（A級）防護等級要求的試驗條件和評價方法開展計算機仿真模擬碰撞試驗，經優化設計的最終方案通過實車足尺碰撞試驗驗證，各項指標須滿足評價標準要求。試驗碰撞條件見表1。

在護欄進行有限元仿真模擬的過程中，護欄的各部件單元類型采用四邊形殼單位，并考慮材料的應變率效應，防阻塊與梁板及立柱之間均通過梁單元屬性的螺栓進行連接，材料模型采用MAT24號，單元屬性采用shell類型。

根據JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中對三級（A級）防護等級護欄試驗碰撞條件的規定，本研究首先對護欄方案進行了10 t中型客車、60 km/h碰撞速度、20°碰撞角度條件下計算機仿真模擬碰撞試驗。護欄采用寬型托架，升級完成后形成雙層雙波護欄。方案結構如圖2所示，具體參數如下。

1）護欄立柱間距為2 m。

2）下層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為60 cm，上層兩波形梁板中心距離路緣石頂面高度為100 cm。

3）新增護欄立柱規格為Φ140×4.5×（2 150+hc）（mm）和Φ140×4.5×（2 550+hc）（mm），新增構件均采用Q235鋼材。

4）護欄板采用路側和中央分隔帶拆除的兩波形梁板，即規格為4 320×310×85×3（mm）。

經計算機仿真模擬碰撞試驗分析（結果如圖3所示），優化方案護欄的阻擋功能、導向功能、緩沖功能均滿足標準要求，中型客車和中型貨車碰撞時護欄的W值分別為139 cm和114 cm，VIn值分別為137 cm和202 cm，滿足實際工程的防護需求。

4 實車試驗

為驗證既有波形梁護欄升級改造方案段的安全性能，根據現行JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》三級（A級）的試驗碰撞條件（表1），對其進行了小型客車、中型客車和中型貨車的實車足尺碰撞試驗。

4.1 小型客車試驗情況

小型客車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖4—6所示。

4.2 中型客車試驗情況

中型客車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖7—9所示。

4.3 中型貨車試驗情況

中型貨車碰撞試驗時，試驗前后護欄的照片分別如圖10—12所示。

5 效益分析

5.1 經濟效益

根據現行JTG/T D81—2017《公路交通安全設施設計》細則中推薦的波形梁鋼護欄結構型式，以打入式立柱為例，設置在高速公路的Am級三波形梁鋼護欄的用鋼量為37.23 kg/延米，本項目的A級雙層雙波護欄方案新增用鋼量23.46 kg/延米，相比于新設17版細則中推薦的A級三波形梁鋼護欄節新增用鋼量節省約37.0%。如果將本成果在全國高速改擴建工程進行推廣應用，將節省超過百億元的建設資金，具有顯著的經濟效益。

5.2 安全效益

本研究成果，能為94版規范和06版規范設計設置的護欄改造升級提供了系統的解決方案，通過利用原有兩波形梁板研發了符合現行規范標準要求的三級（A級）雙層雙波護欄和四級（SB級）雙層雙波護欄，提高了高速公路的整體交通安全防護水平，可有效防止或減少車輛穿越護欄事故的發生，降低公路事故死亡率，發揮了自身的社會價值。

5.3 環境效益

高速公路改擴建工程中，以往對于不再滿足現行規范要求的既有護欄構件，多數拆除后回收至冶煉廠重新回爐，重新回爐對環境造成了較大的影響，任何經濟數據都很難計算出其對生活環境的影響。本著生態可持續的原則，對原有護欄的兩波梁護欄板進行再利用，提升原有護欄的再利用率，一方面減少了新增用鋼量，一方面減少了回爐對環境的影響，總體降低能耗，減小了對生態環境的危害，推動了公路交通與生態保護協同發展，深化了綠色公路建設，強化了資源材料循環利用，促進了資源能源節約集約利用。

6 結論

1）本文對既有波形梁護欄進行了評價研究，考慮既有護欄立柱防腐能力較差和建筑限界影響，本文主要利用既有護欄板，對既有護欄的力學性能進行分析，發現其力學性能能滿足Q235的要求。

2）通過數值模擬對既有波形梁護欄升級改造方案的結構進行了設計和優化，得到了最終既有波形梁護欄升級改造的設計方案，并對該方案進行了實車碰撞試驗，此護欄滿足JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》中三級（A級）防護等級的要求。

3）部分公路的交通組成和交通流量發生了較大的變化，部分路段按94版規范和06版規范設計設置的護欄的防護能力可能與當前需求不匹配，本文解決了該問題。充分利用既有公路的安全設施，提升公路的安全防護水平，達到了“安全合理、經濟適用、節能環保、因地制宜”的目的。

參考文獻：

[1] 公路交通安全設施設計規范：JTG D81—2017[S]

[2] SICKING D.Manual for Assessing Safety Hardware[Z]. 2009.

[3] ROADSIDE DESIGN GUIDE：AASHTO RSDG-4-2011[S].

[4] STANDARDS B. Road Restraint Systems-Part1： Terminology And General Criteria For Test Methods[S].

[5] STANDARDS S. Road Restraint Systems - Part 2：Performance classes， impact test acceptance criteria and test methods for safety barriers including vehicle parapets[S].

[6] 日本道路協會.車輛用防護欄標準與解說[S].2000.

[7] 公路護欄安全性能評價標準：JTG B05-01—2013[S].

[8] 高速公路交通安全設施設計及施工技術規范：JTJ 074—94[S].

[9] 公路交通安全設施設計規范：JTG D81—2006[S].

[10] 公路交通安全設施設計細則：JTG/T D81—2006[S].

[11] 公路交通安全設施設計規范：JTG D81—2017[S].

[12] 公路交通安全設施設計細則：JTG/T D81—2017[S].

作者簡介：作者簡介：石杰榮（1971-），男，高級工程師。研究方向為高速公路建設管理。