三横梁组合式桥梁护栏仿真与试验研究

赵庆云，卜令涛，吴军鹏，孟 涛，王成虎

(1.山东省交通规划设计院，山东 济南 250031；2.交通运输部公路科学研究院，北京 100088)

0 引言

桥梁护栏是交通安全设施的重要组成部分。随着交通量不断增大，重载车比例不断提高，车辆冲断护栏事故时有发生。由于我国大量桥梁建设时间较早，设计时执行的规范标准中桥梁护栏设防等级偏低，护栏防撞能力已不能满足现行交通防护要求。随着新规范的颁布实施，对早期修建桥梁护栏提质改造已迫在眉睫。如何确定一种安全性好、通用性强、尽可能保留利用原护栏结构、施工方便且环保的护栏提升改造方案就成为我国交通工程领域一个亟需解决的问题。

通过对多座既有桥梁护栏进行调研及防撞需求分析，充分考虑护栏防撞性能、方案通用性、施工难易程度以及社会经济效益等多方面，根据以往护栏研发经验结合理论计算提出了一种SS级三横梁组合式护栏改造方案；采用计算机仿真分析方法不断优化护栏结构参数，并通过实车碰撞试验对护栏安全性能及弱翼缘桥面板锚固性能进行了验证。该方案在多座桥梁护栏改造工程中进行了实践应用。

1 护栏设计

按照安全、适用、经济、环保的原则，对护栏提升改造研究编制了技术路线，见图1。既有桥梁护栏一般采用混凝土刚性护栏型式或组合式护栏型式(混凝土护栏+1根钢管扶手， 见图2)，车辆与护栏接触时碰撞力较大，护栏提升改造时碰撞荷载的提高易造成护栏构件及桥面板局部破坏。

图1 护栏改造技术路线图Figure 1 Technology roadmap of barrier reconstruction

图2 常见桥梁护栏(PL3型)Figure 2 Common bridge barriers(Type PL3)

T型梁、I型组合梁等桥梁翼缘板构造尺寸小、配筋弱，难以满足高等级碰撞荷载作用下的受力要求；而且碰撞产生幅值较大的应力波传播到T型梁自由端，在自由端发生反射，产生幅值翻倍的拉应力，易使混凝土发生拉伸破坏。为了解决这个问题，采用增加金属梁柱及防阻块的方式，使车辆碰撞护栏时上部钢构件吸收一部分能量，以减小车辆碰撞力和应力波幅值，从而达到保护混凝土护栏及桥面板的效果。基于以往护栏改造经验并控制护栏高度120 cm，拟定三横梁组合式护栏方案如图3所示，保留利用原混凝土护栏，顶部通过法兰锚固增设金属梁柱式护栏，其中立柱及横梁均采用120 mm×120 mm×6 mm矩形钢管，防阻块采用200 mm×120 mm×120 mm×6 mm钢板。

图3 三横梁组合式护栏构造图(单位：mm)

2 理论计算

为尽可能保留利用原混凝土护栏，提高改造方案的通用性，选择最不利的护栏底座进行验算。按照文献[1]的计算方法对组合式护栏构件及桥面板进行了承载能力验算，并对护栏的抗倾覆性能进行了验算。

2.1 碰撞荷载计算

假设车辆碰撞护栏开始直到车辆改变方向至平行于护栏过程中纵向和横向加速度不变，采用下式计算最大横向碰撞力：

式中：Fmax为车辆作用在护栏上的最大横向力，kN；m为车辆质量，kg；v1为车辆的碰撞速度，m/s；θ为车辆碰撞角，°；C为车辆重心距前保险杠的距离，m；b为车辆的宽度，m；Z为护栏的横向变形，m，偏安全取0.1 m。分别按照标准小客车、大型客车、大型货车进行碰撞力计算，计算结果见表1。基于稳健性设计原则，按照最不利情况进行取值，最大横向碰撞力取425.7 kN。

表1 最大横向碰撞力计算表Table 1 Maximum transverse impact force碰撞车型m/tv1/(km·h-1)θ/(°)C/mb/mZ/mFmax/kN小型客车1.5100202.171.670.1143.6大型客车1880205.752.520.1425.7大型货车3360207.852.490.1317.1

2.2 上部金属梁柱式护栏抗力计算

按照文献[1]中金属梁柱式护栏的计算规定，采用非弹性的分析方法，对可能出现的不同破坏跨数的护栏破坏模式进行试算(见图4)，最终分别取最小抗力值，计算结果汇总于表2。上部金属梁柱式护栏采用Q235钢材指标计算，偏安全不计混凝土护栏内侧的第三根横梁作用。其中R为金属梁柱式护栏抗力，kN；N为护栏破坏的跨数，分别按N=1、2、3……进行试算；L为柱距2 m；Mp为构成塑性铰的所有横梁的非弹性屈服线弯曲承载力矩，计算得Mp=44.8 kN·m；Pp为与单根立柱的塑性弯曲承载力矩对应的单根立柱承受的剪力，计算得Pp=131.8 kN；Lt为车辆碰撞荷载的分布长度，SS级护栏取值2.4 m。由表2中计算结果可知，当三跨破坏模式时护栏抗力最小为294.3 kN。

图4 三跨破坏模式Figure 4 Three-span failure mode

表2 梁柱式护栏抗力计算表Table 2 Transverse resistance of metal beam-column barrier破坏模式计算公式最小抗力对应N值最小抗力/kN未包含端部立柱,奇数跨破坏R=16Mp+(N-1)(N+1)PpL2NL-Lt3294.3未包含端部立柱,偶数跨破坏R=16Mp+N2PpL2NL-Lt2316.2端部立柱破坏R=2Mp+2PpL ∑Ni=1i 2NL-Lt2298.4

2.3 下部混凝土护栏抗力计算

采用屈服线分析(见图5)和强度设计的理论[1]分别对护栏标准段及端部护栏强度进行计算，计算结果汇总于表3。混凝土护栏构造按PL3型组合式护栏的混凝土基座(63.5 cm高度)计算，材料指标混凝土采用C30混凝土、钢筋采用HRB335，偏安全按材料设计值进行计算。由表3中计算结果可知，碰撞发生在护栏端部时抗力较小为403.1 kN。

图5 屈服线分析方法

表3 混凝土护栏横向抗力计算表Table 3 Transverse resistance of concrete barrier破坏位置Mw/(kN·m)Mc/(kN·m)Lc/mRw/kN标准段50.455.93.80577.5端部50.455.92.65403.1

碰撞发生在护栏标准段时护栏横向承载能力为：

(1)

其中,屈服线发生的临界长度为：

(2)

碰撞发生在护栏端部或伸缩缝处时护栏横向承载能力为：

(3)

其中,屈服线发生的临界长度为：

(4)

式(1)～式(4)中:Rw为护栏横向承载能力；H为护栏的有效高度，值为0.635 m；Lc为屈服线破坏模式的临界长度；Lt为车辆碰撞荷载的分布长度，值为2.4 m；Mw为护栏关于竖向轴的弯曲承载力矩；Mb为护栏顶部除Mw外的横梁附加弯曲承载力矩，值为0；Mc为护栏关于桥梁纵轴的弯曲承载力矩。

2.4 组合式护栏抗力计算

由上述计算结果可知，上部金属梁柱式护栏的抗力小于下部混凝土护栏，由此判断碰撞发生时上部金属梁柱式发生屈服变形，剩余碰撞荷载通过立柱继续向下传递。偏安全考虑，组合式护栏抗力计算时，上部金属梁柱式护栏及下部混凝土护栏按各自的最小抗力值进行组合。

组合式护栏抗力包括上部金属梁柱护栏抗力和下部混凝土护栏抗力，如图6所示，组合式护栏合成强度为：

697.4 kN>Fmax=425.7 kN。

图6 组合式护栏抗力分布图Figure 6 Distribution chart of transverse resistance

2.5 桥面板强度验算

T型梁、I型组合梁等弱翼缘桥梁，需进行碰撞荷载作用下强度验算。对图7中所示桥梁翼缘控制截面进行强度验算，碰撞荷载按45°由混凝土护栏顶向下传递[2]，桥梁翼缘板的有效分布宽度为：

La=Lt+2H=2.4+2×0.735=3.87 m

分别选择常用的典型翼缘截面进行计算，考虑现浇层参与受力，将部分不利的计算结果列出，见表4。计算发现，多数的现状桥面板可满足承载要求，多座桥梁计算中仅一座桥梁翼缘板承载力略小于碰撞荷载效应值。由于桥面板强度验算时碰撞荷载的实际传递路径及荷载分布长度较复杂，难以准确计算，采用弹性理论方法计算偏保守，故最不利桥面板情况留待仿真分析及碰撞试验阶段验证。

表4 典型桥面板验算结果Table 4 Checking calculations of typical bridge deck截面高度受力主筋荷载效应/(kN·m)承载力/(kN·m)27.5 cmΦ16间距10 cm37649126 cmΦ12间距10 cm37638726 cmΦ12间距15 cm376336

2.6 护栏抗倾覆验算

桥梁护栏的高度应大于或等于车辆抗倾覆荷载的有效高度。分别对大型客车及大型货车进行车辆抗倾覆荷载的有效高度计算，计算结果如表5所示，取较大值大型客车的车辆抗倾覆荷载的有效高度0.77 m进行验算。

表5 车辆抗倾覆荷载有效高度Table 5 Effective height of vehicle anti-overturning load碰撞车型G/mW/kgB/mFt/NHe/m大型客车1.2918 0002.52425 6810.77大型货车1.9133 0002.49317 0980.64

式中:G为车辆重心高度；W为标准车辆质量；B为轮胎外侧距离；Ft为横向碰撞荷载；g为重力加速度，取9.8 m/s2。

组合式护栏有效高度计算：

0.78 m>He=0.77 m

式中:RR为上部金属梁柱式护栏抗力；RW为混凝土护栏抗力，如图6中所示。

3 计算机仿真分析

3.1 计算模型

由上述计算发现，组合式护栏构件强度、抗倾覆验算满足SS级防护要求，仅少数弱翼缘的桥面板计算承载力略小于荷载效应值。由于桥面板验算按照弹性分析方法，材料指标采用设计值，且未考虑下部混凝土护栏内侧的第三根金属横梁的消能缓冲作用，其计算结果偏保守。因此采用计算机仿真模拟时选择最不利的护栏基座与最不利的弱翼缘桥面板组合进行极限承载能力分析。为保证计算结果可靠，锚固主梁及桥面现浇层铺装均按实际结构尺寸建模，材料参数按试验测定数据取值，仿真分析模型见图7。

图7 仿真分析模型Figure 7 Simulation analysis model

3.2 仿真分析结果

按照文献[3]要求，分别采用标准小客车、大型客车、大型货车进行仿真计算，碰撞车辆车重、碰撞速度、碰撞角度如前述表1中所示。

小型客车碰撞护栏后见图8，车辆没有穿越、翻越和骑跨护栏，车辆平稳导出，行驶姿态正常，没有发生翻车现象，车辆轮迹经过导向驶出框(A=4.7 m，B=10 m)时，轮迹最远处与护栏的距离X=2.9 m，满足边界要求。车辆碰撞过程中，护栏未发生破坏，护栏构件也没有侵入车辆乘员舱。

图8 小客车碰撞过程模拟

大型客车碰撞护栏后见图9，车辆没有穿越、翻越和骑跨护栏，车辆平稳导出并二次碰撞护栏，行驶姿态正常。车辆轮迹经过导向驶出框(A=8.7 m，B=20 m)时，轮迹最远处与护栏的距离X=3.7 m，满足边界要求。车辆碰撞过程中，护栏混凝土几乎没有破坏，钢构件也未发生断裂破坏，护栏构件及脱离物没有侵入车辆内部，护栏的最大横向动态变形量约为35 cm。

图9 大型客车碰撞过程模拟

大型货车碰撞护栏后见图10，车辆没有穿越、翻越和骑跨护栏，车辆正常导出，行驶姿态正常。车辆轮迹经过导向驶出框(A=8.5 m，B=20 m)时，轮迹最远处与护栏的距离X=3.3 m，满足边界要求。车辆碰撞过程中，护栏混凝土发生了一定程度地破坏，但钢构件未发生断裂破坏，T型梁也未出现裂缝，脱离物没有侵入车辆乘员舱，护栏的最大横向动态变形量为37 cm。

图10 大型货车碰撞过程模拟

4 碰撞试验

4.1 碰撞试验条件

按照1∶1比例浇筑主梁并安装组合式护栏，分别采用SS级的标准小客车、大型客车、大型货车进行实车碰撞试验,见图11～图16。

图11 小客车试验后车辆及护栏情况

图12 小客车行驶轨迹

图13 大型客车试验后车辆及护栏情况

图14 大型客车行驶轨迹

图15 大型货车试验后车辆及护栏情况

图16 大型货车行驶轨迹

4.2 碰撞试验结果

试验结果表明，该三横梁组合式护栏的阻挡功能、导向功能、缓冲功能等指标满足SS级要求，具体试验结果指标见表6。

表6 碰撞试验结果表Table 6 Results of the impact tests项目指标检测值试验结果阻挡功能车辆不得穿越、翻越和骑跨试验护栏。符合要求试验护栏构件及其脱离件不得侵入车辆乘员舱。符合要求导向功能车辆碰撞后不得翻车。符合要求车辆碰撞后的轮迹应满足导向驶出框的要求。符合要求乘员碰撞速度2.9符合要求缓冲功能乘员碰撞速度6.9符合要求乘员碰撞加速度24.5符合要求乘员碰撞加速度72.52符合要求

5 结语

利用金属梁柱及防阻块的变形吸能作用，根据理论计算并结合仿真分析及碰撞试验，确定了一种三横梁组合式护栏方案：拆除原护栏上部钢扶手，保留利用原有护栏混凝土底座，上部通过法兰锚固增加法兰立柱+防阻块+2道钢横梁，侧方增加防阻块+1道钢横梁，改造护栏总高度120 cm。

根据计算机仿真分析及实车足尺碰撞试验结果可知，该组合式护栏上部金属梁柱护栏可有效降低传递至桥面板的碰撞荷载，使护栏构件强度、桥面板强度满足在碰撞荷载作用下的承载要求，护栏安全性能达到SS级防护等级。该组合式护栏方案保留利用了原混凝土护栏，施工方便、经济合理，同时解决了弱翼缘桥梁的桥面板锚固问题，具有适用性强的优点，在既有桥梁护栏的改造工程中具有重大的推广价值和应用前景。