山區高速公路窄路肩路段SB級護欄立柱承載力分析與研究

朱歡， 李振華， 黃志勇， 鄭銳， 陳禹戈

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司， 貴州 貴陽 550081)

近年來，高速公路交通量持續增大，車速提升，對高速公路安全防護能力和安全設施提出了更高的要求。因高速公路建設年代和標準不同，橋梁及路基迎交通流向的護欄端頭種類和形式多樣，防護能力和效果不一。山區高速公路大量挖方路段未設置護欄，橋梁及路基護欄在填挖處多直接采用外展端頭進行過渡，外展斜率過大形成突出的迎撞面，且由于外展端頭未延伸至挖方土體內，增加了事故嚴重程度，甚至造成車輛沖出路外墜橋等事故。因此，有必要在挖方路段設置護欄，并采取改造措施提升迎交通流路段的安全防護能力，降低行車風險。

1 現狀調查及分析

早期建設的高速公路護欄采用JTG/T D81—2006《公路交通安全設施設計技術細則》設計，按照該規范，行車方向的上游端頭宜設置為外展地錨式或圓頭式，但對端頭外展的斜率未作要求，且由于多數挖方路段設置有水溝，端部立柱按規范間距難以施工，導致現場實際端頭形式不一，多數已無法滿足JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》的要求，存在較大安全隱患。主要問題見圖1。

圖1 迎交通流向護欄端頭設置情況

根據調查結果，早期建設的高速公路外展端頭防護等級采用A級二波形梁板，護欄在路面以上高度為750 mm，外展斜率為1/3～1/2，形成明顯的迎撞面，車輛失控沖撞護欄后容易跨越護欄駛出路外，造成更嚴重的二次事故。

根據實車碰撞試驗經驗，護欄所受汽車碰撞荷載將由立柱的背面土反作用力來承擔。由于外展護欄緊鄰邊溝(見圖2)，立柱背面邊溝溝壁采用漿砌片石砌筑，護欄受碰撞后，漿砌片石側壁抗彎拉性能差，容易崩解，支撐能力不足，難以達到預期的防撞效果?？傮w而言，采用JTG/T D81—2006設計的護欄，對護欄端頭外展斜率、碰撞角度、立柱與土建支持條件等考慮不夠嚴密，加之實際施工不符合設計要求，導致這類迎交通流向的護欄端頭不能適應目前公路交通條件的需求，局部路段甚至成為較大安全隱患點，對其進行提升改造必不可少。

圖2 部分護欄端頭立柱設置情況(單位：cm)

2 挖方段立柱承載能力分析

波形護欄的強度主要取決于立柱剛度、土的承載力和梁的抗拉強度，其中立柱的水平承載力與位移是影響立柱強度的重要因素。根據JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》的要求，結合項目實際路側危險程度，采取拆除原護欄、新建SB級波形護欄的方式進行提升改造，SB級護欄采用規范推薦的結構尺寸(見圖3)。

圖3 JTG D81—2017中SB級波形護欄挖方路段 設置示意圖(單位：cm)

護欄的安全性評價一般采用實車碰撞試驗和數值模擬的方法，相關文獻也對護欄碰撞力計算公式進行了研究。但車輛碰撞護欄的過程時間很短，屬于復雜動力學物理過程，構建仿真模型存在很大難度，也難以完全真實地反映立柱碰撞后的情況。

波形護欄依靠受碰撞后的變形來吸收能量，降低事故嚴重程度。JTG B05-01—2013《公路護欄安全性能評價標準》對護欄防護等級均以防護能量為設計指標。為簡化立柱碰撞受力模型，基于能量吸收理論，采用立柱單元靜載試驗構建分析模型。通過靜力試驗，檢驗在挖方段立柱受力變形的情況下立柱是否會由于后背支撐不足而整體失效及立柱變形后邊溝的破壞狀況。

2.1 有限元模型構建

根據SB級護欄結構尺寸及布設圖，結合設計資料，構建簡化立柱單元靜載有限元分析模型(見圖4)，模型主要材料參數及網格劃分見表1。

圖4 立柱單元三維模型示意圖

表1 材料參數及網格劃分

2.2 靜力荷載確定

進行單元靜載試驗的關鍵是確定靜載作用位置和大小。根據JTG D81—2017中護欄結構設計尺寸，選擇靜載作用位置為波形護欄中心梁板高度(路面以上697 mm)，與理想狀態下車輛碰撞位置保持一致。護欄單元靜載大小取決于車輛與護欄之間的碰撞力，目前規范以防護能量作為護欄防護等級評價指標，沒有明確波形護欄碰撞力計算方法，可基于能量吸收理論構建碰撞力分析方法，以設計防護能力為指標反演護欄碰撞力，將動力荷載等效轉換為靜力荷載。車輛碰撞初始狀態時的動能為：

根據能量守恒原理，當車輛碰撞護欄后減速至停止時，碰撞能量與波形護欄變形Δx吸收的能量相等，可假定車輛作用于護欄的有效動能全部轉化為碰撞力所做靜力功，即將動力荷載等效轉換為靜力荷載F，公式如下：

上述公式未考慮車輛撞擊時部分動能轉換為系統內能，而全部將動能轉換為靜力荷載做功，故實際防護能力較計算結果更保守。

綜上，以SB級波形護欄設計防護能力280 kJ為目標值，通過分別設置多組靜力荷載，試算不同單元靜載下立柱變形情況。各組單元靜力荷載-位移組合情況見圖5。由圖5可知：單元試驗靜載達到610 kN時，立柱沿受力方向橫向位移量為0.463 m，此時靜力荷載做功值為282.43 kJ，與設計防護能量基本一致。因此，可將610 kN作為等效單元靜載對立柱承載能力和立柱后背支撐狀況進行檢驗。該試驗靜載作用下立柱及支撐系統變形情況見圖6。

圖5 SB級波形護欄單元靜載-位移曲線

圖6 等效單元靜載作用下波形梁立柱受力狀況(單位：m)

根據圖6分析在等效單元靜載作用下立柱沿受力方向產生的橫向變形，立柱在路面高度為零的位置時橫向位移為0.176 m，遠超過立柱后土體寬度(0.07 m)，對后背混凝土邊溝產生明顯擠壓，擠壓區范圍為路面以下0～0.2 m，深度超過0.2 m后橫向變形量逐漸減少，產生的應力逐漸消散，可由立柱自身和土體進行抵抗?？梢?，挖方路段波形護欄立柱的承載力受后背支撐系統影響大，在路表一定深度內需要邊溝提供足夠的支撐。立柱在路面1.43 m深度以下至立柱端部段基本無變形，表明靜載對立柱的影響沿深度范圍有限，采取加深或加長立柱的方法對提高立柱承載能力無明顯效果。

圖7為靜載作用下立柱周邊土體的應力分布，右側柱狀圖中，下部深色為應力小的可忽略區域，淺色為應力大的不可忽略區域。由圖7可知：以護欄為中心0.5 m范圍內土體產生明顯應力，土體應力最大處出現在路表靠邊溝溝壁側，最大值為5.766 MPa，此處土體位于護欄，受護欄傳遞的壓力大，土體將被壓縮破壞。

圖7 等效單元靜載作用下周邊土體受力狀況(單位：MPa)

圖8為等效單元靜載作用下立柱后C20混凝土邊溝受力狀況。由圖8可知：混凝土邊溝溝壁受立柱側向擠壓，溝壁內側受壓、外側受拉，最外側應力為10.14 MPa，在以立柱為中心4 m范圍內的應力均超過普通C20混凝土的抗拉強度設計值(1.1～1.3 MPa)，在護欄受車輛撞擊后邊溝側壁存在整段垮塌的風險。

圖8 等效單元靜載作用下立柱后C20混凝土邊溝受力狀況(單位：MPa)

3 護欄加固與改造方案設計

為保證護欄具備足夠的防護能力，減少迎撞面形成的風險，同時降低車輛撞擊護欄后對挖方邊溝的破壞，結合不同橋梁及路基迎交通流向護欄端頭的實際情況，針對不同情況分別采取不同提升方案。

(1) 對于挖方處開口較小的路段，采取護欄連續布設的方法，通過連接上、下游護欄使該段護欄形成整體，從而避免端頭的設置。由于部分挖方路段立柱后背支撐系統不足，需對挖方段邊溝進行加固?？刹扇√岣哌厹峡估瓘姸然蚪M合式基礎的方法(見圖9)。

圖9 挖方段護欄立柱承載力提升方案示意圖

(2) 挖方路段長、無外展條件。挖方路段較長時護欄連貫設置不經濟，為使外展斜率和護欄防護性能滿足要求，且不對邊溝排水產生影響，護欄外展段在邊溝范圍內時，采取立柱上跨和回填邊溝下穿排水管的方式(見圖10、圖11)。

圖10 現澆蓋板基礎上跨邊溝(單位：cm)

以上兩種方案采用規范推薦的獨立基礎形式，外展段護欄防護性能滿足要求且兼顧了邊溝排水需求，施工工藝簡單、經濟，能有效解決外展端頭斜率不足等問題，降低安全風險。

4 結論

(1) 對高速公路橋梁及路基填挖交界處迎交通流向護欄端頭設置情況進行調查，分析得當前高速公路外展端頭防護性能和外展斜率均難以滿足JTG D81—2017《公路交通安全設施設計規范》的要求，存在較大安全隱患。

(2) 基于能量吸收理論，以護欄防護設計能量為指標建立護欄碰撞力等效靜載分析方法，并利用有限元方法對JTG D81—2017推薦的SB級波形護欄立柱在挖方路段的防護性能進行研究，結果表明立柱受力后對混凝土邊溝產生明顯擠壓，擠壓區垂直范圍為路面以下0～0.2 m，且在以立柱為中心4 m范圍內產生的應力超過普通混凝土邊溝的抗壓強度，存在整段垮塌風險。

(3) 綜合考慮經濟性和施工便利性，提出挖方路段護欄加固和端頭外展改造方案，該方案施工方法簡單，既能保證護欄的防護性能，又兼顧了邊溝的排水需求，可供同類工程參考。