中央分隔带SA级波形梁护栏变形控制指标优化技术

李涛 徐庆超 王冠 荆林立 张宏松

（1.山东高速建设管理集团有限公司，山东 济南 250098；2.北京中交华安科技有限公司，北京 100088）

一、引言

车辆失控碰撞中央分隔带波形梁护栏后，可能碰撞杆件等障碍物，对车内司乘的安全造成较大威胁，杆件被碰撞倒伏后，将影响相关设施设备的正常运行，同时可能造成二次事故的发生。

根据《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）的相关规定，选择护栏形式时，应考虑护栏最大横向动态位移外延值（W）或车辆最大动态外倾当量值（VIn）等变形控制指标[1-2]如图1所示。护栏的W值或VIn值以客车或货车碰撞试验测量的较大值记[3]，应小于中央分隔带护栏面距其防护障碍物的距离。当防护的障碍物低于护栏高度时，宜根据护栏的W值选择护栏形式；当防护的障碍物高于护栏高度且公路主要行驶车型为大型车辆时，应根据护栏的VIn值选择护栏形式。

图1 护栏相关变形控制指标示意图

一般情况下，护栏的VIn值大于W值。特殊情况下，护栏W值可能大于VIn值。当W值超出护栏面与其防护杆件外沿的距离时，即使VIn值满足防护要求，护栏也可能对防护杆件造成影响。中央分隔带杆件防护时，可采用单侧独立防护或双侧协同防护两种方式。双侧协同防护时，应保证车辆最大动态外倾当量值（VIn）和护栏迎撞侧横梁的最大横向动态位移外延值Wb，如图2所示，同时小于护栏面距其防护的智慧杆件外沿的距离。

图2 护栏迎撞侧横梁的最大横向动态位移外延值（Wb）示意图

山东某高速公路中央分隔带设置有分设型SA级波形梁护栏，立柱埋置于土基，采用打入方式施工，立柱间距为3m，护栏板面间距为2m。结构示意如图3所示。

图3 中央分隔带SA级波形梁护栏结构示意图延值（Wb）示意图

上述高速公路中央分隔带杆件需要防护时，由于原有SA级波形梁护栏的Wb值和VIn值均超过1m，护栏变形控制指标不满足规范的要求。如拆除原有SA级波形梁护栏设置满足规范要求的护栏，通车期间中央分隔带护栏防护存在较长的真空期，安全隐患较大，加之原有立柱拔起难度较大或拔出后无法再利用，会造成较大的材料浪费，以及施工不便捷，影响施工工期，造成工程造价增加。针对以上问题，通过现场调研杆件的实际情况，在尽可能不拆除原有护栏的前提下，新增加强结构，设计加强方案，并采用有限元仿真模拟分析方法对各方案护栏的安全性能和变形控制指标优劣程度进行分析，研究选定一种较优的改造方案，以适用于实际工程中央分隔带内杆件的防护。

二、研究要求

（一）防护等级要求

加强方案护栏依照《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）中SA级防护等级要求的试验条件，如表1所示，用评价方法开展计算机仿真模拟碰撞试验，各项指标须满足评价标准要求。

表1 仿真计算采用的试验碰撞条件

（二）变形控制要求

根据现场调研可知，实际工程中杆件直径规格较多，比如8m监控杆件立柱直径为180mm，12m监控杆立柱直径为400mm，如图4所示。护栏的变形控制指标均要能适用于实际工程中的所有杆件，以直径最大的简易龙门架立柱为防护对象确定变形控制指标可覆盖所有杆件的防护。因此，加强方案护栏的变形控制指标（Wb值和VIn值）必须小于80cm，即中央分隔带护栏板面宽度2000mm减去杆件直径400mm后除以2。

图4 山东某高速公路中央分隔带部分杆件设置情况

（三）其他要求

护栏改造工程需要在边通车边施工的环境中开展，护栏改造施工难易不仅影响建设周期，对施工期间的交通组织也有影响。加强方案应充分再利用原有护栏设施，尽量避免拆除、废弃原有护栏构件，保持原有护栏在施工过程中的防护作用，可有效缩短工期，同时能降低护栏的改造成本。

三、有限元仿真模拟分析方法

目前，车辆碰撞护栏计算机仿真模拟分析主要采用非线性显式有限元方法。LS-DYNA是应用最为成熟可靠的有限元分析程序，在解决汽车碰撞护栏这类复杂问题中，其精度已经得到了广泛的认可[4-9]。本文将采用LS-DYNA程序对加强方案护栏开展计算机仿真模拟碰撞试验分析。

因此本文选用板式换热器作为研究对象，首先对其进行结构设计计算[10]，然后根据设计参数分析污水流速对堵塞换热的影响规律.

车辆碰撞护栏计算机仿真模拟分析时，材料模型选定后的参数设置至关重要。计算机仿真模拟碰撞试验前，需测试护栏材料的力学性能，以获得材料的应力—应变曲线及屈服强度、抗拉强度、断后延伸率等指标，为后续的仿真模拟分析提供材料参数。材料力学性能指标是通过一系列试验测定的，其中静态拉伸试验是测定大部分材料常用力学性能指标最常用的方法。通过静态拉伸试验，可获得金属材料的静态应力—应变曲线。由于车辆与护栏碰撞是一个动态过程，简单地用材料静态下的力学行为去分析护栏的防护能力远远不够，因为材料强度一般会随应变率变化而变化，具有显著的应变率效应。图5为Q235钢在不同应变率条件下的应力—应变曲线，Q235钢表现出应变率强化效应，即随着应变率的增加，材料的屈服强度将增大。

图5 四种应变率条件下Q235钢应力—应变曲线

护栏有限元建模时，波形梁板、立柱、横梁和防阻块等构件采用Belytschko-Tsay壳单元，其Q235钢、Q355钢选用多线性、弹塑性、各向同性硬化材料模拟。材料的弹性模量、屈服强度、应力—应变曲线、失效应变根据材料力学性能测试结果输入，通过采用LS-DYNA程序中*DEFINE_TABLE关键字定义材料在特定应变率条件下的应力—应变曲线，应变率介于已定义的相邻应变率数值之间时，材料的应力应变数值通过插值计算。模型中连接螺栓采用梁单元外包壳单元的方式处理，而拼接螺栓采用梁单元连接节点刚体的方式处理。

护栏有限元结构总长度为70m，其中加强结构标准段长度根据各方案确定，碰撞位置大约在总长度和加强标准段长度的三分之一处，护栏两端采用固定约束。计算机仿真模拟碰撞试验所用车辆有限元模型基于NCAC公开的小型客车、大型客车和大型货车模型[10]，经与以往试验结果比对后修改。将车辆有限元模型加入护栏有限元模型后，通过设置碰撞速度、调整碰撞点和碰撞角度、设置接触等工作，最终形成车辆碰撞护栏的有限元模型，实施有限元仿真模拟分析。

四、加强方案初步设计

方案设计时，SA级波形梁护栏立柱按埋置于土基考虑。在保持原有护栏构件基本不改变的情况下，从安全性、经济性和施工便捷性的角度出发，通过新增加强结构，增强护栏的整体刚度，提升原有护栏的抗变形能力和抗车辆侧倾能力，基于单侧独立防护和双侧协同防护理念，分别提出了两种初步加强方案。

初步方案一：采用单侧独立方式，在原有护栏相邻立柱之间新增1根立柱、1根上段立柱、1个防阻块和1套立柱斜撑结构，以及两套横梁斜撑结构，可显著增强支撑系统的刚度，以控制护栏的横向变形。新增构件（不包括连接件）材料均采用Q235钢，双侧新增用钢量4.1t，结构如图6所示。在中央分隔带单道SA级波形梁护栏的同侧安装新增立柱，斜撑结构的立柱固定在对向侧，保证新增防阻块仅与新增立柱连接与三波形梁板相隔，新增的上段立柱和横梁斜撑与原有横梁采用套管连接。

图6 初步方案一护栏结构示意图

初步方案二：采用双侧协同防护方式，保留原有SA级波形梁护栏完全不变，在原有护栏相邻立柱之间新增两根方管立柱，两侧新增立柱通过上下两根方管横撑连接，在原有横梁上方新增方管横梁，新增立柱与原有三波形梁板之间设置立柱垫块，垫块与立柱相连而不与三波形梁板连接。通过增加两侧协同受力的立柱支撑系统和上部横梁，可明显增强护栏的整体刚度。护栏加强后，原有SA级波形梁护栏的立柱间距保持为3m，新增立柱间距为1.5m；原有SA级波形梁护栏各构件的高度均保持不变，新增横梁的中心高度为1500mm；新增构件（不包括连接件）的材料均采用Q235钢，双侧新增用钢量3.5t，整体结构如图7所示。

图7 初步方案二护栏结构示意图

初步方案二护栏结构整体由SA级波形梁护栏和加强结构两部分组成，两部分结构无直接连接，不会对原有三波形梁护栏造成破坏，施工无需拆除原有护栏任何构件的同时，加强结构可以整体前后平移设置，有较好的适用性。初步方案二护栏结构分解如图8所示。

图8 初步方案二护栏结构分解图

初步方案护栏大型货车计算机仿真模拟碰撞试验结果如图9所示，由图可知护栏的阻挡功能和导向功能均符合评价标准要求，初步方案一和初步方案二护栏迎撞侧横梁的最大横向动态位移外延值（Wb）分别为73cm和81cm，车辆最大动态外倾当量值（VIn）分别为91cm和93cm，变形控制指标最大数值均大于80cm，无法满足研究目标要求，需进一步优化。

图9 初步方案护栏大型货车模拟碰撞VIn值最大时刻

五、加强方案中期设计

图10 初步方案一增强结构车辆模拟碰撞护栏变形情况

初步方案二护栏协调变形较好，但其立柱的抗弯能力不足，护栏的横向变形相对较大，进而影响了抗车辆侧倾的能力。中期方案一在初步方案二基础上，将新增立柱由方管更换为矩形管，取消立柱垫块，移动新增立柱使其更靠近三波形梁板，其他构件保持不变。新增构件，不包括连接件，采用Q235钢材，新增用钢量3.2t。由于同周长的矩形立柱比方管立柱相对于护栏纵向具有更高的抗弯截面系数，立柱在保证一定扭转刚度的同时，抗弯能力更强，护栏的抗变形能力能够得到有效提升。

中期方案二与中期方案一采用同样的几何结构，除连接件以外的新增构件的材料替换为力学性能更优的Q355钢。中期方案一和中期方案二结构如图11所示。

图11 中期方案一和中期方案二护栏结构示意图

中期方案三在中期方案二的基础上，在原有SA级波形梁护栏下方增加摩擦梁，将立柱更加紧密地连接在一起，以进一步增强立柱的抗弯能力。除连接件以外的新增构件，采用Q355钢材，新增用钢量4t，中期方案三结构如图12所示。

图12 中期方案三护栏结构示意图

根据大型客车和大型货车的计算机仿真模拟碰撞试验结果，中期方案各护栏的阻挡功能和导向功能符合评价标准要求，护栏Wb值和VIn值如表2所示。

表2 中期方案对比情况

中期方案各护栏的Wb值均低于80cm，中期方案二护栏的VIn值略低于80cm，满足要求，而中期方案一和中期方案三护栏的VIn值稍大于80cm，不满足要求。相比于中期方案二，中期方案三增加摩擦梁后未降低VIn值，说明结构的合理布置比单纯增加用钢量更为重要。由于中期方案二VIn值为79cm，后续实车碰撞试验时，因误差要求范围内碰撞速度或碰撞角度增加存在VIn值超过80cm的风险。综合考虑变形控制指标数值、新增用钢量、施工便捷性、适用性等因素，本文将对中期方案二进一步优化。

六、加强方案优化设计

优化方案在中期方案二基础上，尽可能将新增立柱与原有SA级波形梁护栏立柱的背面设置于一条直线，以保证打入新增立柱时，受到地下既有通讯管道的影响较小，新增立柱与三波形梁板之间增加立柱垫块，将新增横梁迎撞面与原有SA级波形梁护栏迎撞面设置于同一立面，新增横梁与新增立柱之间增加横梁垫块，尽可能降低车辆的侧倾程度。方案结构如图13所示，主要参数如下：

图13 优化方案护栏结构示意图

新增立柱的规格为160mm×80mm矩形管，新增横撑规格为80mm方管，新增横梁规格为120mm方管，新增构件主要采用Q355钢材；原有SA级波形梁护栏的立柱间距保持为3m，新增立柱间距为1.5m；原有SA级波形梁护栏各构件的高度均保持不变，新增上部横梁的中心高度为1500mm；不包括连接件的新增构件材料，均采用Q235钢，双侧新增用钢量3.5t。

经计算机仿真模拟碰撞试验分析结果如图14和图15所示，优化方案护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能均满足标准要求，大型客车和大型货车碰撞时护栏的Wb值分别为50cm和63cm，VIn值分别为74cm和68cm，均明显低于80cm，满足实际工程的防护需求。

图14 优化方案护栏车辆模拟碰撞过程

图15 优化方案护栏车辆模拟碰撞VIn值最大时刻

七、效益分析

（一）经济效益

基于中央分隔带SA级波形梁护栏变形控制指标优化需求，本文提出了无需拆除和更换原有护栏任何构件实现护栏防护性能提升的技术。通过采用该技术，研究确定了一种中央分隔带SA级波形梁护栏加强方案，该方案护栏由SA级波形梁护栏和加强结构两部分组成，施工过程中，能够100%保留原有SA级波形梁护栏。加强结构材料成本（不含安装费）约为32000元/处，相比于拆除旧护栏设置符合要求的高强护栏材料可节省40%以上的成本。此外，本文提出的加强方案可在不用拆除原有护栏任何构件的情况下，打入新增立柱和安装加强结构，能有效缩短施工工期，降低施工费用和交通组织费用。

（二）社会效益

通过应用本文提出的加强方案，可大幅降低护栏改造的施工难度，极大地减小对交通的影响，提高车辆的通行效率。与节约资金和缩短施工时间相比，本文加强方案最优越的方面体现在护栏的施工期间安全防护性能较好，原有护栏在施工过程中，依旧可以发挥防护作用，为施工区内的人员和设备提供良好的安全保障。此外，本文加强方案可减少新增用钢量，降低能耗，减小对生态环境的危害，契合工程建设绿色低碳发展要求，可助力我国实现碳达峰、碳中和的目标。

八、结语

本文针对高速公路中央分隔带内设有杆件位置SA级波形梁护栏变形控制指标不满足《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）要求的问题，根据现场调研山东某高速公路中央分隔带现有SA级波形梁护栏和杆件的实际情况，在尽可能不拆除原有护栏的前提下，通过新增加强结构的方式，分析了中央分隔带SA级波形梁护栏变形控制指标优化技术，提出了一种中央分隔带SA级波形梁护栏加强方案。

经有限元仿真模拟分析，提出的加强方案护栏安全性能的阻挡功能、导向功能和缓冲功能均符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的要求，其迎撞侧横梁的最大横向动态位移外延值（Wb）和车辆最大动态外倾当量值（VIn）分别为63cm和74cm。加强方案护栏具有防护能力强、变形控制指标优、适用性好、施工便捷、节省工期、过渡平顺、协调美观等优点，后续经过实车足尺碰撞试验验证后，可在实际公路上应用，试验结果可为其他类似项目提供参考借鉴。