喬建剛， 張程程

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心， 天津 300401)

波形護(hù)欄立柱接樁參數(shù)的研究

喬建剛1,2， 張程程1

(1.河北工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 天津 300401； 2.河北省土木工程技術(shù)研究中心， 天津 300401)

高速公路護(hù)欄是機(jī)動(dòng)車駕駛員生命保障工程設(shè)施，但是由于路面養(yǎng)護(hù)使路面標(biāo)高提高，護(hù)欄的高度就不能滿足安全的要求，為了提高高速公路的安全性，通過(guò)實(shí)際調(diào)研，結(jié)合交通工程學(xué)、工程力學(xué)等理論，分析護(hù)欄立柱的在荷載作用下的變形和應(yīng)力情況，通過(guò)平行試驗(yàn)法確定了護(hù)欄立柱加高段的設(shè)計(jì)參數(shù)，并實(shí)際驗(yàn)證了其合理性，為高速公路養(yǎng)護(hù)帶來(lái)的設(shè)施改造提出一種新的思路。

波形護(hù)欄； 立柱； 受力分析； 接樁參數(shù)

0 引言

隨著我國(guó)高速公路建設(shè)市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，并且隨著交通量以及道路使用年限的增長(zhǎng)，原有路面遭到破壞而不能滿足現(xiàn)有通行能力范圍內(nèi)的使用，新一輪的改建、擴(kuò)建公路工程項(xiàng)目也悄然興起，但是大修后造成路面標(biāo)高提升，致使原有護(hù)欄與路面的相對(duì)高度減小，已不能滿足規(guī)范要求[1，2]，給交通流造成較大安全隱患。根據(jù)交通事故原因的調(diào)查統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，發(fā)生在高速公路上的約30%是汽車與路邊設(shè)施相撞造成的[3]，這個(gè)數(shù)據(jù)說(shuō)明了路側(cè)護(hù)欄在人員傷亡等嚴(yán)重的交通事故中起著很重要的作用。2008年馬秀君等人在石安高速公路護(hù)欄改造研究中提出了內(nèi)套管的護(hù)欄改造方案，并進(jìn)行了驗(yàn)證[4]；2010年崔洪軍等人根據(jù)規(guī)范規(guī)定的高速公路護(hù)欄高度，從安全、經(jīng)濟(jì)、視覺(jué)等角度提出了高度可調(diào)節(jié)新型護(hù)欄[5]；國(guó)外究關(guān)于波形梁接樁工藝參數(shù)的研究還未見(jiàn)報(bào)道，主要是因?yàn)閲?guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家大部分道路采用長(zhǎng)壽命的設(shè)計(jì)理念，使得路面使用壽命較長(zhǎng)，在使用期間內(nèi)道路增高幅度不大，所以護(hù)欄高度不足問(wèn)題并不突出[6-8]。波形護(hù)欄立柱的接樁工藝，使原有舊護(hù)欄立柱能夠最大可能的進(jìn)行循環(huán)利用，體現(xiàn)了節(jié)能減排、保護(hù)環(huán)境的思想[7]。結(jié)合研究目的，本文對(duì)波形梁護(hù)欄接樁工藝進(jìn)行了研究，并確定了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)，使得原有立柱能夠循環(huán)利用，從而達(dá)到減少因護(hù)欄而引發(fā)的高速公路交通事故。

1 接樁立柱的力學(xué)分析

對(duì)加高套管立柱的加高部分作受力分析如圖1所示。其中，P為10 t的大貨車以15度的碰撞角度進(jìn)行碰撞時(shí)對(duì)護(hù)欄立柱產(chǎn)生的撞擊力，通過(guò)力學(xué)求解器求得P=125.01 kN；已知距離L=100 mm；F和F1為車輛碰撞護(hù)欄時(shí)，原有立柱對(duì)套筒產(chǎn)生的作用力；X為加高套管的外徑；Y為套管伸入原有立柱的長(zhǎng)度。

圖1 受力分析圖Figure 1 The stress analysis diagram

根據(jù)圖1，由二力平衡理論和力矩平衡理論可得到式：

P+F=F1

(1)

PL=FY

(2)

依據(jù)《公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)細(xì)則》(JTG/TD 81 — 2006)對(duì)碰撞條件的規(guī)定：碰撞實(shí)驗(yàn)使用重為10 t的貨車以60 km/h的碰撞速度，以15°的碰撞角度進(jìn)行碰撞。因?yàn)樗a(chǎn)生的能量的計(jì)算公式如下：

式中： E為碰撞動(dòng)能，J；m為碰撞車輛的質(zhì)量,kg；v為車輛的碰撞速度,m/s；θ為車輛的碰撞角,(°)。

其計(jì)算結(jié)果如表1所示。

1.1 彎曲變形

根據(jù)《材料力學(xué)教程》[9]中： 在一對(duì)大小相等、轉(zhuǎn)向相反、作用面位于包含桿軸線的縱向平面內(nèi)的力偶作用下，桿件的軸線變?yōu)榍€，這種變形稱為彎曲變形。

因此，對(duì)于套筒的F1截面，受到一對(duì)大小相等、轉(zhuǎn)向相反的力偶作用，將產(chǎn)生彎曲變形，產(chǎn)生的強(qiáng)度是屈服強(qiáng)度，受力公式為：

(3)

1.2 剪切變形

此外，同樣根據(jù)《材料力學(xué)教程》[9]中：在一對(duì)大小相等、方向相反、作用線相距很近的橫向力作用下，桿件的橫截面將沿外力作用方向發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，這種變形稱為剪切變形。

因此，對(duì)于原立柱與套筒相接觸的F截面，因?yàn)橄嗷プ饔昧Ξa(chǎn)生力F1和反向作用力F2，有F1=F2，因此，該截面受到大小相等、方向相反的橫向作用力，將產(chǎn)生剪切變形，產(chǎn)生的強(qiáng)度是剪切強(qiáng)度，受力公式為：

(4)

2 接樁參數(shù)的確定

通過(guò)對(duì)原有立柱和加高立柱進(jìn)行的力學(xué)性能材料檢測(cè)試驗(yàn)得知立柱的屈服強(qiáng)度是大于等于235MPa，而剪切強(qiáng)度是屈服強(qiáng)度的0.6～0.8倍，所以剪切強(qiáng)度應(yīng)該大于等于141 MPa。

經(jīng)過(guò)整理式(3)可得到公式：

(5)

將P=125.01 kN，L=100 mm帶入式(5)得到：X≥126 mm，而140-4.5×2=131 mm，所以126 mm≤X<131 mm。

此外，聯(lián)立式(1)、式(2)、式(4)，整理得到公式：

(6)

經(jīng)過(guò)計(jì)算，當(dāng)X=131 mm時(shí)，解得Y≥98 mm，所以當(dāng)X在126～130 mm之間取值時(shí)，Y取大于98 mm的值都滿足強(qiáng)度要求，但是根據(jù)原來(lái)立柱螺栓孔到立柱頂端的的距離是150 mm，而將加高套管與原立柱固定時(shí)，由于螺栓帽還有墊片的尺寸，所以要求伸入的長(zhǎng)度Y要大于160 mm。因此，加高套管外徑X可以取值126、127、128、129、130 mm；鑒于節(jié)省材料和安全考慮，伸入長(zhǎng)度Y可以取值170、180、190、200、210、220 mm。

因此，有不同的X、不同的Y對(duì)應(yīng)不同的強(qiáng)度，如表2所示。

表2 不同X、Y值下相應(yīng)的強(qiáng)度值Table2 ThecorrespondingintensityvaluesunderdifferentXandYvalues外徑X剪切面積S伸入長(zhǎng)度Y碰撞力P距離L力F力F1剪切強(qiáng)度17012501010073535198545112180125010100694501944601101301773190125010100657951908051082001250101006250518751510621012501010059529184539104220125010100568231818331031701250101007353519854511318012501010069450194460111129175919012501010065795190805108200125010100625051875151072101250101005952918453910522012501010056823181833103170125010100735351985451141801250101006945019446011112817451901250101006579519080510920012501010062505187515107210125010100595291845391062201250101005682318183310417012501010073535198545115180125010100694501944601121271731190125010100657951908051102001250101006250518751510821012501010059529184539107220125010100568231818331051701250101007353519854511618012501010069450194460113126171719012501010065795190805111200125010100625051875151092101250101005952918453910722012501010056823181833106

根據(jù)表2的數(shù)據(jù)，其相關(guān)折線圖如圖2所示。

圖2 不同X值下強(qiáng)度的對(duì)比圖Figure 2 The strength contrast figure under different X

根據(jù)圖2，通過(guò)分析圖中5條折線，不難看出這些折線在不同的Y值下存在不同的波動(dòng)現(xiàn)象，使得在滿足強(qiáng)度要求的情況下，考慮盡量節(jié)省材料及安全的原則，因此依據(jù)平行試驗(yàn)法，從而確定X=129 mm，Y=190 mm，即內(nèi)套管的外徑是129 mm，伸入原有立柱的長(zhǎng)度是190 mm。

3 靜力實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)前兩章節(jié)的分析確定了波形護(hù)欄接樁工藝的結(jié)構(gòu)尺寸，本章通過(guò)對(duì)原有立柱和加高立柱進(jìn)行靜力實(shí)驗(yàn)，來(lái)驗(yàn)證加高立柱的力學(xué)性能。

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

靜力加載試驗(yàn)采用靜力頂推方法[10]，實(shí)驗(yàn)中采用原有Φ140×4.5×1800立柱與加高后的護(hù)欄立柱各3根組成實(shí)驗(yàn)樣本總體，經(jīng)過(guò)靜力加載實(shí)驗(yàn)后，對(duì)比其最大荷載及對(duì)應(yīng)的撓度值。在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)，護(hù)欄立柱一端通過(guò)固定支架固結(jié)，采用油壓千斤頂對(duì)立柱按照1.0 kN/級(jí)逐級(jí)加載，結(jié)合以往研究結(jié)果，其加載位置選擇在測(cè)試立柱的自由端(離固定面600 mm處)，如圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在護(hù)欄立柱實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，立柱在外加荷載的作用下發(fā)生彎曲變形，最終在立柱固定面附近發(fā)生彎曲。繪制原有立柱和加高立柱的荷載—時(shí)間和位移—荷載曲線，如圖4、圖5所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置圖

圖4 荷載—時(shí)間曲線Figure 4 The curve of Load-time

圖5 位移—荷載曲線Figure 5 The curve of displace-load

對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，可以得出：加高后的立柱的破壞位置與原立柱相同，均在固結(jié)處發(fā)生屈服，立柱套管處未出現(xiàn)損壞跡象；原立柱所能承受的最大荷載為52.043 kN，在最大載荷作用下產(chǎn)生的撓度值為60 mm，而加高后的立柱所能承受的最大載荷為61.198 kN，在最大載荷作用下產(chǎn)生的撓度值為80 mm，二者相差不大，因此，立柱套管加高的立柱與原立柱的力學(xué)性能基本相同。

4 結(jié)論

高速公路波形護(hù)欄接樁工藝的研發(fā)是針對(duì)高速公路養(yǎng)護(hù)工程設(shè)計(jì)，特別是針對(duì)改、擴(kuò)建高速公路中波形護(hù)欄在接樁中出現(xiàn)的問(wèn)題和矛盾，通過(guò)對(duì)高速公路波形護(hù)欄接樁工藝參數(shù)的研究，確定了接樁工藝加高套管的外徑尺寸以及伸入原立柱的長(zhǎng)度，并進(jìn)行了驗(yàn)證，從總體上、系統(tǒng)上予以考慮和解決，對(duì)高速公路行業(yè)的發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

[1] 邰永剛.高防護(hù)等級(jí)鋼護(hù)欄改造方案研究[J].公路工程，2009(2).

[2] JTG D81-2006,公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 高速公路叢書編委.高速公路交通工程及沿線設(shè)施[M].北京：人民交通出版社，2005.

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[5] 劉孔杰，崔洪軍.高速公路雙波梁鋼護(hù)欄改造方案碰撞試驗(yàn)研究[J].交通世界，2010(5).

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[8] 王辰.基于PC-CRASH的汽車——護(hù)欄事故再現(xiàn)研究[D].長(zhǎng)春:吉林大學(xué),2014，04.

[9] 范慕輝，焦永樹.材料力學(xué)教程[M].上海：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[10] 陳玲.基于車輛碰撞試驗(yàn)的波形梁剛護(hù)欄改造方案研究[D].廣州:華南理工大學(xué)，2007.

Study on the W-beam Guardrail Post Pile Extension Parameters

QIAO Jiangang1,2, ZHANG Chengcheng1

(1.College of Civil Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300401， China； 2.Civil Engineering Technology Research Center of Hebei Province，Tianjin 300401，China)

Highway guardrail is motor vehicle driver life support facilities,but because the pavement maintenance to improve pavement elevation,the height of the fence can not satisfy the safety requirements,in order to improve highway safety,through the actual investigation,combined with the project of traffic engineering、capacity theory analysis under loaddeformation and the stress of the guardrail post through the parallel test method,the design parameters of guardrail posts a heightening segment was determined,and the actual verified the rationality,the reconstruction of facilities bring to expressway maintenance of a new train of thought.

w-beam guardrail； columm； stress analysis； extension parameters

2015 — 03 — 20

河北省交通廳科技項(xiàng)目(20161008)。

喬建剛(1963 — )，男，山西太谷人，教授，博士，研究方向：交通工程。

U 417.1+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0063 — 03