摘要：根据现有桥梁段防撞护栏应用情况，综合考虑护栏安全性、景观性、通透性、基础连接可靠性、经济性，本文设计开发出一种新型混凝土型钢结构组合式桥梁护栏，并采用计算机高精度有限元仿真技术手段进行方案制定及优化设计，经碰撞试验检测后，证明该结构护栏防护等级可达到六级（SS），能够对车辆进行有效防护，且各项安全性能评价指标均满足现行标准。
关键词：混凝土型钢结构组合式、仿真分析、实车足尺碰撞试验。
0 前言
桥梁护栏主要作用是避免事故车辆冲出桥外或驶入对向桥梁段行车道，降低乘员受伤程度，并兼顾视线诱导、景观效果等作用。本文设计出一种新型混凝土钢结构组合式桥梁护栏，全面应用计算机高精度仿真技术手段对护栏性能进行初步验证，并在此基础上进行改进，最后采用国际公认的实车足尺碰撞试验方法检验其安全防护性能。
1 护栏结构形式设计
新型混凝土钢结构组合式桥梁护栏结构由下部混凝土墙体及上部三横梁型钢结构组成，下部混凝土结构主要作用确保小型车辆碰撞的安全性及与桥梁基础连接的可靠性，上部三横梁型钢结构作用主要提升大、中型车辆碰撞的安全性。考虑桥梁主体的安全性及后期维护的方便性，设计护栏下部为混凝土墙体结构，同时混凝土墙体便于上部型钢结构的安装及支撑。考虑到景观性及视野通透性，上部型钢横梁设为三层。参照我国现行行业标准《公路护栏安全性能评价标准（JTG B05-01-2013）》【1、2】（以下简称《B05》）对六级（SS）护栏安全性能评价过程的实车碰撞条件规定的相关参数指标，设计新型混凝土型钢结构组合式桥梁护栏如图1所示。护栏总高度1.5，下部混凝土墙体高度0.4m，上部型钢横梁高度1.1m，下部墙体最大宽度0.5m，设置坡面7°有利于提升小型车辆碰撞过程的缓冲性能。上部型钢结构采用梁柱式，截面“H”型结构，采用12mm厚钢板焊接，横梁采用6mm厚160×120矩形型钢，横梁按照图示布设空间，有效避免乘员头部直接撞击护栏，同时提升司乘人员驾驶视觉性，立柱底板通过7根 螺栓与下部混凝土墙体连接。
2 计算机仿真计算
采用LS-DYNA971软件对六级（SS）混凝土型钢结构组合式桥梁护栏进行计算机高精度仿真计算。
2.1 仿真模型建立
仿真车辆模型为小型客车、大型客车及大型货车，建模时采取实车拆车建模，仿真误差控制在15%以内。护栏模型按照实际护栏结构形式建立，长度按照实车碰撞试验要求，设置为48m，螺栓部分采用梁单元等效简化方式处理，螺栓连接仿真中作刚性处理，护栏两头采用限制全自由度处理。下部混凝土墙体为刚性结构，做全刚性简化处理【3】。
2.2 计算机仿真结果
计算机仿真碰撞条件按照实车足尺碰撞试验碰撞条件设置，1.5t小型客车以100km/h速度碰撞护栏后，行驶轨迹如图2所示。护栏有效地防止了车辆冲出或越上护栏，车辆碰撞后沿混凝土坡面有一定爬升，并与底部横梁发生碰撞，未与中部及顶部横梁发生碰撞，从乘员碰撞速度指标分析，1.5t小客车重心处Y向值为5.8m/s，X向值为2.6m/s，均小于最大值12m/s，重心处碰撞后乘员加速度Y向值112m/s2，X向值52m/s2，均小于最大值200m/s2，车辆行驶轨迹满足导向驶出框要求。18t大型客车碰撞后行驶姿势平稳，行驶轨迹如图3所示。顶部第一及第二根横梁受力较大，立柱底部产生局部弯曲变形，碰撞过程中桥梁护栏最大横向动态变形值仅为15cm；从驶出轨迹看出，18t大型客行驶方向几乎于护栏平行，满足相关性能指标要求。33t大型货车碰撞后行驶姿势平稳，行驶轨迹如图4所示。顶部第一及第二根横梁受力较大，立柱底部产生局部弯曲变形，碰撞过程中桥梁护栏最大横向动态变形值仅为25cm；从驶出轨迹看出，18t大型客车行驶方向几乎于护栏平行，满足相关性能指标要求。
以上表明，新型混凝土型钢结构组合式桥梁护栏在防护能力的各项指标满足现行标准规范的要求，但是仿真结果并不能成为判定护栏是否合格的最终依据，并且护栏经过大型客车或大型货车碰撞后立柱底部均有较为明显的弯曲变形，具有一定的安全隐患，为此，在立柱底部增加加劲肋，下部混凝土预埋螺栓处增加垫板。根据上述分析对既有模型重新进一步优化改进后，经各种车辆碰撞仿真后，其上部型钢立柱根部受碰撞后的变形量明显减小，达到了方案设计和结构优化的目的。
3 实车足尺碰撞试验
实车足尺碰撞试验检测是目前国内国际内公认的评价护栏安全性能是否满足要求的唯一合法可靠手段。该新型混凝土型钢结构组合式桥梁护栏采用实车足尺碰撞试验方法，严格遵照现行规范《B05》对六级（SS）护栏的碰撞试验条件执行，对该护栏的防护性能指标进行合规性评价。
3.1 试验车辆及护栏
试验车辆使用：小型客车总质量为1495Kg，大型客车总质量为18150Kg，大型货车总质量为33185Kg；护栏设置长度为48m。
3.2 试验结果
根据现行标准《B05》对护栏安全防护性能指标规定，新型混凝土型钢结构组合式桥梁护栏实车足尺碰撞试验检测评价结果如表1所示。
本文设计的混凝土型钢结构组合式桥梁护栏经三车型实车足尺碰撞试验后，其试验结果及各项性能指标均满足《B05》相关要求，可合规应用于相应的桥梁路段，以提升对应路段的行车安全性。
结语
本文在充分考虑护栏对行车安全性的重要性以及护栏自身结构安全性、景观适应性、基础连接可靠性等综合因素，设计出的新型高等级混凝土型钢结构组合式桥梁护栏，其防撞等级达到六级（SS），通过综合应用高精度计算机仿真分析手段及权威实车足尺碰撞试验检测验证，结果表明该形式护栏满足现行标准规范的求，提升了道路行车安全程度及司乘人员的视觉舒适性。为我国大型桥梁用护栏结构形式提供方法参考及形式借鉴。
参考文献
[1] JTG D81-2017.公路交通安全设施设计技术规范[S].北京:人民交通出版社.
[2] JTG B05-01-2013.公路护栏安全性能评价标准[S].北京:人民交通出版社.
[3] 李勤策;龚帅;喻丹凤;杨福宇HA级三横梁组合式桥梁护栏设计优化-《城市道桥与防洪》-2017
论文作者:李姜伟
论文发表刊物:《基层建设》2019年第14期
论文发表时间:2019/7/26
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