馮紅艷 李夢露 孟瑤 劉雨 胡云威 杜進華

摘 要：車輛在高速公路行駛時速度較快，發(fā)生事故后可能沖破中分帶護欄沖向對向車道，造成更大的損失。針對沖破中分帶護欄駛入對向車道的交通事故，本文在傳統(tǒng)護欄形式的基礎，提出在中分帶兩側的立柱間添加支撐的四種加強方案，基于結構力學、材料力學的相關理論知識對增設的鋼支桿截面進行設計，基于偽靜力法汽車碰撞模型驗證不同加強方案防護能力的提升效果，最后經過各方面對比分析得出最優(yōu)加強方案。

關鍵詞：高速公路;加強型護欄;中分帶;支撐桿;斜撐

中圖分類號：U417.12文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）28-0089-06

Comparison and Analysis of Schemes for Improving the

Protection Capacity of Existing Corrugated Beam Guardrail

FENG Hongyan LI Menglu MENG Yao LIU Yu HU Yunwei DU Jinhua

（School of Civil Engineering， Zhengzhou University，Zhengzhou Henan 450001）

Abstract： The speed of vehicles running on the expressway is fast， which may break through the guardrail and rush to the opposite lane after the accident， resulting in greater loss. Aiming at the traffic accident of breaking through the guardrail and driving into the opposite lane， based on the traditional form of guardrail， this paper put forward four strengthening schemes of adding supports between the columns on both sides of the middle separation zone. Based on the relevant theoretical knowledge of structural mechanics and material mechanics， the section of the additional steel strut was designed， and the improvement of the protection ability of different strengthening schemes was verified based on the pseudo-static vehicle collision model. Finally， through the comparative analysis of various aspects， the optimal strengthening scheme was obtained.

Keywords： expressway;innovative reinforced corrugated beam guardrail;median zone;strut;diagonal brace

目前，國內高速公路迅速發(fā)展，高速公路里程總量日益增長，截至2019年，我國高速公路總里程已經達到14.26萬km，交通量也隨之快速增加，而由此造成的交通事故也越來越多。在相關部門的管理下，交通事故傷亡人數雖然有所控制，但高速公路事故死亡率仍然居高不下，其中每年因為護欄防護能力不足導致的交通事故數占比較高。目前，高速公路防護欄主要采用波形防撞護欄。車輛在撞擊護欄時，通過波形護欄的變形以及防阻塊的變形來吸收部分撞擊能量，然后通過立柱對波形護欄的支撐作用，盡量阻止車輛沖入另一側車道，防止產生更嚴重的交通事故。但隨著汽車保有量的快速增加，車輛速度的提升以及車輛重載化、大型化比例逐漸提高，現有的高速公路安全設施防護能力已經無法滿足交通安全防護要求，部分護欄設施在重大交通事故中已逐漸失去其防護效能，所以提升高速公路防護欄能力尤為必要。

目前，國內已經研發(fā)了許多新型防撞護欄產品，如旋轉滾筒護欄和預應力鋼索護欄[1]。前者的安裝及材料成本較大，后者雖然安裝成本不高，但需要拆除原護欄結構，兩者均不適用于我國大范圍提升護欄防撞效能的情況。

本文針對沖破中分帶護欄駛入對向車道的交通事故，在不改變原護欄結構的基礎上，提出一種支桿加強型的護欄結構形式。

1 理論框架

1.1 理論與假設

1.1.1 協(xié)同受力。增設橫向或斜向支撐桿，與立柱同時作用，將一側立柱受力轉化為兩側立柱與支桿協(xié)同受力，共同抵抗車輛撞擊。其相互作用及協(xié)同工作機制為：①支桿與立柱之間相互支撐，整體性好;②立柱主要承受剪力和彎矩，支桿主要承受軸力，當支桿屈服時，立柱承受的彎矩或剪力仍然小于其許可值。

1.1.2 結構簡化。實際的波形梁護欄是一個較復雜的整體結構，為便于計算，進行如下簡化。

①不考慮波形梁和防阻塊變形所吸收的能量，即不改變護欄的原結構，只將立柱通過支桿連接起來，并對結構所能承受的最大撞擊速度進行比較和加強。所得破壞時可承受的最大速度一定小于實際所能承受的最大速度，最終的計算結果乘以一個放大系數，便能與實際情況更好地吻合。

②由于支桿為細桿，所受彎矩與軸力相比可忽略不計，計算時可將連接方式視為鉸接，忽略彎矩的影響。

先計算大型車的撞擊情況，撞擊點高度如圖6所示。解一次超靜定，可得到支桿軸力[Fn]與撞擊力[P]的關系：[Fn=1.60P]。當支桿屈服時，支桿的軸力為235.0 kN，經驗算，此時立柱1承受的最大彎矩小于其容許值，而立柱2在底端承受的剪應力也小于其抗剪強度，所以當受到車輛撞擊時，支桿會先于立柱屈服破壞，故不會產生因剛度過大而造成的安全隱患。支桿屈服時，根據關系式可得立柱所能承受的最大撞擊力[Px]=146.88 kN（大型車），[Px]=78.44 kN（小型車，計算方法與大型車相同，計算重心不同），而在不加設支桿的情況下，當大型車輛的撞擊力達到15.0 kN左右或小型車為32.0 kN左右時，立柱就會屈服。由此可見，此加設支桿方式防撞提升效果顯著。

2.1.2 不同高度的橫向橫撐。計算簡圖如圖7所示，將支桿水平連接，綜合考慮強度、壓桿失穩(wěn)與立柱屈服三個方面，選擇壁厚0.50 mm，截面實心面積66.17 mm2，外徑43.70 mm，內徑42.70 mm。

以大型車的情況為例進行計算，解超靜定，得到當支桿屈服時，立柱所能承受的撞擊力僅為16.55 kN，故此種連接方式效果不顯著。試將支桿的連接點降低，因為在立柱1受到撞擊時，立柱2也要承受彎矩作用，且在地面固定端處達到最大值，同一作用力下將支桿的連接點降低能有效減小立柱2承受的最大彎矩值，同時考慮到立柱1承受的彎矩值，將連接點降到距離地面0.50 m處，如圖8所示。計算后取支桿壁厚0.5 mm，截面面積

125.57 mm2，外徑80.44 mm，內徑79.44 mm。支桿屈服時，撞擊力達20.49 kN。由此可見，此種水平連接的方式效果并不顯著。

2.1.3 斜向斜撐。計算簡圖如圖9所示，將支桿連在兩對角立柱上，此種連接方式是考慮到車輛的撞擊角度問題，據大量數據表明，車輛的撞擊角度普遍在20°～30°，很少有大角度撞擊的情況發(fā)生。此種連接方式的支桿連接平面與行車方向的角度約為26°，剛好比較適應于實際情況。在一般的小角度車輛撞擊的情況下，此種方式會有更好的防護效果。設計原則和計算方法同上述情況相同。計算后取支桿壁厚2.50 mm，截面實心面積900.0 mm2，外徑117.0 mm，內徑112.0 mm，桿長約2.43 m。

由于橫向橫撐方式對最大沖擊力的提升效果非常不明顯，故后續(xù)計算數據只針對提升效果顯著的橫向斜撐和斜向斜撐。不同連接方式的防撞提升效果與撞擊角度有很大關系，將上述設計方案能承受的最大沖擊力以及不同的撞擊角度代入公式（3），逆推出護欄能承受的最大撞擊速度，分析計算結果。

選用的小型車代表車輛為長4.50 m、寬1.70 m、質量1.20 t的中型轎車。小型車可承受的最大撞擊速度如表1所示。

1.53 26.45 80 18.41 29.69 22.41 90 17.43 28.12 19.40 ]選用大型車代表車輛為長8.7 m、寬2.4 m、質量15 t的貨車。大型車可承受的最大撞擊速度如表2所示。

2.1.4 組合形式。將橫向斜撐與斜向斜撐組合。經計算，車輛撞擊時，在支桿不失穩(wěn)，且支桿半徑不大于立柱半徑的情況下，立柱一定會先發(fā)生屈服，即強度、剛度太大，極易造成車毀人亡的情況。加之組合形式數據計算過于復雜，故也不列入數據計算中。

2.2 方案比選

2.2.1 數據分析。小型車能承受的最大撞擊速度與撞擊角度的關系如圖10所示，大型車所能承受的最大撞擊速度與撞擊角度的關系如圖11所示。

由圖10可知：隨著車輛撞擊角度的增大，護欄能承受的最大沖擊速度逐漸降低;橫向斜撐型與斜向斜撐型在小角度撞擊時防撞效果相差不大，但在40°～60°時斜向斜撐型明顯優(yōu)于橫向斜撐型;當以更大的角度撞擊時，斜向斜撐型易被撞擊力垂直于支桿平面的分量壓彎破壞，故大角度撞擊時斜向斜撐型防撞提升效果不如橫向斜撐型明顯。

由圖11可知，斜向斜撐型在大型車的沖擊力下極易被壓彎破壞，對大型車而言，斜向斜撐型防撞提升效果明顯不如橫向斜撐型。

2.2.2 經濟性分析。各種設計方案每千米所需材料及費用（未考慮安裝費用）：①橫向橫撐加強型每千米需增設500根支桿，每根支桿長為1.0 m，1 km所需鋼材約為0.26 t，花費約為0.11萬元;②橫向斜撐加強型每千米需增設1 000根支桿，每根斜桿長為1.38 m，1 km所需鋼材約為10.83 t，花費為4.50萬元左右;③斜向斜撐加強型每千米需增設1 000根支桿，每根斜桿長為2.43 m，1 km所需鋼材約為17.0 t，花費為7.0萬元左右;④組合斜撐加強型為橫向斜撐和斜向斜撐的組合，每千米花費為11.50萬元。具體花費如表3所示。

2.2.3 結論。對上述分析結果進行總結，可得出以下幾點結論。

①在不阻止車輛向平行于波形梁護欄板方向行駛的情況下，橫向斜撐能較大限度地承受汽車水平方向的沖擊力，同時橫向斜撐還能很好地調整車輛行駛方向，給車輛一定的緩沖空間，安全有效地阻止車輛沖破護欄駛向對向車道。

②不同高度的橫向水平支撐防撞提升效果并不明顯。

③斜向斜撐能夠降低立柱直接往行車方向彎倒的可能性，對防撞能力的提升也有一定效果，但在大角度撞擊時極易發(fā)生垂直于支桿平面的受彎屈服破壞，從而使提升效果下降明顯。

④組合結構強度及剛度太大，緩沖效果不好。

⑤各種設計方案每千米所需費用相差不大，橫向橫撐費用最少，組合斜撐費用最高。

綜合比較，橫向斜撐在任意車輛碰撞角度下，不論是對小型車還是大型車，在防撞能力提升效果及安全性上均優(yōu)于其他方案，而且橫向斜撐所需費用相對較低。本文認為橫向斜撐的加強方案為此種加強方式的最佳選擇。

3 應用前景

3.1 經濟性

較之于全部替換為新結構護欄或使用柔性材料護欄的改造方案，本文所述護欄加強方法更為經濟。以比選所得的最優(yōu)加強方式橫向斜撐和材料用量較大的斜向斜撐加強為例：目前市場上已有的中分帶新型防撞護欄，如旋轉桶護欄，每個旋轉桶的價格大約為1 400元，1 km花費則高達上百萬元。預應力鋼索護欄雖然制作安裝成本不高，但拆除原結構再重新安裝新結構，整個過程仍需花費幾十萬元。不同護欄加強方式每千米所需費用如表4所示。

3.2 可實踐性

本設計采用增設斜撐支桿的方式使中分帶兩側立柱協(xié)同受力，結構簡單，可在原結構基礎上施工，直接采用焊接、抱箍或者螺栓連接等方式直接連接在原有立柱上，所需材料少，具有以下特點：防撞能力強、施工安裝方便、經濟、施工對交通影響小、不會損傷原有路面結構。

4 結語

本文將結構及受力簡化后利用偽靜力法、材料力學和結構力學相關理論，建立車輛碰撞模型，并計算各種結構所能承受的最大撞擊速度，對各種結構的計算結果對比分析。分析結果表明，增設橫向斜撐的護欄加強結構具有提升效果顯著、經濟實用、施工簡單、對交通影響小等優(yōu)點，與我國高速公路護欄改造的現狀及需求都較為符合。文中所述的加強型護欄不僅加強了高速公路中分帶波形梁護欄防沖擊力性能，防止護欄折斷，而且有力保障了高速公路上車輛的行駛安全，尤其是確保了逆向行駛車輛的安全，大大降低了重大交通事故的發(fā)生概率。

當然，支桿加強型護欄的設想和設計也只是淺嘗輒止，在具體實施方法、支桿截面形式選擇以及護欄的整體防撞性能上還有待進一步探索和研究，希望能為護欄改造工程提供一定的參考價值。

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