摘要：本文在明确建模和计算方法可靠的基础上，对现有按照《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）设计的4m立柱间距中央分隔带宽度为1.5米的A级波形梁护栏，提出一种门型中央分隔带半刚性护栏构造，将原有护栏提升至《公路安全防护设施设计规范》（JTG D81-2017）规定的A级防护水平的改造方案，充分利用两道护栏，并进行了计算机模拟碰撞试验，分析提升改造方案的防护性能，并进行经济性分析。结果表明：（1）方案符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的各项评价标准要求，其安全性均满足要求；（2）提升改造方案比拆除原有护栏新增《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）A级中央分隔带波形梁护栏经济性好，与新设护栏相比，新增用钢量节省41.41%，成本节约29.27%；（3）提升改造方案可应用于原有防阻块型中央分隔带波形梁护栏改造，在路面加铺后可继续使用。综合经济性和技术性比较分析，推荐其作为改造方案，经实车碰撞试验验证后可作为改造措施进行示范应用。
关键词：中央分隔带；波形梁护栏；提升改造；有限元
[中图分类号] U417.1 [文献标识码] B 文章编号：
0引言
目前我国高速公路中央分隔带大部分为分离式波形梁护栏，两侧护栏未有效连接成为一个整体，大大削弱了其防护性能。一旦车辆穿越中央分隔带护栏跨越到对向车道，其事故严重程度将远远大于路侧的单车事故，极易引起严重的二次事故。因此，开发一种充分利用两道护栏的门型中央分隔带半刚性护栏有重大意义。笔者选取按照【文献1】设计的4m立柱间距、中央分隔带宽度为1.5米的A级波形梁护栏作为研究对象，通过改变护栏装配构件，参照【文献2】中A级试验碰撞条件[2]，运用大型有限元程序LS-DYNA，进行计算机模拟碰撞试验，以确定改造方案防护能力能否达到【文献3】规定的A级水平，并对满足条件的方案进行经济分析，从中选取最优方案。
1 计算精度分析
目前，LS-DYNA在解决汽车碰撞护栏这类复杂问题中得到了越来越多的应用，其精度已经得到了广泛的确认[6-7] [13-15]，可以为本文后续的研究工作提供有效支撑。
进行计算时，波形梁板、立柱和防阻块等薄壁金属构件采用Belytschko-Tsay壳单元模拟，其Q235钢材料选用多线性、弹塑性、各向同性硬化材料进行模拟，并通过Cowper-Symons模型考虑材料的应变率硬化效应，螺栓采用弹簧单元外包壳单元的方式处理，采用基于惩罚函数法的接触算法解决接触非线性问题[16]。
2 方案结构设计及安全性能分析
中分带波形梁护栏最不利结构，波形梁板厚度为3mm、立柱间距为4m、两侧护栏板的距离为1.0m[1]。
改造原则为保留原有护栏板、立柱等构件，通过新增门型立柱或套管，将中央分隔带两侧护栏连接起来，增强护栏的整体防护性能。
仿真试验中A级实车试验碰撞条件[2]：
② 中型客车10t，60km/h，碰撞角度20°；
③ 中型货车10t，60km/h，碰撞角度20°。
2.2改造方案结构设计及安全性能分析
考虑到现场中分带宽度的有限性，且部分道路中分带采用托架形式，继续进行优化，该方案由310mm×85mm×3mm波形梁板、φ114mm×4.5mm立柱、φ89mm×5mm横梁、200mm×70mm×100mm×6mm垫块、φ140mm×4.5mm门型外套管等组成，如下图所示。
图 2-1 高速公路中央分隔带门型护栏方案二
（1）小型客车计算机模拟碰撞试验
小型客车在不同时刻的行驶状况，具体情况详见下图。
图 2-2 小型客车运行轨迹
护栏XY向的最大动态变形，发生在节点45930176处，最大动态变形量为304.08mm，发生在0.17s，如下图所示。
图 2-3 护栏XY向变形位移云图
（2）中型客车计算机模拟碰撞试验
中型客车在不同时刻的行驶状况，具体情况详见下图。
图 2-4 中型客车运行轨迹
XY向的最大动态变形，发生在节点45628961处，最大动态变形量为707.93mm，发生在0.28s，对向护栏已经变形，XY向变形量为293mm，未影响到对向车辆行驶，如下图所示。
图 2-5 护栏XY向位移云图
（3）中型货车计算机模拟碰撞试验
运用LS-PrePost软件对计算结果进行后处理。下图列出了中型货车在不同时刻的行驶状况，具体情况详见下图。
图 2-6 中型货车运行轨迹
XY向的最大动态变形，发生在节点45630922处，最大动态变形量为444.24mm，发生在0.29s，对向护栏已经变形，XY向变形量为209mm，未影响到对向车辆行驶，如下图所示。
图 2-7 护栏XY向变形位移云图
综合以上三种车辆的碰撞仿真模拟测试结果，中央分隔带门型护栏对中型客车、中型货车和小型客车的阻挡功能、导向功能和缓冲功能均满足要求。
2.2方案经济性分析
当门型护栏方案用于护栏新建时，总用钢量为34.31kg/延米；当进行中央分隔带护栏改造时，选择拆除全部原有护栏，重新施工安装JTG/T D81-2017规范中推荐的Am级三波形梁钢护栏，则每延米用钢量为37.62kg。对比方案护栏的新增用钢量，与拆除原有中央分隔带护栏，与新设Am级三波形梁护栏相比可节省41.41%的用钢量。护栏采用热浸镀锌方式，按照重庆现行的材料到货价和安装价，与新设Am级三波护栏相比，可节约29.27%。
（1）安全性好：各项指标符合现行评价标准要求；
（2）经济性好：与新设护栏新增用钢量节省41.41%，成本节约29.27%；
（3）适用性好：可用于原有防阻块型和托架型护栏，能在路面加铺后使用；
（4）施工便捷性较好：立柱可打入施工，效率较高。
3结论
本文在明确建模和计算方法可靠的基础上，对现有按照《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）设计的4m立柱间距中央分隔带宽度为1.5米的A级波形梁护栏提出了一种提升至《公路安全防护设施设计规范》（JTG D81-2017）规定的A级防护水平的改造方案，并利用有限元分析方法进行了比较分析研究。结论如下：
（1）安全性好：方案符合《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）的各项评价标准要求，其安全性均满足要求；
（2）经济性好：提升改造方案比拆除原有护栏新增《公路交通安全设施设计规范》（JTG D81—2017）A级中央分隔带波形梁护栏经济性好，能节省用钢量和成本，与新设A级三波梁中分带护栏相比，新增用钢量节省41.41%，双侧成本节约29.27%，80元/延米；
（3）适用性好：提升改造方案可应用于原有防阻块型和托架型中央分隔带波形梁护栏改造，能在路面加铺后继续使用；
（4）施工便捷性较好：立柱可打入施工，效率较高。
综合经济性和技术性比较分析，推荐作为现有按照《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》（JTJ 074—94）设计的4m立柱间距中央分隔带宽度为1.5米的A级波形梁护栏提升至《公路安全防护设施设计规范》（JTG D81-2017）规定的A级防护水平的改造方案，经实车碰撞试验验证后可作为改造措施进行示范应用。
参考文献：
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论文作者:吴清高1,周琪1,卜倩淼2,张宏松2
论文发表刊物:《基层建设》2019年第9期
论文发表时间:2019/6/14
标签：护栏论文; 波形论文; 中央论文; 方案论文; 立柱论文; 公路论文; 交通安全论文; 《基层建设》2019年第9期论文;