周少炳 霍猛
河南汇隆建设集团有限公司 河南省周口市 466000;周少炳身份证号码 41302719831014XXXX;霍猛身份证号码 41272719781005XXX
摘要：随着我国经济的不断发展，社会在不断的进步，道路桥梁钢护栏的作用是起到防护因意外越出桥面的车辆或者行人，也起到装点桥梁、美化城市的作用。在本文中，笔者主要结合所学的知识，深入分析了道路桥梁工程钢护栏的防碰撞性能，以供参考及不吝指正。
关键词：道路桥梁工程；钢护栏；防撞性能
引言
桥梁护栏是保证桥梁安全畅通的重要交安设施，充分考虑周围环境而设计恰当的护栏会形成一道美丽的风景线，近年来它逐渐成为工程设计人员关注的重点。桥梁护栏的作用是防止失控车辆越出机动车道或越过分隔带，吸收碰撞车辆的能量并改变其行驶轨迹，最大限度地减少对乘员和路人的伤害。护栏并不是设置得越多越好、强度越高越好，因为护栏本身也是一种障碍物。确定护栏的防撞级别要考虑该路段的设计速度、车型特点、路线线形及周围环境等因素。
1结构设计
通过对以往设计的梁柱式钢护栏进行分析和总结，确定了新型ＳＳ级护栏结构。目前中国使用的梁柱式钢护栏横梁截面形状主要是矩形和圆形，矩形抗弯性能好，圆形抗扭性能好，结合二者的优点，设计出了半椭圆形截面，其迎撞面较矩形面对小型车的碰撞缓冲有更好的效果，其抗弯抗扭刚度也能保证不降低对大型车辆的防撞性能，由于小型车的碰撞点主要是在护栏下部两根横梁，设计时下部横梁的壁厚薄一点，可以更好地变形吸能。每节横梁长度为６ｍ，整体高１．５ｍ，下两根横梁壁厚为４ｍｍ，上两根横梁壁厚为８ｍｍ。立柱采用变截面Ｈ形，即顶部截面小，底部截面大，这样可以在保证刚度的情况下，最大程度地节省材料用量，立柱间距为２ｍ。横梁与立柱的连接方式，采用横梁背面焊接连接板，通过螺栓与立柱连接，螺栓布置在横梁后面，这样不仅简化了横梁与立柱的连接，也避免了碰撞时螺栓对车辆的绊阻，方便了施工、运输，护栏整体显得更简洁。横梁之间采用套管拼接，拼接处位于两立柱中间，套管内嵌入横梁，左右端各设置３个螺栓固定，相比于以往梁柱式钢护栏的横梁拼接结构，该拼接形式节省了５０％的螺栓数量。立柱与地面采用地脚螺栓连接，地脚螺栓直径为３０ｍｍ，每个立柱配８个螺栓，前面４个、中间２个、后面２个，这样的布局可以最大限度地发挥螺栓的冲击抗拉性能。
2建立有限元分析模型
2.1建立汽车模型
建立完整的汽车有限元模型需要做巨大的工作量，为了在满足试验要求的前提下尽量减少建模的时间和计算的工作量，我们可以对汽车模型进行必要的简化。建立汽车模型需要考虑汽车主要的变形部件，如保险杆、车头、车轮组件等，在碰撞过程中受力较大，对于诸如发动机、变速器等受力较小的部件可进行合理的简化。我们建立中小型集装箱汽车有限元模型，汽车满载150kN，汽车尺寸5500×2400×3300mm。采用壳单元模拟车辆的保险杠和车头，保险杠和车头的壳单元厚分别为6mm和4mm，进行网格划分时均为护栏侧网格较密，转折处网格细化，四周网格逐渐变大。车轮组件、集装箱和车架均采用实体单元的形式模拟，车轮组件采用映射网格划分；集装箱采用自由网格划分，尾部进行合理细化；车架采用自由网格划分。建立的汽车模型以及护栏-汽车的耦合模型图如图1所示。
图1护栏-汽车的耦合有限元模型图
2.2建立护栏体系模型
参考某大桥护栏结构的施工图建立有限元分析模型，护栏体系的正面尺寸及立面尺寸分别见图2（a）和（b），结构成分主要有护栏横梁、钢立柱、钢立柱混凝土底板。
图2护栏体系的正面及立面尺寸图
（1）护栏横梁模型。建立模型时可将护栏横梁作为均质连续圆管，按照横梁截面中心尺寸（准为117.25mm）建模，用横梁护栏壳单元（厚7.5mm）模拟，布置三根护栏横梁（横梁间距350mm）。在护栏横梁圆周上以映射网格的方式划分16个单元，横梁长度方向均匀划分。为精确计算车辆碰撞道路桥梁的动力特性，在划分中间跨护栏网格时应较密，以25mm间距较为适宜，两段跨护栏网格间距可适当加大。（2）立柱模型。将立柱U型槽钢看作上下大小一样、尺寸均为150mm的结构，立柱竖板尺寸930×200×7mm，将槽钢和竖板以壳单元（尺寸为7mm）模拟。立柱底板尺寸240×200×20mm，以实体单元形式模拟，网格间距25mm。立柱结构以映射网格的形式划分，网格尺寸25mm。最后使用merge指令将立柱和底板结构相连接，建立立柱的有限元模型。（3）防阻块模型。防阻块尺寸为250×100×10mm，以壳单元（厚10mm）的形式模拟，以映射网格的形式划分防阻块，网格间距25mm，在本文中将防阻块划分为3个单元。（4）立柱混凝土基座模型。立柱系统的建模使用实体单元的形式，基座尺寸500×200mm，截面为一个梯形和矩形，梯形斜边坡度1：1。把节点以六面体单元形式划分，中间处网格应较两端处网格密一些。在护栏体系中，横梁与防阻块、立柱与立柱混凝土底座均以焊接形式连接，因此在建立模型中可分别将横梁模型与防阻块模型、立柱模型与立柱底座模型使用tie命令相连，使其具有相同的6个自由度；防阻块与立柱以高强锚栓的形式相连，可将防阻块模型与立柱模型的单元节点采用tie命令相连，保证两者连接处自由度变形协调。将护栏横梁模型、钢立柱模型、防阻块模型和立柱混凝土底座模型组合，得到道路桥梁工程护栏结构的有限元模型图，见图3。
图3护栏系统有限元模型图
护栏体系使用Q345C的结构钢材，使用混凝土规格为C50，护栏体系的主要材料参数为：弹性模量2.05×105MPa；密度7.85×106g/m3；泊松比0.3。采用线弹性本构关系计算。
3有限元分析结果
在本文中，我们主要分析汽车模型以22.2m/s的碰撞速度在不同碰撞角度条件下碰撞护栏中部引起的护栏体系的变形情况。我们根据以20°碰撞角度撞击钢护栏的Mises应力云图发现，护栏横梁的受力和变形主要集中在中间段横梁部位，护栏横梁跨中具有比较大的应力。碰撞速度相同时，碰撞角度下的碰撞情况引起的护栏横向位移也有较大的差别，本文中以护栏的中间横梁段作为对象研究护栏在不同碰撞角度下的横向位移情况，以中跨以及相邻跨部分为连续路径画出t=0.35s时各工况沿路径的位移曲线图，如图4所示。我们分析图得知，护栏中间段横梁横向位移与碰撞角度具有一定的关系，碰撞角度越大则横梁横向位移越大。不同碰撞角度下立柱和支托的最大应力与碰撞角度有近似正比的关系，碰撞角度越大，则最大应力越大，其中支托与立柱相比，前者的最大应力比后者的大。按照Q345结构钢3.45×108Pa的初始屈服应力计算，当角度在20°时支托部件就已经进入了塑性阶段，而当角度为45°时立柱才开始进入塑性阶段。
图4各工况沿路径的位移曲线
结语
近年来桥梁护栏的景观要求越来越受到人们的重视，本文以某市滨河东路贯通工程襄汾段城北汾河大桥为工程背景进行了机非分隔带护栏的型式选择，并对该桥机非分隔带钢护栏的薄弱部位进行了设计验算。以期为今后类似的桥梁护栏设计提供一点思路，为人们创造更加美观舒适和安全快捷的出行条件。目前我国钢护栏的研究还在不断地完善之中，待桥梁建成通车后，笔者将对实际的运营效果和事故数据进行跟踪调查，并对设计方案和参数进行必要调整，使得护栏的设计更加合理。
参考文献:
[1]赵晓娟.阳左高速公路护栏设计[J].山西交通科技，2013（3）：34-36.
[2]交通部公路科学研究院.JTGD81—2006公路交通安全设施设计规范[S].北京：人民交通出版社，2006.
论文作者:周少炳,霍猛
论文发表刊物:《防护工程》2018年第24期
论文发表时间:2018/11/30
标签：护栏论文; 横梁论文; 立柱论文; 模型论文; 网格论文; 螺栓论文; 单元论文; 《防护工程》2018年第24期论文;