基于工程实例的公路护栏设计及施工方案分析

唐 娜

（湖南省金达工程建设有限公司,湖南 长沙 410000）

0 引言

公路护栏是保护车辆运行安全和完善公路设施的重要部分，在发生车辆碰撞或交通事故时，护栏能够通过自身承载力，对车辆冲击进行缓冲，从而保护车辆和驾驶人员的生命财产安全。公路护栏的主要工作原理是通过自身的形变对冲掉撞击动能，根据此可分为刚性形变、半刚性形变和柔性形变，其中刚性形变护栏采用硬钢板作为主材，主要应用于傍山、悬崖等特殊路段；柔性形变护栏采用钢丝绳作为主材，其弹性能量较强，能够大幅度吸收动能，常用于桥梁路段；半刚性形变护栏采用波形板作为主材，是目前采用最广泛的护栏之一，既能够保护行车安全，又能通过波形设计降低驾驶人员视觉疲劳、增强道路分辨性，近些年波形护栏建设多与公路标识安装相结合，进一步发挥波形护栏的警示作用。考虑到我国的具体国情及相关工程建设基础，现阶段的实际交通基础设施建设过程中公路工程面临着边坡数值陡峭和建设依托土地面积稀少的问题，该文基于《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ074—94）的要求，并根据工程实例，选择波形护栏进行分析。

1 工程概况

该项目位于永州市宁远县境内，工程涉及12个乡镇共81 条线，总里程约203 km，总工期为60 日历天，缺陷责任期自实际交工日期起计算2 年，保修期为5 年，护栏防护等级为A 级，能够承受1.2 t 小型车辆以30°角度、90 km/h 速度撞击；4 t 中型车辆以30°角度、70 km/h 速度撞击；8 t 大型车辆辆以30°角度、40 km/h 速度撞击。另外工程应遵循“绿色工程”原则，节能环保；做到“零事故”“零死亡”；工程质量经验收后判定合格；在工期要求内完成工程建设。

2 工程设计方案

该次波形护栏建设工程的总体设计方案分为立柱、波形梁、锚端三部分，立柱以2.5 m 间距放置，护栏基础承受力等级为C30，单位护栏中有5 条波形梁进行保护，测量完毕后按照工程设计，先安装立柱，再安装波形梁，经检验后进行线性调整并验收。

2.1 护栏防护机理

（1）工程建设中的波形护栏要通过仿真试验、实车碰撞、可靠性验证三项检验工作。

（2）波形护栏遭受撞击后最大横向移动距离在1.5 m以内，通过定量缓冲，防止车辆强行制动造成的结构性破坏[1]。

（3）波形梁和立柱采取分段安装方式，两者之间没有额外加固措施，可以视为波形护栏中两个独立的部分，在遭遇碰撞时，波形梁不会因为立柱损坏产生高度变化；立柱不会因为波形梁牵连发生位移，保障波形护栏的防护作用[2]。

（4）根据永州市宁远县实际通车情况和事故统计，针对性调整波形梁预张紧力和立柱数量，从而改变波形护栏各节点间的防护力，做到工程成本和护栏防护等级的兼顾[3]。

2.2 立柱

（1）立柱钢材：选取Q235 碳素结构钢，由于这种钢材的屈服强度会随钢材厚度发生变化，所以选用厚度为30 mm 的钢材，屈服强度为260～265 MPa 之间。

（2）立柱规格：选取“工字形”立柱，立柱高度为1 650 mm、截面直径为140 mm，具体立柱规格如图1 所示[4]。

图1 立柱规格图

（3）立柱组件规格：单位立柱配有2 块（560×40×24）mm的侧面护板；1块（1 560×128×24）mm的腹部护板；2个截面直径为24 mm 的挂钩。

2.3 波形梁

（1）波形梁钢材：Q235 碳素结构钢，连接螺栓选择高强螺栓。

（2）波形梁加工：根据国家《镀锌钢绞线》（GB1200—88）的规定，在安装前对波形梁进行热侵镀锌处理，从而达到防腐目的。

（3）安装方式：波形梁将立柱纵向分为三个部分，从上到下平行安装、均匀分布，波形梁沿着立柱作用力的反向拉扯，形成局部张力偏转，预张紧力调整为4.5±0.5 kN[5]。

2.4 锚端设计及原理分析

锚端包括端柱、波形梁连接器、混凝土地基三部分，是波形护栏起止两端的固定装置，能够起到均衡作用力、美观、收束护栏的作用，其中端柱、波形梁连接器的材质与常规立柱、波形梁相同，规格略有改动；混凝土地基强度为C40，具体锚端设计图如图2 所示[6]。

图2 锚端设计图

锚端的设计需要将力学分析作为设计重点，根据图2 所示，其中涉及的力学元素有危险截面中的波形梁拉力（与常规波形护栏中的波形梁相连，力学作用力在常规护栏上，无需考量）、波形梁破断拉力δ=45 t、锚端与混凝土地基相切处的弯矩（弯矩为最大值，无需考量）、锚端的抗剪切强度στ=185.5 MPa、屈服强度σs=265 MPa、抗拉强度为1 780 MPa[7]。

根据材料力学和图2 中锚端规格可知，矩形截面长为Am、宽为Bm、高为h，将已知力学元素代入公式（1）：

进而得到力学推演公式（2）：

通过计算得出长Am=240 mm、宽Bm=280 mm、高h=30 mm，考虑锚端安装时的预设倾斜角度后，破坏截面大于锚端截面，所以该次设计锚端截面符合锚端强度要求。为进一步提升强度、降低锚端质量，工程中采用中空钢材（Q235，厚度为40 mm)进行设计[8]，具体力学特征如下：

将已知力学元素带入计算得到更改后钢材屈服强度σ0=137.5 MPa，小于更改前钢材屈服强度σs=265 MPa，并得到锚端截面设计图如图3 所示。

图3 锚端截面设计图

3 落实施工方案

3.1 立柱

3.1.1 立柱外加工

立柱在使用前受到储藏条件、气候因素等影响，会受到不同程度的腐蚀，对立柱强度等级产生一定影响，所以在安装立柱前，统一进行酸洗除锈、热侵镀锌（1号锌，厚度为75 um)、喷漆上色三个处理环节，消除立柱腐蚀，增强立柱抗氧化能力和美观程度[9]。

3.1.2 安装工艺

设计方案中采用波形梁和立柱分段安装工艺，在实际应用时出现立柱摇摆造成施工效率较低的问题，针对此现象，施工人员采用水平仪和牵引绳结合，辅助定位立柱。另外立柱放样后，须调查每根立柱位置的地基状态，如遇到地下通信管线、泄水管或涵洞顶部埋土深度不足的情况，应对某些立柱的位置进行调整，或改变立柱固定方式。

3.2 波形梁

3.2.1 波形梁长度

设计方案中最短波形梁长度为350 m，在实际安装过程中验证得出300 m 的波形梁也可以满足波形梁拉力需求，降低工程成本。

3.2.2 波形梁安装要求

波形梁的连接螺栓及拼接螺栓不宜过早拧紧，以便在安装过程中利用波形梁的长圆孔及时进行调整，使其形成平顺的线形，避免局部凹凸，波形梁顶面应与道路竖曲线相协调，当护栏的线型认为比较满意时，方可最后拧紧螺栓[10]。

3.2.3 波形梁连接控制

波形梁安装过程中出现波形梁长度小于安装要求长度时，波形梁连接器需要进行连接，避免出现波形梁浪费，需注意，两个相邻连接器间距应大于70 m。对于设置长度较长的波形梁护栏，施工时满足最小安装长度（48 m）前提下，可在村民通行频繁的小路处断开，相应增加锚端。

3.3 锚端

3.3.1 锚端安装要求

锚端应平行于护栏，将常规护栏横向作用力转变为纵向作用力传递至地基；锚端顶端波形梁长度应小于地层长度，将波形梁拉力传递至地基。

3.3.2 锚端角度

在锚端安装时，出现安装工人对锚端角度重视程度不足的问题，设计方案中锚端倾斜角度为79°，改变倾斜角度会造成锚端力学公式失效，无法保证锚端承载力达标，需要工程人员在安装后进行角度复检。

3.3.3 锚端长度控制

锚端装置地面以上部分长度应为485 mm，地面以下高度为520 mm，需要在安装过程中严格控制。

4 总结

综上所述，该文以波形护栏建设工程实例为研究对象，将波形护栏的设计方案和实际安装情况展开应用性研究，分析工程实例中立柱、波形梁、锚端三部分的材料选择、材料处理、部件规格、安装工艺、力学分析等重点环节，有利于该类护栏产品化和市场化，也有利于推动相关配套的设计、施工及养护规范的制定和实施。