单坡面混凝土桥梁中分带护栏安全性能分析

单坡面混凝土桥梁中分带护栏安全性能分析
闫书明;李康全;荆坤;马亮;唐键;陈翔云
【摘要】为将单坡面混凝土路基段中分带护栏应用于桥梁上,给出设计方案,运用计算机仿真和实车碰撞试验相结合的方法对其安全防护性能进行分析.结果表明,桥梁段中分带护栏防撞性能高于经试验验证的路基段护栏,各项指标满足评价标准要求,防撞能力达到SAm级400 kJ以上,同时桥梁段护栏对基础嵌固依赖性小,更加可靠.可见桥梁段单坡面护栏满足安全防护需求,可以在实际工程中应用.
【期刊名称】《公路工程》
【年(卷),期】2010(035)006
【总页数】5页(P54-58)
【关键词】护栏;碰撞实验;有限元;计算机仿真;安全评价
【作者】闫书明;李康全;荆坤;马亮;唐键;陈翔云
【作者单位】北京中路安交通科技有限公司,北京,100071;湖南永蓝高速公路有限公司,湖南,永州,425000;北京中路安交通科技有限公司,北京,100071;北京中路安交通科技有限公司,北京,100071;中交公路规划设计院有限公司,北京,100088;中交公路规划设计院有限公司,北京,100088
【正文语种】中文
【中图分类】U417.1+2
中分带护栏作为一种重要交通安全设施,在防止车辆穿越中分带与对向车辆碰撞方
面发挥了重要作用[1]。

某路基段中分带护栏采用单坡面素混凝土结构,具有施工方便、造价低廉、维修养护费用低等诸多优点,经实车足尺碰撞试验验证该护栏具备SAm级 400 kJ的防护能力。

为了将该护栏形式应用于桥梁段,需对护栏基础和结构进行改进,更需要对改进护栏的安全防护性能进行分析论证,确保其防护能力不低于 SAm级 400 kJ。

提出单坡面混凝土中分带护栏桥梁段设置方案,建立有限元仿真模型,结合碰撞试验,对其安全防护性能进行分析。

1 碰撞条件与防撞指标
护栏的碰撞条件包括车型、车重、碰撞速度和碰撞角度四大因素[2～4],用来对护栏的安全防护性能进行评价。

护栏的安全防护性能主要包括防撞性能指标和乘员风险指标。

小型车辆质量小且运行速度高,所产生的冲击加速度较大,易对乘员形成严重伤害,因此采用小型车碰撞主要对护栏的乘员风险指标进行评价;大型车质量大,对护栏的损坏大,因此采用大型车碰撞主要对护栏的防撞性能进行评价。

混凝土护栏的乘员风险指标主要和坡面形式有关,由于该部分研究较为成熟[5～8],这里仅对单坡面混凝土护栏的防撞性能进行研究。

根据规范规定 SAm级护栏的碰撞条件为:速度为 80 km/h的 14 t大客车以 20度角碰撞护栏[4]。

根据规范[4],确定防撞性能评价指标为:试验车辆不得穿越、翻越、下穿护栏,护栏碎片不得侵入驾驶室及阻挡驾驶员视线;试验车辆驶出角度小于碰撞角度的 60%;碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态,不发生横转、掉头、翻车等现象;混凝土刚性护栏最大动态变形小于 0.1 m。

2 路基段护栏
2.1 护栏结构
图 1为单坡面混凝土护栏示意图。

护栏顶部距路面以上 96 cm,底部两侧通过混凝
土预制块嵌固深度为 10 cm,坡面高度为 81 cm;顶面宽度为20 cm,底面宽度 50 cm;混凝土标号为 C30。

单坡面混凝土护栏的设计防撞等级为 SAm级。

图1 单坡面混凝土护栏Fig 1 Sketch of single slope concrete barrier
2.2 碰撞试验
试验护栏模型长 48 m,试验车辆为大型客车,其结构尺寸为 10.8 m长×2.5 m宽×2.7 m高,车辆自重 9.7 t,配重至 14 t。

图 2为碰撞试验模型。

图 2 试验模型Fig 2 Test model
图 3为按试验条件组织的碰撞试验结果,可见试验车辆没有穿越、翻越、下穿护栏,护栏碎片没有侵入驾驶室及阻挡驾驶员视线;试验车辆驶出角度接近 0度,小于碰撞角度的60%;车辆驶出护栏后恢复到正常行驶姿态,没有发生横转、掉头、翻车现象;护栏表面留有大面积的刮擦痕迹,出现通长的裂纹,但最大动态变形小于 0.1 m。

可见大客车碰撞护栏各项指标均满足评价标准的要求,具备 400 kJ的防撞能力,防撞等级达到 SAm级。

图 3 碰撞试验Fig 3 Impact test
3 桥梁段护栏设计
图 4为桥梁段单坡面混凝土护栏设计方案。

根据护栏基础嵌固深度不同,设计了 2种方案:方案 1适用于嵌固深度大于 15 cm的护栏基础,方案 2适用于嵌固深度为10 cm的护栏基础;2种方案的护栏墙体以经过试验的护栏结构为基础,通过配筋加强,以增强其整体受力性能;2种方案均通过搭板设置在桥梁翼板上,方案 1由于嵌固深度大于 15 cm,搭板采用钢筋混凝土结构,方案 2由于搭板厚度仅为 10 cm,采用槽钢混凝土结构来增强搭板的抗弯强度。

由于墙体结构、基础形式、护栏墙体嵌固部分两侧结构、基础宽度与试验护栏有所不同,需要对两种桥梁单坡面混凝土护栏安全防护性能进行分析。

4 桥梁段护栏防撞性能分析
图 4 桥梁段单坡面混凝土护栏Fig 4 Single slope concrete barrier at bridge segement
通过建立路基段和桥梁段护栏有限元仿真模型,运用定性对比的方法对嵌固基础桥
梁段护栏防撞性能进行分析;另外建立平摆浮搁模型,对基础最不利条件下桥梁段护
栏的安全防护性能进行分析。

4.1 碰撞模型
利用 HYPERMESH软件,按1∶1比例建立车辆和护栏的 LS-DYNA有限元仿真模型。

为获得精确的车辆几何尺寸,采用拆车方法建立车辆有限元仿真模型。

由于车身结
构主要是薄壁金属件,单元类型以擅长大变形的四边形单点积分壳单元为主。

为获
得良好单元质量,控制碰撞区域的四边形单元翘屈度小于15°,长宽比小于 4,最大角
小于135°,最小角大于45°,三角形单元的数量在5%以内,最小特征长度控制在 5 mm左右。

车身各部分主要采用点焊连接,车门和车体通过铰接点单元连接。

对于
护栏结构,混凝土和槽钢采用六面体单元模拟,钢筋结构采用梁单元模拟,碰撞区单元翘屈度小于5°,长宽比小于 2,最大角小于120°,最小角大于60°,最小特征长度控制
在 10 mm左右。

图 5为建立的车辆模型。

图 5 车辆模型Fig 5 Vehicle models
4.2 嵌固基础护栏防撞性能
图6 为嵌固基础护栏模型,用于对正常工况下护栏安全防护性能进行分析。

图 6 嵌固基础护栏模型Fig 6 Barrier model with built-in basement
图 7为嵌固基础护栏仿真计算结果:路基段护栏仿真结果与前述碰撞试验结果相一致,验证了仿真模型的可靠性;车辆碰撞3种护栏行驶轨迹几乎相同,没有穿越、翻越、下穿护栏,护栏碎片没有侵入驾驶室及阻挡驾驶员视线;车辆驶出角度接近0°,小于
碰撞角度的 60%;车辆驶出护栏后恢复到正常行驶姿态,没有发生横转、掉头、翻车现象;路基段护栏表面仿真结果出现大面积的刮擦痕迹,护栏结构出现了通长裂纹,两种桥梁护栏刮擦受损程度减少,裂纹消失,搭板也未出现结构破坏等现象,3种护栏的最大动态变形量均小于 0.1 m。

可见桥梁护栏相对于已通过碰撞试验验证的路基段护栏结构强度明显增强,防撞能力在 SAm级 400 kJ能量以上。

4.3 基础最不利护栏防撞性能分析
图 8为平摆覆搁护栏模型,用于对基础最不利条件下护栏安全防护性能进行分析。

图 7 嵌固基础护栏仿真结果Fig 7 Simulation results of barrier model with built-in basement
图 8 平摆覆搁护栏模型Fig 8 Barrier model without built-in basement
图 9 平摆覆搁护栏模型仿真结果Fig 9 Simulation results of barrier model without built-in basement
图9 为平摆浮搁模型碰撞结果:路基护栏由于基础嵌固出现断裂和倾覆现象,不满足安全防护要求;桥梁护栏由于配筋和刚性底板整体性能明显加强,防护性能没有受到明显影响,仍具有 SAm级防撞等级。

5 结论
桥梁段中央分隔带单坡面混凝土护栏防撞性能高于经试验验证的路基段护栏,具备SAm级 400 kJ的防撞能力;桥梁段护栏对嵌固基础的依赖性较路基段护栏小得多,可靠性更高;仿真技术定性对比为护栏的安全防护性能评价提供了一种新方法。

桥梁段中央分隔带单坡面混凝土护栏已经在邵永高速公路上成功应用,并将在湖南永蓝高速公路全线使用。

[参考文献]
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[2] NCHRP Report 350,Recommended Procedures for the Safety
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[3] EN 1317[S],EUROPEAN STANDARD NORME.
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[5] 罗德龙,侯福金,闫书明,等.组合式护栏混凝土底座坡面性能研究[J].公路,2009,(9).
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