一种新型装配式桥梁人-车隔离防撞护栏

唐俊义， 周志祥， 余忠儒， 邓国军， 刘 年

(1.重庆交通大学土木工程学院， 重庆 400074; 2.深圳大学土木与交通工程学院， 深圳 518060)

防撞护栏作为公路交通安全设施中最常见的被动防护设施，一定程度上能够保护路侧行人和车上乘员的生命安全，同时兼有诱导驾驶员视线、增加行车安全感和美化公路环境的作用[1-2]。但近年来，失控车辆冲破护栏坠入桥下的事故时有发生，经研究表明，发生坠桥事故的一大原因为既有桥梁人行道与车行道的高差太小(一般为25 cm)以致失控车辆易爬上并越过人行道进而冲破护栏。

目前的改进方案主要有：①在新桥人行道路缘石上设置刚性护栏；②提高人行道高度以及在旧桥中设栏杆立柱锚固座，锚固座之间固定金属管的防撞方案。王儒飞[3]研究了汽车碰撞荷载下锚固区混凝土受力情况。王海渊等[4]根据理论分析，同时利用台车试验及计算机仿真，研发了一种梁柱式混凝土梁。焦驰宇等[5]采用数值模拟的方法，对一种新型铝合金防撞护栏的安全性能进行了评判。兰兴阳等[6]提出了一种以废旧钢材为主的新型高强度铝合金波形护栏，并利用有限元仿真模拟对其安全性能进行评价。裴玉龙[7]等利用现有碰撞模型，提出了汽车三维运动状态的碰撞模型并进行了碰撞结果模拟。研究现状表明[8-10]：以混凝土为主的刚性防撞等级较高，但会给乘员生命带来安全风险[11-13]，同时也将明显增加桥梁自重，不利于后期养护维修；以金属管为主的半刚性护栏虽能保护乘车人员和减少车辆损失，同时结构轻盈、安装简便，但该类设施防车辆翻越效果较差，在其受力后易出现金属管和锚栓损坏从而导致护栏直接失效[14-17]。

为有效提高护栏的防撞性能，合理解决失控车辆冲破护栏发生坠桥事件，针对现有防撞护栏存在的显著问题。在现有半刚性护栏的基础上，结合现有交通道路实际交通情况研发一种桥梁路测高防护等级装配式人车隔离防撞护栏，护栏防撞性能优异，防护等级为五级；不同构件分工明确，降低构件用钢量；采用装配式施工，施工效率高；构件传力方式科学，适用于新旧桥。根据该新型防撞护栏设计方案，采用有限元模型对新型防撞护栏(简称“新型护栏”)与既有标准化防撞护栏(简称“传统护栏”)在车辆撞击下的力学行为进行分析评判，以此来对新型防撞护栏进行安全性能评价。

1 新型装配式桥梁人车隔离防撞护栏概念设计

1.1 设计思路

从目前的标准化隔离护栏(图1、表1)可以看出，现有的标准化方案存在自重大、构件功能混乱导致防撞性能不足以及设计复杂不易施工等缺点。针对这些不足，提出的新型防撞护栏设计思路(图2)主要体现在以下几个方面。

t为厚度图1 标准化隔离护栏尺寸图Fig.1 Standardized size drawing of isolation guardrail

图2 新型隔离护栏设计图Fig.2 Design drawing of new isolationguardrail

表1 标准化隔离护栏尺寸说明

(1)半刚性护栏具有较好的韧性和延展性，乘车人员安全性有保证，同时金属材质相对于混凝土自重大大减小，因此护栏主体采用金属钢板。

(2)锚固座同时采用水平螺栓和竖直螺栓与路缘石连接，使得栏杆和混凝土路缘石连接成为整体，解决半刚性护栏防撞性能不足的问题。

(3)采用倒U形截面设计方案，增大护栏横向刚度和有效高度。

(4)针对汽车防撞和隔离行人采用了不同的结构设计，防止因功能混乱导致防撞性能不足的问题，同时降低结构用钢量(单位长度标准化隔离护栏体积约为0.11 m3，新型隔离护栏体积约为0.073 m3)。

(5)护栏整体采用预制工艺，可实现装配式施工，保证结构质量的同时有效提高整体施工效率。

1.2 旧桥加固设计

基于上述设计，研究中对新型隔离护栏和既有隔离护栏进行了碰撞荷载下的传力路径概念分析，如图3所示。发生碰撞时，相较于传统护栏仅依靠立柱和底部钢板的焊接效果来抵御护栏内部产生的拉应力，新型护栏力方式更为科学、可靠。当荷载作用到前抗力板上时，一部分荷载直接通过底座钢板往锚固座后方传递。这部分荷载主要对竖直螺栓形成剪力作用，而通过螺栓的抗剪传递到混凝土中；此外，由于荷载会对锚固座产生弯矩作用，在锚固座内部会形成沿着由前抗力板到背板的剪力流，这部分作用主要由水平螺栓承担，通过其抗剪传递到混凝土中。

图3 传力途径对比图Fig.3 Contrast diagram of force transfer path

可以看出，既有桥梁防撞护栏方案虽有其应用特点，但与新型桥梁防撞护栏相比，仍有不足之处。此外，新型桥梁防撞护栏在不明显增加桥梁自重、影响桥梁受力行为的基础上，可提高护栏韧性和抗冲击能力，实现有效可卡片的车辆防撞护栏对车内乘员的保护。

2 基于精细化有限元对比分析

2.1 确定车辆横向碰撞荷载标准值

在进行桥梁护栏设计时，首先需确定护栏的设计防护等级，其后依据《公路交通安全设施设计细则》[18]确定车辆碰撞荷载标准值Ft(表2)。本文所提出的新型护栏属于柔性护栏结构，因此分析中选取该类护栏设计中较常用的SA级，同时相应地选取了该等级下最大的345 kN作为标准碰撞荷载。

表2 汽车横向碰撞荷载标准值

2.2 有限元模型建立

研究采用ANSYS-APDL通用有限元软件对两类护栏建立了精细化有限元分析模型，如图4所示。模型主要包括桥梁和人行道结构、护栏、锚固座和锚固螺栓，各参数如表3所示。

表3 模型构件参数

图4 护栏有限元模型Fig.4 Finite element model of guardrails

2.3 从标准到容许碰撞荷载下防撞性能分析

为定量分析两类护栏的力学行为，本文引入放大系数kf，模拟了碰撞荷载从标准碰撞荷载到容许碰撞荷载的变化过程，得到了不同碰撞荷载下的仿真结果。

2.3.1 容许碰撞荷载确定

依据前文所述的护栏传力概念分析可知，护栏受到碰撞荷载时，其主要的应力由螺栓来承担。因此当螺栓应力达到900 MPa左右时，依据所给出的材料本构模型可判定此时螺栓已进入屈服阶段，该状态下的荷载即为容许碰撞荷载。从有限元模拟结果显示，两类护栏的容许碰撞荷载约为586.5 kN(即kf=1.7)。

2.3.2 护栏变形

图5、图6给出了两类护栏在不同荷载下的变形情况。总体来看，在标准荷载下，传统护栏变形有明显的倾倒趋势，其最上端变形达到8.55 mm。相反地，新型护栏主要呈现凹陷变形，仍能保持与水平面相对垂直，其最大变形值仅为传统护栏的52%(4.46 mm)。此外，从变形最值的变化趋势中可以看出，新型护栏的变形整体上也小于传统护栏(均下降约10%)，在容许碰撞荷载状态下，传统护栏的变形达到17.33 mm，比新型护栏增大了30%(13.32 mm)，同时变形趋势出现非线性增长，说明此时钢管已经产生了塑性变形，结合模拟结果展示的传统护栏出现的侧倾变形可知车辆在其达到极限状态之前即已翻越护栏坠桥。相应地，新型护栏仍然主要呈现出凹陷变形的趋势，从而保证在其极限状态达到之前都能够为碰撞车辆提供有效的保护。

图5 护栏主体变形增长对比Fig.5 Comparison diagram of deformation growth of guardrail body

图6 护栏变形对比Fig.6 Comparison of guardrail deformation

2.3.3 护栏应力

图7给出了两类护栏在不同荷载状态下的等效应力(即von Mises应力)。可以看出，传统护栏的峰值应力出现在柱座底部，特别是局部已经出现了较为明显的塑性屈服而新型护栏的峰值应力仅出现在锚固节点板螺栓孔附近。可以推测在容许碰撞荷载下，其塑性屈服将进一步发展，导致护栏整体刚度下降从而无法继续承载。相反，新型护栏的锚固座峰值应力尚低于屈服应力，仍具有较好的承载能力。达到容许荷载时，护栏中的锚固座节点板孔壁和横隔板处出现类塑性屈服，且屈服区域分布较为广泛，充分发挥了各个部件的材料性能。由此也证明在传力路径上新型护栏更为科学合理。

图7 护栏应力对比Fig.7 Stress comparison of guardrail

2.3.4 螺栓应力

两类护栏螺栓在标准荷载下不同螺栓的应力增长曲线如图8所示，其等效应力分布由图9所示。相较于传统护栏中的锚固螺栓，新型护栏的锚固中水平螺栓应力峰值降低约55%，竖直螺栓应力峰值增长约35%。对比结果表明，两类护栏在标准荷载下的锚固螺栓应力分布具有明显差异，而从螺栓的应力增长曲线也可以看出，传统护栏的水平螺栓与新型护栏的竖直螺栓均是最先达到屈服强度的部件。这是由于两类护栏在螺栓布置上各有侧重：传统护栏在底座上布置了4根竖直螺栓而在抗力板上布置了两根水平螺栓，而新型护栏的布置方式正好相反。因此在进行定量分析时，针对两类螺栓选择了在同一断面内处于相同位置的左右两根螺栓的应力最值。

图8 螺栓应力增长趋势对比Fig.8 Bolt stress growth trend comparison

图9 两类护栏锚固螺栓应力对比Fig.9 Stress comparison of two types of guardrail anchoring bolt

进一步对两类护栏不同螺栓的应力值进行对比可得如下结论。

(1)两类螺栓的应力增长趋势均是线性增长，在碰撞荷载接近586.5 kN(即kf=1.7)时出现非线性增长，也侧面证明了容许碰撞荷载极值是586.5 kN。

(2)新型护栏的竖直螺栓达到屈服强度时其水平螺栓尚存在较为可观的承载力储备；但传统护栏的水平螺栓达到其屈服强度时，竖直螺栓也已经达到了800 MPa，非常接近屈服应力900 MPa，表明剩余承载能力有限。

(3)水平螺栓应力在增长过程中，传统护栏的螺栓应力一直约为新型护栏的2.4倍；而对于竖直螺栓的应力，新型护栏的螺栓应力始终约为传统护栏的1.3倍。

2.3.5 螺栓变形

两类螺栓变形增长对比如图10所示，从两类螺栓的递增直线中可以看出：

图10 螺栓变形增长趋势Fig.10 Bolt deformation growth trend

(1)无论是水平螺栓或是竖直螺栓，传统护栏的螺栓变形程度均高于新型护栏，均增大了约30%。

(2)传统护栏的荷载-应变直线斜率高于新型护栏且有不断增大的趋势。

2.3.6 混凝土失效区域

两种护栏的混凝土开裂失效区域(灰色部分)如图11所示，其中左边为传统护栏的模拟结果，右边为新型护栏。可以看出，两种护栏中，竖直螺栓和水平螺栓处混凝土均存在不同程度的失效。特别地，在传统护栏的水平螺栓附近，已出现较大范围的混凝土失效，而新型护栏仅在锚固螺栓附近出现了较为有限的混凝土失效。在容许碰撞荷载作用下，采用常规护栏时混凝土桥面开裂区域仅局限在角点附近，而采用新型隔离护栏时，这一开裂区域出现了较为可观的开裂失效，可以充分发挥主梁圬工结构在防撞中的效用。

图11 混凝土失效区域Fig.11 Failure zone of concrete

3 极限承载能力对比

根据前文所述，当护栏的螺栓达到其屈服强度即认为护栏已经失效不能再继续承载，但是从三线性的本构关系可以知道，螺栓进入屈服阶段后仍具有一定的承载能力。而从护栏主体变形的定量分析中可以看出，护栏仍具有一定的变形能力，且新型护栏本身也未发生倾斜。因此为对比两类护栏的极限承载能力，在不考虑螺栓屈服强度限制的情况下，在护栏主体进入塑性变形时认为此时护栏处于极限状态，该状态下的荷载即为极限碰撞荷载。

图12所示为两类护栏中最大位移U随碰撞荷载Ft的增加的变化情况，即荷载-位移曲线。可以看出，在两类护栏的荷载-位移曲线中，最大位移首先随荷载的增加而呈现线性增长(即弹性阶段)，其后斜率逐步下降(即弹塑性段)，当增长到极限承载力时，斜率几乎为0，护栏无法继续承载而出现整体失效。可以看出，新型护栏的极限承载能力为934 kN，约为标准碰撞荷载的271%，同时较传统护栏的极限承载力(592 kN)提高约58%。此外，在极限状态下，新型护栏的最大位移约为19 mm，较传统护栏最大位移(17 mm)提高约12%。以上分析表明，较传统护栏而言，新型护栏在极限承载力和延性方面均有较显著的提升。

图12 护栏位移与荷载的关系Fig.12 The relation between guardrail displacement and load

4 新型护栏的完善设计

依据上文有限元分析可知，在标准碰撞荷载下传统护栏已有明显的倾倒趋势，可能导致车辆在其达到极限状态之前即已翻越护栏坠桥。造成这一现象的原因在于此类护栏在设计时除了需要满足汽车碰撞荷载要求之外还需要起到隔离行人的作用。为解决这一问题，本设计护栏在已有的汽车防撞设计基础上，仅需在顶部安装一轻型栏杆便可以达到隔离行人的目的，同时也发挥了材料的最大性能。最终的效果图如图13所示。

图13 新型隔离护栏完善构造Fig.13 Completed construction of new isolation guardrail

5 结论

从当前桥梁防撞护栏普遍存在的车辆破栏坠桥事故风险出发，深入剖析当前桥梁防撞护栏研究现状，结合各类护栏的应用优势，提出了一种新型装配式桥梁人车隔离防撞护栏，采用概念分析、精细化有限元对比分析等手段，对其防撞性能进行了深入阐释，得到了以下重要结论。

(1)提出了一种针对桥梁既有人行道高度不足阻挡失控汽车爬越破栏坠桥问题的第三类桥梁栏杆，即新型装配式桥梁人车隔离防撞护栏。该类护栏利用锚固座与路缘石连接形成整体，从而充分发挥路缘石的圬工自重对车辆冲击的抑制作用。

(2)在标准碰撞荷载下，两类护栏均满足规范要求且存在一定的承载力储备。其中，传统护栏变形有明显的倾倒趋势而新型护栏主要呈现凹陷变形，仍能保持与水平面相对垂直。此外，新型护栏最大变形值仅为传统护栏的52%。

(3)传统护栏在标准碰撞荷载下已在其柱座底面出现了局部塑性变形，表明其进一步承载能力有限。相反地，新型护栏在标准荷载下锚固座峰值应力尚低于屈服应力。此外，在标准荷载作用下传统护栏的水平螺栓附近已出现较大范围的混凝土失效，而新型护栏仅在锚固螺栓附近出现了较为有限的混凝土失效。

(4)新型护栏的极限承载能力为934 kN，达到传统护栏的极限承载力(592 kN)的1.5倍。同时，极限承载能力分析表明，传统护栏首先在其柱座底部出现较大的屈服区域，从而导致碰撞荷载无法进一步传递至人行道路缘石，从而引起护栏整体失效。相反地，新型护栏中锚固螺栓已出现大范围塑性屈服，表明其最终失效是由于螺栓无法继续承载引起。此外，采用新型护栏时，极限状态下混凝土桥面板开裂范围较传统护栏明显增加，表明其充分发挥了路缘石的材料性能，从而达到承受更大碰撞荷载的目的。

(5)本文提出的新型护栏在已有的构造基础上仅需在上部添加行人隔离栏杆便可以起到隔离行人的目的，在满足防撞等级要求的前提下，不仅发挥了材料的最大效益且减少了用钢量(单位长度下既有隔离护栏体积约为0.11 m3，而新型隔离护栏体积约为0.073 m3)。特别地，本设计护栏采用装配式施工，可进一步实现高效率，高精度，高质量，低成本等目的。