高速公路中央分隔帶混凝土護(hù)欄優(yōu)化的試驗(yàn)研究
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論文導(dǎo)讀：高速公路中央分隔帶混凝土護(hù)欄具有防撞能力強(qiáng)、導(dǎo)向功能好的特點(diǎn)，在交通量大的路段可大幅度地減少碰撞事故損失，同時(shí)養(yǎng)護(hù)和維修工作量小，節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。而已修建的混凝土護(hù)欄大多采用新澤西型護(hù)欄，該護(hù)欄存在導(dǎo)向功能上的缺陷，應(yīng)用中翻車情況較多，外觀也比較呆板。因此，有必要對(duì)高速公路中央分隔帶混凝土護(hù)欄做進(jìn)一步的研究，開(kāi)發(fā)出一種適應(yīng)我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展的安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、功能配套的中央分隔帶新型混凝土護(hù)欄。下面就三期護(hù)欄設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
關(guān)鍵詞：高速公路，中央分隔帶，混凝土護(hù)欄，試驗(yàn)
高速公路中央分隔帶混凝土護(hù)欄具有防撞能力強(qiáng)、導(dǎo)向功能好的特點(diǎn)，在交通量大的路段可大幅度地減少碰撞事故損失，同時(shí)養(yǎng)護(hù)和維修工作量小，節(jié)省養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。目前，我國(guó)普遍采用的波形梁護(hù)欄存在防護(hù)能力較低、橫向變位大，常發(fā)生車輛沖越護(hù)欄闖入對(duì)向車道釀成惡性交通事故等問(wèn)題；而已修建的混凝土護(hù)欄大多采用新澤西型護(hù)欄，該護(hù)欄存在導(dǎo)向功能上的缺陷，應(yīng)用中翻車情況較多，外觀也比較呆板。因此，有必要對(duì)高速公路中央分隔帶混凝土護(hù)欄做進(jìn)一步的研究，開(kāi)發(fā)出一種適應(yīng)我國(guó)高速公路建設(shè)發(fā)展的安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、功能配套的中央分隔帶新型混凝土護(hù)欄。
高速公路中央分隔帶新型混凝土護(hù)欄經(jīng)專家鑒定，認(rèn)為該護(hù)欄具有安全可靠、較強(qiáng)的防撞能力和良好的導(dǎo)向功能，同時(shí)滿足綠化、防眩等綜合交通功能。下面就三期護(hù)欄設(shè)計(jì)和試驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。
1.三期護(hù)欄結(jié)構(gòu)介紹
第一期護(hù)欄結(jié)構(gòu)主要是在調(diào)查分析國(guó)內(nèi)外護(hù)欄研究應(yīng)用的基礎(chǔ)上，對(duì)某I型橋梁護(hù)欄進(jìn)行改進(jìn)形成的。護(hù)欄采用單方向受力主筋設(shè)計(jì)方案，即水平鋼筋為受力鋼筋4φ10，豎向鋼筋為構(gòu)造鋼筋，護(hù)欄高度為90cm，每段護(hù)欄長(zhǎng)度4m，基礎(chǔ)設(shè)置支撐塊，間距4m，護(hù)欄段間采用傳力桿進(jìn)行連接。
第二期護(hù)欄在第一期的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。護(hù)欄高度由一期的90cm改為100 cm；護(hù)欄配筋方式改為雙向配筋，豎向和橫向鋼筋均為受力鋼筋；槽內(nèi)支撐塊間距由4m改為2m。
第三期護(hù)欄在總結(jié)前兩期護(hù)欄試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)：改變配筋形式；護(hù)欄段間連接由傳力桿改為方鋼連接。論文參考。
2.形式改進(jìn)及原因分析
2．1護(hù)欄坡面改進(jìn)及增設(shè)阻爬坎
課題組在新澤西型護(hù)欄坡面的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，最終確定優(yōu)化型混凝土護(hù)欄的坡面結(jié)構(gòu)形式。論文參考。通過(guò)采用動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬的方法進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明，小轎車碰撞護(hù)欄時(shí)，新澤西型和改進(jìn)型護(hù)欄均具有良好的導(dǎo)向功能，車輛均恢復(fù)整車形式狀態(tài)，但在車體爬升高度上，新澤西型護(hù)欄坡面約是改進(jìn)型護(hù)欄坡面的2倍，車體爬升可以消耗車輛的碰撞能量，起到緩沖的作用，但若車體爬升過(guò)大，容易造成內(nèi)翻事故，為了保證乘員安全，決定采用優(yōu)化型坡面。對(duì)增設(shè)阻爬坎模擬的結(jié)果，碰撞發(fā)生后車體最大爬升高度比較沒(méi)有設(shè)置阻爬坎的情況降低了60mm，其降低幅度為5％。
2．2基礎(chǔ)形式
護(hù)欄基礎(chǔ)的支撐塊的作用主要是約束護(hù)欄的橫向位移和減少護(hù)欄變形。一期護(hù)欄采用間距為4m的支撐塊，從試驗(yàn)的情況看，護(hù)欄基礎(chǔ)位置出現(xiàn)了豎向裂縫，說(shuō)明護(hù)欄基礎(chǔ)支持間距過(guò)大，造成護(hù)欄水平抗彎能力不足。為了確定護(hù)欄結(jié)構(gòu)的支撐塊布置方式。課題組通過(guò)重錘沖擊試驗(yàn)，來(lái)考察4種不同支撐形式(端頭設(shè)置，間距4m、端部和中部設(shè)置，間距2m、滿鋪、距端部1m設(shè)置，間距2m，)承受沖擊作用的表現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明在護(hù)欄端部設(shè)置支撐塊，間距2m的護(hù)欄，在設(shè)計(jì)荷載作用下，沒(méi)有明顯的破壞，護(hù)欄能夠?qū)⒑奢d傳遞到兩端，并允許護(hù)欄具有一定變形范圍，因此，綜合考慮，該布置方式最佳。
2．3護(hù)欄高度
護(hù)欄高度是護(hù)欄結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要參數(shù)。護(hù)欄高，對(duì)于阻止車輛翻越有利，但是，會(huì)增加護(hù)欄的造價(jià)，加重混凝土護(hù)欄對(duì)乘員的壓抑感，遮擋乘員的橫向視線，降低乘車舒適性等。護(hù)欄矮，可以節(jié)省材料，但可能不足以有效地阻止車輛翻越，失去其防護(hù)功能。論文參考。第一期試驗(yàn)表明試驗(yàn)車輛(大客車)的側(cè)傾角度較大，側(cè)傾角大會(huì)使車體碰撞護(hù)欄一側(cè)集中了車體全部荷載，造成車輛破壞嚴(yán)重，或由于側(cè)傾角度過(guò)大而發(fā)生翻車。因此通過(guò)分析計(jì)算，第二期、第三期護(hù)欄高度改為100cm。
2．4結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
第一期和第二期護(hù)欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均采用靜力計(jì)算的方法設(shè)計(jì)。第一期碰撞試驗(yàn)護(hù)欄出現(xiàn)了大量的豎向和斜向裂縫，局部出現(xiàn)了粉碎性破壞，說(shuō)明護(hù)欄強(qiáng)度沒(méi)有滿足設(shè)計(jì)要求；通過(guò)對(duì)一期護(hù)欄強(qiáng)度重新設(shè)計(jì)，第二期試驗(yàn)的結(jié)果表明，護(hù)欄豎直鋼筋最大應(yīng)變遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)應(yīng)變，鋼筋遠(yuǎn)沒(méi)有屈服，強(qiáng)度設(shè)計(jì)偏于保守。通過(guò)第一期和第二期護(hù)欄試驗(yàn)說(shuō)明采用靜力方法設(shè)計(jì)護(hù)欄，無(wú)法對(duì)護(hù)欄受力進(jìn)行準(zhǔn)確地分析。因此，第三期試驗(yàn)采用護(hù)欄的動(dòng)力響應(yīng)設(shè)計(jì)護(hù)欄結(jié)構(gòu)。計(jì)算結(jié)果(第三期)比較見(jiàn)表1。
2．5護(hù)欄連接構(gòu)件
采用傳力桿連接能夠?qū)⑴鲎擦鬟f到相鄰護(hù)欄，護(hù)欄整體性較好，但碰撞后相鄰護(hù)欄頂部易出現(xiàn)不連續(xù)情況(頂部橫向位移差5cm左右)，而且護(hù)欄在拼裝更換時(shí)施工較為困難。因此，第三期護(hù)欄結(jié)構(gòu)采用方鋼連接。
3.實(shí)車碰撞試驗(yàn)
課題組前后對(duì)三期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的混凝土護(hù)欄結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)車碰撞驗(yàn)證試驗(yàn)。并通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到以下主要結(jié)論。
3．1護(hù)欄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度
第一期護(hù)欄碰撞試驗(yàn)表明，護(hù)欄的斜向裂縫較大，說(shuō)明護(hù)欄的橫向和豎向鋼筋配筋不足，同時(shí)，由于支撐塊間距偏大造成護(hù)欄抗彎能力不足，因此護(hù)欄強(qiáng)度沒(méi)有滿足設(shè)計(jì)要求；第二、三期護(hù)欄試驗(yàn)，護(hù)欄的整體變形較小，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，但三期比二期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)鋼筋節(jié)約用量8.16t，因此采用第三期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)。
3．2護(hù)欄的導(dǎo)向能力
護(hù)欄具有較好的導(dǎo)向能力，所有碰撞試驗(yàn)車輛的駛出角度都很小，均遠(yuǎn)小于碰撞角度的60％，護(hù)欄能夠較好地防止車輛在碰撞護(hù)欄后駛?cè)雽?duì)向車道。但第一期試驗(yàn)，大客車嚴(yán)重側(cè)傾甚至翻車，說(shuō)明護(hù)欄高度不足；護(hù)欄高度增加后的第二期、第三期護(hù)欄實(shí)車碰撞試驗(yàn)，碰撞車輛均未發(fā)生嚴(yán)重的側(cè)傾或翻車，表明改進(jìn)后護(hù)欄具有足夠的安全儲(chǔ)備。
3．3乘員的損傷
三期護(hù)欄碰撞試驗(yàn)中，乘員所受縱向最大沖擊加速度(10毫秒平均值)均小于20g(g為重力加速度)，滿足混凝土護(hù)欄安全評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
3．4車輛的損傷
由于混凝土護(hù)欄的剛性較大，碰撞后車輛的損傷一般較大，大多數(shù)車輛的左前部車體均有不同程度的損壞和變形，主要體現(xiàn)在車輛保險(xiǎn)杠、車前窗、前軸及車尾部的損壞。
3．5護(hù)欄連接型式
通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)結(jié)果分析表明，護(hù)欄預(yù)制段之間采用傳力桿連接和方鋼連接方式，均能有效地將碰撞護(hù)欄塊的碰撞力傳遞給相鄰護(hù)欄塊。但采用傳力桿連接方式容易出現(xiàn)護(hù)欄塊連接處頂部出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)，特別當(dāng)碰撞點(diǎn)發(fā)生于連接處時(shí)，碰撞車輛很大概率在錯(cuò)臺(tái)處發(fā)生嚴(yán)重碰撞事故，而采用方鋼連接方式能很好的解決以上問(wèn)題，碰撞車輛能比較平順地通過(guò)連接處。因此，項(xiàng)目采用方鋼連接形式作為混凝土護(hù)欄的連接方式。
3．6綜合功能
項(xiàng)目還對(duì)護(hù)欄施工工藝、護(hù)欄下的管線布置、排水系統(tǒng)、養(yǎng)護(hù)工作、綠化、防眩等方面進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，該形式的護(hù)欄能很好地適應(yīng)高速公路防撞安全及美觀等功能上的要求。
4.結(jié)論
本項(xiàng)目采用新的思路對(duì)護(hù)欄的結(jié)構(gòu)形式、強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)連接方式等進(jìn)行了優(yōu)化研究，并通過(guò)實(shí)車碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明優(yōu)化后的中央分隔帶混凝土護(hù)欄，具有較強(qiáng)的防撞能力和較好的導(dǎo)向功能，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均在容許范圍之內(nèi)，能夠滿足評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，且具有施工方便、滿足綠化、防眩、易養(yǎng)護(hù)等綜合功能，具備在我國(guó)高速公路上應(yīng)用的條件。
參考文獻(xiàn)：
[1]廖春芳，白書(shū)鋒，鐘夢(mèng)武．高速公路中央分隔帶槽形混凝土護(hù)欄的開(kāi)發(fā)研究[J]．公路，2003，(1)．
