王廣政 丁家立 趙慧爽 楊曉旭

(1.陸軍工程大學(xué)，江蘇 南京 210007； 2.南京市江寧區(qū)公路管理站，江蘇 南京 211100)

1 概述

災(zāi)害條件下道路交通應(yīng)急保障中，確保搶險(xiǎn)裝備和車(chē)輛的行駛安全，是未來(lái)一定時(shí)期、一定條件下交通應(yīng)急救援的重要內(nèi)容。特別是山區(qū)和高原地區(qū)道路急彎陡坡路段，在車(chē)輛荷載快速機(jī)動(dòng)過(guò)程中，容易出現(xiàn)側(cè)滑、翻車(chē)等交通事故。而現(xiàn)有的防撞護(hù)欄，往往存在著防撞能力弱、便攜性差等不足，需要提前埋樁安裝，安裝速度慢，工期長(zhǎng)，很難做到伴隨保障的高效靈活性。特別是西部高原高寒地域的應(yīng)急搶險(xiǎn)行動(dòng)中，大部分高原道路的護(hù)欄設(shè)置數(shù)量不足，急需一種便攜可靠，可快速組裝與拆卸、又具有足夠防護(hù)能力的便攜式護(hù)欄，以滿(mǎn)足災(zāi)害條件下道路交通應(yīng)急保障的需求。本文主要在現(xiàn)有半剛性護(hù)欄結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)的裝配形式和立柱結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足防撞、人工快速拆裝和便攜性的需求。

2 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)護(hù)欄器材的便攜性，又能滿(mǎn)足護(hù)欄本身應(yīng)有的防撞性能，擬選用半剛性護(hù)欄作為改進(jìn)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。根據(jù)JTG D81—2017公路交通安全設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定[1]，選用3A級(jí)波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)構(gòu)件防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。

2.1 總體結(jié)構(gòu)形式

綜合考慮護(hù)欄的安全性、可開(kāi)啟性、易于維護(hù)性、可更換單元組件等多方面因素，為提高立柱的抗彎能力和便攜性，護(hù)欄采用一柱單板插拔式結(jié)構(gòu)形式(見(jiàn)圖1)，主要由雙波梁板與防阻塊、加勁肋增強(qiáng)型立柱、底盤(pán)和連接構(gòu)件組成。其中，雙波梁板為長(zhǎng)4.32 m的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件；加勁肋增強(qiáng)型立柱是由圓柱形鋼圓筒和四個(gè)加勁肋焊接而成。為使設(shè)計(jì)的立柱既能滿(mǎn)足防撞強(qiáng)度要求，又能夠便攜耐用，加勁肋增強(qiáng)型立柱分兩種方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，方案一為單加勁肋增強(qiáng)型，方案二為雙加勁肋增強(qiáng)型，其最佳方案應(yīng)通過(guò)比選確定。連接構(gòu)件包括底盤(pán)與地面的連接構(gòu)件，以及立柱加勁肋與底盤(pán)的連接等。

整個(gè)護(hù)欄采取現(xiàn)場(chǎng)拼裝的形式組合而成。立柱長(zhǎng)度為地面以上高度，立柱與地基的連接固定，是通過(guò)底盤(pán)實(shí)現(xiàn)的。組裝時(shí)，先將圓形底盤(pán)的孔洞對(duì)準(zhǔn)埋樁點(diǎn)，將鋼釬自孔砸入地下將圓形底盤(pán)固定，再將上部立柱的一個(gè)單耳(方案一)或兩個(gè)雙耳(方案二)與圓形底盤(pán)的雙耳對(duì)準(zhǔn)用M20的軸銷(xiāo)進(jìn)行連接固定；立柱安裝好后，即可用M20軸銷(xiāo)將上部波紋板、防阻塊與立柱橫向連接固定，從而完成整個(gè)立柱的埋設(shè)。

2.2 單元構(gòu)件設(shè)計(jì)

按照結(jié)構(gòu)部位，護(hù)欄分為上中下三個(gè)部分。

1)上部結(jié)構(gòu)：主部結(jié)構(gòu)為立柱、防阻塊與雙波梁板。雙波梁板(310 mm×85 mm×4 mm)采用4 mm厚的標(biāo)準(zhǔn)波紋鋼板進(jìn)行設(shè)計(jì)，防阻塊(196 mm×178 mm×200 mm×4.5 mm)，材料均采用Q235號(hào)碳素鋼材。立柱、防阻塊通過(guò)軸銷(xiāo)與立柱連接固定。立柱設(shè)計(jì)了兩種方案：

方案一(見(jiàn)圖2)：為圓筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4個(gè)300 mm×60 mm×6 mm對(duì)稱(chēng)的加筋肋設(shè)計(jì)，筋肋上設(shè)單耳(φ45 mm×22 mm)，單耳與筋肋采用一體式設(shè)計(jì)，通過(guò)焊接與立柱連接。

方案二(見(jiàn)圖3)：為圓筒立柱(600 mm×φ140 mm×4.5 mm)，一端有4×2個(gè)300 mm×60 mm×6 mm對(duì)稱(chēng)的加筋肋設(shè)計(jì)，筋肋上設(shè)雙耳(φ40 mm×22 mm)，雙耳與筋肋采用一體式設(shè)計(jì)，通過(guò)焊接與立柱連接。

2)中部結(jié)構(gòu)：中部結(jié)構(gòu)為圓形底盤(pán)，是與立柱與地基連接的重要部件，為使之能與立柱相配套，且能與立柱結(jié)構(gòu)形式相配套，對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)了兩種方案：

方案一：底盤(pán)(φ281 mm×10 mm)圓周上設(shè)有4個(gè)對(duì)稱(chēng)的雙耳(φ45×22 mm)，雙耳中間設(shè)有均勻分布的φ32 mm的圓孔，如圖4所示。

方案二：底盤(pán)(φ220 mm×10 mm)圓周上設(shè)有4個(gè)對(duì)稱(chēng)的三耳(φ40×22 mm)，三耳中間設(shè)有均勻分布的φ32 mm的圓孔，如圖5所示。

3)下部結(jié)構(gòu)：為4個(gè)尺寸為φ30 mm×500 mm的45號(hào)鋼釬,鋼釬的一側(cè)頂端削尖(φ40 mm×10 mm)(見(jiàn)圖6)，方便護(hù)欄的安裝和開(kāi)啟。

2.3 連接設(shè)計(jì)

由于立柱為結(jié)合式結(jié)構(gòu)，立柱結(jié)構(gòu)間需要合理的連接方式，來(lái)保證護(hù)欄整體具有很好的防護(hù)能力，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的幾種連接方式進(jìn)行比對(duì)，選擇合理的連接方式?，F(xiàn)有的連接方式有三種形式，分別是銷(xiāo)連接，螺栓連接和波紋板搭接。其中螺栓連接和波紋板搭接需要扳手才能實(shí)現(xiàn)安裝，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率較低。而銷(xiāo)連接方式只需拔開(kāi)銷(xiāo)子就可，方便開(kāi)啟。綜合考慮以上因素，為便于各構(gòu)件拆裝，實(shí)現(xiàn)便攜和人工作業(yè)的目的，擬采用銷(xiāo)連接設(shè)計(jì)。上部波紋板與立柱之間、立柱加勁肋與底盤(pán)之間均采用45號(hào)鋼材的M20銷(xiāo)釘進(jìn)行連接，材料選用40Cr,以方便拆卸組裝(見(jiàn)圖7)。而底盤(pán)與地基之間，采用圓形頂端削尖的45號(hào)鋼釬，以方便護(hù)欄的安裝和開(kāi)啟。

3 防撞性與便攜性分析

為驗(yàn)算結(jié)構(gòu)是否滿(mǎn)足防護(hù)要求，需要對(duì)結(jié)構(gòu)整體和各構(gòu)件進(jìn)行受力計(jì)算，分析論證其可行性。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)波形護(hù)欄設(shè)計(jì)計(jì)算的理論研究和實(shí)踐，大部分是將護(hù)欄作為一個(gè)整體，來(lái)求解車(chē)輛碰撞護(hù)欄的作用力，然后驗(yàn)算分析護(hù)欄的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度[2]?；谏鲜鲅芯克悸泛统晒疚尼槍?duì)兩種加勁肋增強(qiáng)設(shè)計(jì)方案的便攜式道路防撞護(hù)欄的特點(diǎn)，進(jìn)行了防撞能力與結(jié)構(gòu)性狀的分析與比選。

3.1 防撞性能分析

1)設(shè)計(jì)碰撞沖擊力分析。

文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)車(chē)輛與護(hù)欄碰撞過(guò)程進(jìn)行分析，建立了“雙彈簧串聯(lián)的單自由度系統(tǒng)”模型，通過(guò)護(hù)欄的允許位移和車(chē)輛模型求出護(hù)欄的模量，并根據(jù)力與能量平衡原理求出車(chē)輛碰撞護(hù)欄的最大沖擊力[3,4]：

(1)

其中，k2=0.003mθ+0.012 1m+0.551 7θ+164.797 8 kN/m；m為車(chē)輛荷載的質(zhì)量，規(guī)范規(guī)定的最大荷載為大貨車(chē)10 t。從災(zāi)害救援時(shí)運(yùn)輸車(chē)輛裝備實(shí)際出發(fā)，保守考慮，本設(shè)計(jì)取載重車(chē)輛滿(mǎn)載時(shí)設(shè)計(jì)荷載13 t，車(chē)速V按二級(jí)公路等級(jí)取60 km/h，小型客車(chē)仍按重量1.5 t、車(chē)速V按100 km/h考慮；x1為波形護(hù)欄的變形，可參考規(guī)范保守取值0.5 m；θ為車(chē)輛與護(hù)欄相撞的夾角，本設(shè)計(jì)取20°；v為車(chē)輛與護(hù)欄相撞時(shí)垂直方向的分速度,m/s。

考慮到應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)的影響，得到了護(hù)欄碰撞力設(shè)計(jì)值的計(jì)算方法[3,5]:

(2)

根據(jù)上述計(jì)算原理與方法，可計(jì)算出在上述碰撞條件下的車(chē)輛與護(hù)欄碰撞的最大碰撞力Fmax=226.05 kN，考慮應(yīng)變率強(qiáng)化效應(yīng)后的設(shè)計(jì)碰撞力Fdes，為155.89 kN。

2)結(jié)構(gòu)破損極限荷載分析。

路側(cè)防護(hù)欄在受到發(fā)生意外的車(chē)輛沖擊碰撞時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)弧式破壞模式和外弧式破壞模式兩種破壞模式[3,4]。鑒于外弧式破壞模式的耗能能力強(qiáng)于內(nèi)弧式，本設(shè)計(jì)選取的控制破壞模式為五跨內(nèi)弧式破壞模式。結(jié)構(gòu)破損極限荷載為結(jié)構(gòu)的耗能與車(chē)輛緩沖距離Δf的比值。而結(jié)構(gòu)的耗能主要由立柱彎曲消耗的能量、波形梁拉伸與變形消耗的能量、防阻塊消耗的能量三者組成，根據(jù)文獻(xiàn)[4]的計(jì)算方法，對(duì)上述護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸可分別計(jì)算立柱消耗的能量Dp、波形梁Dw和防阻塊消耗的能量Db，而得到結(jié)構(gòu)破損極限荷載R=159.67 kN。

可見(jiàn)，在此防撞條件下，結(jié)構(gòu)破損極限荷載略大于設(shè)計(jì)碰撞力155.89 kN。說(shuō)明上述波形梁護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸，在防撞能力上基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2 便攜性分析

能否實(shí)現(xiàn)護(hù)欄器材的便攜性，不僅反映在針對(duì)性的組裝與連接設(shè)計(jì)，更需要從護(hù)欄器材的重量上考慮，以判斷能否實(shí)現(xiàn)人工快速拆裝和便攜性的需求。

根據(jù)設(shè)計(jì)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸和材質(zhì)，分別計(jì)算除波形梁板標(biāo)準(zhǔn)件外的護(hù)欄重量。方案一的立柱用量0.000 85 m3，底盤(pán)用量為0.000 99 m3，鋼釬用量為0.001 423 m3，總重量為0.003 26 m3，利用Q345鋼材的密度，可計(jì)算出方案一的護(hù)欄總重量約為26 kg；方案二的立柱用量0.001 502 m3，底盤(pán)用量為0.000 757 m3，鋼釬用量仍為0.001 423 m3，總重量為0.003 68 m3，可計(jì)算出方案二的護(hù)欄總重量約為29 kg。對(duì)于重量30 kg左右的護(hù)欄來(lái)說(shuō)，兩人一組人工搬運(yùn)非常容易實(shí)現(xiàn)，由此可見(jiàn)，兩種方案均能滿(mǎn)足人工快速拆裝和搬運(yùn)的需求，具有較好的便捷性。而方案二相對(duì)于方案一，重量?jī)H相對(duì)增加了3 kg左右，但進(jìn)行了4對(duì)雙肋板加強(qiáng)，在增強(qiáng)立柱穩(wěn)定性能方面具有更大的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)便攜式道路防撞護(hù)欄加勁肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)和性能分析，得出了如下結(jié)論：

1)從防撞能力的角度看，本文初步設(shè)計(jì)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)尺寸能夠滿(mǎn)足規(guī)范中規(guī)定的道路防撞護(hù)欄等級(jí)要求，可適用于災(zāi)害條件下重型車(chē)輛裝備以60 km/h車(chē)速行駛的防撞需求；

2)從便攜能力的角度看，改進(jìn)設(shè)計(jì)的兩種加勁肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案，均能滿(mǎn)足人工搬運(yùn)與組裝的要求，具有較好的便捷性。工程實(shí)踐中，可根據(jù)交通應(yīng)急保障的需要，快速在相應(yīng)路段人工便捷地設(shè)置和拆除該型防撞護(hù)欄，實(shí)現(xiàn)交通保障的應(yīng)急防護(hù)需求，其中，方案二在增強(qiáng)立柱彎拉穩(wěn)定性方面，具有更好的優(yōu)勢(shì)；

3)從增強(qiáng)防撞安全性的角度來(lái)看，由于前文分析得出的結(jié)構(gòu)破損極限荷載，僅僅略大于設(shè)計(jì)碰撞力，但安全系數(shù)較小，可以考慮增加護(hù)欄的鋼材性能，加大其屈服強(qiáng)度，以提高其結(jié)構(gòu)破損極限荷載的大小，增強(qiáng)其防撞能力[6]。

可見(jiàn)，本文設(shè)計(jì)的便攜式道路防撞護(hù)欄加勁肋增強(qiáng)結(jié)構(gòu)方案，拆裝方便、機(jī)動(dòng)靈活、防撞性能基本滿(mǎn)足重型車(chē)輛裝備安全行車(chē)需求，為災(zāi)害條件下道路應(yīng)急保障開(kāi)辟了新途徑[4]。

當(dāng)然，判斷一個(gè)新型護(hù)欄結(jié)構(gòu)能否真正滿(mǎn)足使用要求，不僅要從防撞性能上進(jìn)行分析，更要從材料質(zhì)量、加工工藝以及地基狀況、使用環(huán)境條件等方面進(jìn)一步考慮分析，特別是在立柱沒(méi)有埋深或埋深較淺的情況下，需要驗(yàn)算增強(qiáng)肋板與立柱的焊接強(qiáng)度和構(gòu)件連接強(qiáng)度等。未來(lái)災(zāi)害條件下的道路行車(chē)保障中，所處地理、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，不可預(yù)見(jiàn)因素較多，需要結(jié)合實(shí)際具體分析，以?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)方案。