钢背竹景观护栏结构设计与试验研究

吴清高 周琪 吴霜

摘  要：竹材具有生长周期短、产量高、比强度大、环保及可再生等特点，可作为景观护栏构件的优质材料。竹材胶合板作为竹材的主要加工成品，易于切割和组装，是景观护栏优选的型材。竹材胶合板比强度较高，但其抗拉强度和延伸率较低，不宜作为单独的承力构件。通过将竹材胶合板与型钢构件按一定方式组合和优化，设计完成了一种钢背竹景观护栏，并对该护栏进行了B级碰撞条件下的安全性能评价。结果表明，钢背竹景观护栏具有良好的阻挡功能、导向功能和缓冲功能，符合评价标准要求。

关键词：竹材胶合板  钢背竹  景观护栏  安全性能评价  实车碰撞试验

中图分类号：U417.1   文献标识码：A           文章编号：1672-3791（2019）05（b）-0063-05

护栏作为道路最主要的安全防护设施，其主要作用是防止车辆冲出路外或进入对向车道，使车辆回复到正常行驶方向，最大限度地减少对乘员的伤害。在进行护栏设计时，往往考虑安全性和经济性两方面，而较少地考虑景观性能。随着我国经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，道路使用者对护栏的功能要求也发生了变化。护栏不仅要是安全的，还要是美观与环境友好的。基于这种需求，研究人员正着手景观护栏的研究和开发。

目前，国外关于景观护栏的研究比较成熟，但其景观护栏的防撞等级较低且型式以钢背木为主[1-2]。国内对景观护栏的研究相对较少，主要涉及常规混凝土护栏或钢护栏的外观设计[3-4]。综合考虑护栏的安全、美观和环境友好功能，优选的景观护栏是钢背木护栏。钢背木护栏的木材体积相对较大，而木材资源又相对缺少，大量地使用木材必然造成资源浪费。竹材由于具有生长周期短、产量高、比强度高、环保及可再生等特点，可作为木材的替代品。因此，有必要选定一种竹材，研究开发一种景观护栏，使其符合中国护栏安全性能评价标准要求。

1  竹材的选定

竹材胶合板是通过将竹条进行横向和纵向组坯，按一定的纤维排列方式和配比方式，经过涂胶、片材组合、热压后制作而成，具有胶合性能好、强度高、耐老化、耐腐烛等特点，易于切割和组装，是作为景观护栏优选的型材。竹材胶合板的比强度较高，甚至比低碳钢还高，护栏设计时能否用其作为单独的承力构件需要进一步分析。以往研究表明，竹材胶合板是一种正交各向异性材料，其顺纹方向力学性能较好，其中顺纹抗拉强度最高[5-7]。因此，该文首先对竹材胶合板试验样品进行顺纹抗拉试验，以获得顺纹弹性模量、顺纹抗拉强度、延伸率等信息。试验样品原材为毛竹，产自浙江省诸暨市。考虑到现行技术标准中尚无对竹材胶合板受拉标准试件尺寸的规定，此次竹材胶合板试件标准尺寸参考《木材顺纹抗拉强度试验方法》（GB/T 1938-2009）[8]。试验采用电子万能材料试验机（CSS44250）进行匀速加载，加载速率为1mm/min，以保证试件在2min内发生破坏。共完成3个试件的拉伸试验，破坏形态如图1所示。

根据试验拉伸曲线，通过计算获得试件的顺纹抗拉弹性模量、顺纹抗拉强度和延伸率，如表1所示。

根据图1和表1可知，竹材胶合板试件在其顺纹方向受到拉力作用时，延伸率在1%以内，发生了脆性破坏，加之，竹材胶合板的顺纹抗拉弹性模量和顺纹抗拉强度相对较低，因此，该文选用的竹材胶合板不宜作为单独的承力构件，需将其与强度较高、韧性较好、使用较为普遍的钢构件按一定方式组合和优化，设计一种钢背竹景观护栏。

2  设计目标及试验条件

目前，通往景区的道路对于景观护栏的需求量最大，而景区道路以二级及以下道路为主。根据现行护栏设计规范JTG D81-2006的规定，二级及以下道路护栏设置的一般等級为B级[9]。因此，该文拟开发的钢背竹景观护栏的目标设计等级为B级，碰撞能量需达到70kJ。

根据现行护栏设计规范的规定，采用新护栏产品之前，需按照现行《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求，对护栏进行实车碰撞试验，并评价护栏的导向功能、阻挡功能和缓冲功能[10]。钢背竹景观护栏需进行B级安全性能验证，试验碰撞条件如表2所示。

3  护栏方案设计

梁柱式护栏由于具有吸能好、重量轻、结构型式灵活、占用面积小、通透性好等优点，钢背竹景观护栏的结构应优先选用梁柱式结构，即主要承力构件为立柱和横梁。考虑到设计护栏需同时满足小型车和中型车的防护要求，护栏应至少包括上下两层横梁。从节约和施工方便的角度，两层横梁为优选。经调查统计，小型车辆的保险杠下翼缘高度不大于36cm、车头高度一般小于80cm，为防止小型车辆下钻护栏，下层横梁中心高度为50cm比较合适。为防止大型车辆越出护栏或侧翻，同时为避免失控车辆的乘员头部直接撞击护栏，上层横梁中心高度为90cm比较合适。

立柱和横梁宜采用易于获取和加工方便的型材，如方管、矩形管、圆管等。由于竹材胶合板一般为平板，为了降低加工难度和减少竹材的浪费，钢构件主要采用方钢或矩形钢，钢构件通过胶粘和螺栓连接方式与竹板进行组合。立柱采用方钢外包竹板，横梁采用矩形钢外包竹板。下层横梁主要防护对象为小型车辆，为了增加与小型车辆碰撞时的接触面积和控制材料成本，可通过增加横梁宽度、减小钢管厚度的方式来实现。上层横梁主要防护对象为中型车辆，为了增加横梁的刚度，可通过增加钢管厚度来解决。立柱与横梁之间不设防阻块而直接相连，以保持护栏的美观和协调。

考虑到二级及以下道路存在弯道较多，护栏单元长度不宜过长，2m较为合适。由于该类别道路路肩较窄、基础条件不理想，护栏立柱在车辆碰撞下可能发生倾覆。因此，护栏立柱基础可采用现浇连续式素混凝土型式，能较大地提高基础的强度和可靠度，并使成本增加较少。

综合考虑安全性、可靠性、经济性、加工方便性、美观和适用性等因素，完成了钢背竹景观护栏的方案设计，如图2所示。

4  碰撞试验分析

4.1 计算机模拟碰撞试验分析

目前，实车足尺寸碰撞试验是评价护栏安全性能认可度最高的方法，但其费用较高。在护栏开发验证过程中，通常采用计算机模拟碰撞试验作为辅助手段对护栏的安全性能进行初步验证，并根据结果对结构进行优化。根据钢背竹景观护栏的CAD模型、材料性能参数以及相关简化假设，通过划分网格、设定材料参数、设置边界条件等工作，最终建立了护栏的有限元模型（如图3所示），共有约43.0万个节点、36.0万个单元。在车辆碰撞过程中，竹板吸能效果相比钢构件要小很多，为了提高计算的效率，在碰撞点后6m、前14m区域内的立柱和横梁将钢构件和竹板进行组合建模，其他区域仅对钢构件进行建模。模型中矩形钢、方钢采用薄壳单元，其Q235钢材料选用多线性、弹塑性、各向同性硬化材料进行模拟，并通过Cowper-Symons模型考虑材料的应变率硬化效应。模型中竹板采用实体单元，材料简化为双线性弹塑性模型，通过定义塑性失效应变和最大失效主应力来模拟竹板的脆性断裂。螺栓采用弹簧单元外包壳单元的方式处理，采用基于惩罚函数法的接触算法解决接触非线性问题。

根据表2实车碰撞试验条件，采用国际上应用广泛的非线性显式动力学有限元分析程序LS-DYNA对钢背竹景观护栏进行了计算机模拟碰撞试验，车辆导向后姿态和护栏变形如图4所示。

小型客车、中型客车和大型客车碰撞护栏后，车辆均没有穿越、翻越和骑跨护栏，行驶姿态正常并平稳驶出，护栏发挥了较好的阻挡功能和导向功能。小型客车碰撞护栏后，乘员碰撞速度和乘员碰撞后加速度均满足标准规定。

由钢背竹景观护栏的计算机模拟碰撞试验结果可知，其安全性能的各项评价指標均符合现行JTG B05-01标准的要求，但还需进行实车碰撞试验验证，最终评价结论必须以实车碰撞试验结果为准。

4.2 实车碰撞试验分析

根据现行JTG B05-01标准对公路B级防护等级护栏安全性能评价的要求，对钢背竹景观护栏进行了实车碰撞试验。实际碰撞小轿车质量为1.47t，碰撞速度为60.11km/h，碰撞角度为20.3°;实际碰撞中型客车质量为10.01t，碰撞速度为40.06km/h，碰撞角度为20.1°;实际碰撞中型货车质量为10.02t，碰撞速度为40.06km/h，碰撞角度为20.1°。碰撞试验前护栏及车辆如图5所示。

图6的实车碰撞试验过程表明，护栏有效地阻挡了碰撞车辆，没有发生翻车、穿越、翻越、骑跨和下穿护栏等现象;中型客车和中型货车碰撞后均保持正常的行驶姿态，平稳驶离护栏，辆轮迹在驶离点后20m范围内没有越过导向驶出框边界线，满足边界要求（见图7）;小型客车碰撞后尽管发生了一定的阻拌现象，但车辆最终停在碰撞区域，车辆轮迹在驶离点后10m范围内没有越过导向驶出框边界线，满足边界要求（见图7）;车辆碰撞过程中，竹板和钢构件协调变形较好（见图8），护栏构件没有侵入车辆乘员舱。因此，钢背竹景观护栏具有良好的阻挡功能和导向功能。

实车碰撞试验中，在小型客车的重心位置安装了加速度传感器，用以测量车辆在碰撞过程中的加速度。基于连枷空间模型（Flail Space Model），根据图9车辆重心处纵向和横向加速度时间历程曲线，可以计算出乘员碰撞速度的纵向与横向分量分别为9.5m/s和1.9m/s，均小于12m/s，符合评价标准要求。乘员碰撞后加速度纵向分量的10ms间隔最大值为103.88m/s2，乘员碰撞后加速度横向分量的10ms间隔最大值为24.50m/s2，均小于200m/s2，满足评价标准规定。

作为辅助性评价指标，在小型客车内安装了试验假人用来测试假人头部和胸部相关性能指标[11]，其结果如表3所示。

小型客车碰撞时乘员碰撞速度、乘员碰撞后加速度、假人头部性能指标等结果表明，钢背竹护栏具有良好的缓冲功能。

5  结论

（1）竹材胶合板具有较强的比强度，但其抗拉强度和延伸率较低，不宜作为单独的护栏承力构件。

（2）通过将竹材胶合板与钢构件按一定方式组合和优化，综合考虑安全性、可靠性、经济性、加工方便性、美观和适用性等因素，设计完成了钢背竹景观护栏。

（3）按照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求，对钢背竹景观护栏进行了B级碰撞条件下的安全性能评价。结果表明，该护栏具有良好的阻挡功能、导向功能和缓冲功能，满足评价标准要求。

参考文献

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[2] 車両用防護柵標準仕様·同解说[S].1999.

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[6] 杨瑞珍.Glubam材料的性能研究与应用[D].湖南大学，2013.

[7] 王文静，左宏亮，郭楠，等.胶合竹顺纹受拉力学性能试验研究[J].低温建筑技，2015，202（4）：38-40.

[8] GB/T 1938-2009，木材顺纹抗拉强度试验方法[S].

[9] JTG D81—2006，公路交通安全设施设计规范[S].

[10] JTG B05-01—2013，公路护栏安全性能评价标准[S].

[11] 中国汽车技术研究中心.C-NCAP管理规则（2018年版[EB/OL].[2018-07-03].http：//www.c-ncap.org/cms/files/cncap-regulation-2018.pdf.