江苏交科交通设计研究院有限公司 江苏淮安 223001
摘要：随着我国现代化建设的不断推进，我国公路事业也突飞猛进。公路护栏作为公路重要的安全设施，是事故车辆在高速公路上的最后一道防线，对高速公路的安全运营至关重要。钢筋混凝土护栏因其刚度大、车辆不易穿越或翻越等显著的优越性而被应用。但其重量载荷大、混凝土保护层易剥落、钢筋易锈蚀，长期使用护栏的安全防护性能大大降低，从而限制了钢筋混凝土护栏的广泛应用。玻璃纤维增强筋（GFRP），具有较强的抗腐蚀性、耐久性。因此文章提出一种新型GFRP筋混凝土护栏的设计思路，并对其应用进行了仿真，仿真结果表明，该护栏的安全性能符合规范要求。
关键词：道路交叉口；安全护栏；设计；应用
道路交通安全设施包括：信号灯、交通标志、路面标线、护栏、隔离栅、照明设备、视线诱导标和防眩设施等，护栏，这里说的是指工业用“防护栏”。护栏主要用于住宅、公路、商业区、公共场所等场合中对人身安全及设备设施的保护与防护，护栏在我们生活中处处可见，护栏根据高度的不同，每米长度的价格也会不同。目前，市场上现有的护栏在使用过程，结构比较简单，所以导致稳定性不高，当遇到交通事故时容易造成损坏的情况，大大降低了安全性，不能满足使用者的需求。传统的钢筋混凝土护栏因其刚度大、车辆不易穿越或翻越等显著的优越性而被应用。但其重量载荷大、混凝土保护层易剥落、钢筋易锈蚀，长期使用护栏的安全防护性能大大降低，从而限制了钢筋混凝土护栏的广泛应用。近年来玻璃纤维（GFRP）筋材料取得了快速发展，与普通钢筋相比较，GFRP筋有着优异的力学性能：高承载能力，抗拉能力强，杆体强度是同等直径钢筋的2倍，但质量只有钢筋的1/4；弹性模量稳定，约为钢筋的1/3~2/5；热膨胀系数比钢筋更接近水泥；耐腐蚀性能好，适合在腐蚀环境中使用。因此GFRP筋轻质、高强、耐腐蚀的优点使其成为替代钢筋开发新型混凝土护栏的首选材料。
一、GFRP在建筑中的应用及应用参数
GFRP具有较强的抗腐蚀性、耐久性强、强度高、整体性好以及其热膨胀系数与混凝土更为接近等特征，GFRP筋及其制品常应用在桥梁结构、岩土锚杆支护、盾构进出洞口的围护桩、连续墙配筋以及盾构穿越工程和连续配筋混凝土路面等项目工程中。用GFRP筋笼代替钢筋笼，应用于地铁站台的混凝土结构中，承载力可以满足要求，同时具有在盾构开挖中可以被切割优点，有效减少盾构机器的损伤，可以大幅加快后期施工速度，避免由于人工破筋施工的危险性，综合经济效益显著，也避免了可能的电磁干扰。同时针对其抗腐蚀特性也常被应用于一些特殊场所如桥面板、停车场、储存盐的设施、海堤、水产养殖、化工厂中的混凝土结构、游泳池等。GFRP筋材与混凝土、水泥砂浆等粘结材料的粘结强度都是影响结构使用的最重要因素，GFRP 筋一般不可以用于预应力结构，用于预应力结构中的应力水平不可以大于20%。
二、GFRP筋混凝土护栏结构设计
混凝土护栏主要应用在桥梁上，综合护栏安全性能、施工方便性等因素，确定GFRP筋混凝土护栏结构设计参数。
（一）防护等级确定
确定护栏的设计防护等级是确定护栏结构参数的基础。《公路交通安全设施设计规范》（JTGD81—2017，以下简称《设计规范》）对桥梁护栏防护等级的选取进行了规定。可知《设计规范》中规定的常用桥梁护栏的最高防护等级为SS级，也是目前高速公路桥梁路段最常用的防护等级，作为此次GFRP筋混凝土护栏的设计防护等级。
（二）护栏坡面
混凝土护栏坡面主要分为基本型、直壁式、单坡型、改进型（F型）和加强型。基本型坡面在高速碰撞下容易导致车辆内翻；直壁式坡面在车辆碰撞护栏后车辆所受冲击加速度最大；单坡型坡面结构景观效果较为呆板，同时通过计算机仿真计算和实车足尺碰撞试验可知，单坡型坡面在超过80km/h碰撞速度时易发生车辆内翻现象；加强型坡面在坡面上部增加阻爬坎难于施工。以上四种坡面各有不足，而改进型坡面作为规范规定的一种混凝土坡面，相比于基本型而言，减小了车辆内翻概率；相比于直壁式而言，降低了冲击加速度；相比于单坡型而言，其景观及缓冲效果更佳；相比于加强型而言，施工方便。因此在GFRP筋混凝土护栏中选用改进型坡面。
（三）护栏有效高度
混凝土护栏墙体有效高度指路面以上的护栏墙体高度。《设计规范》规定设计防护等级为SS级的混凝土护栏，其最小高度为110cm。根据计算机仿真和以往实车足尺碰撞试验数据，高度为1m的混凝土护栏可通过SS级实车足尺碰撞试验，但按照《设计规范》取设计护栏墙体有效高度为1.1m偏于安全。综上分析，GFRP筋混凝土护栏的路面以上有效高度为1.1m，具有一定的安全储备。
（四）护栏宽度
混凝土护栏的宽度是影响混凝土墙体强度和刚度的重要参数，墙体越厚则强度和刚度越大，但是其重量也越大，对桥梁形成永久重量荷载。《公路交通安全设施设计细则》（JTG/TD81—2017，以下简称《设计细则》）推荐规定SS级混凝土护栏墙体厚度要求达到52.5cm，这会造成混凝土结构庞大。若能通过研究降低混凝土墙体宽度，可有效减少桥梁主体负荷。基于以往混凝土护栏设计经验和参照已经过实车碰撞试验检验的混凝土护栏结构，取GFRP筋混凝土护栏的总宽度为43cm，顶部宽度为21.5cm。
综上分析，GFRP筋混凝土护栏结构设计方案为护栏防护等级设定为SS级，迎撞面采用改进型坡面，背部为直线型，护栏有效高度为1.1m，底部宽度为430mm，顶部宽度为215mm。
图1 GFRP筋混凝土护栏结构（单位：mm）
三、应用仿真
（一）护栏仿真模型及验证
在护栏仿真模型中，加强筋设置为弹塑性材料并采用Mat3号材料卡模拟，单元类型为线单元；混凝土设置为脆性材料并采用 Mat159 号材料卡模拟，单元类型为六面体实体单元。采用台车试验和实车试验两种手段对钢筋混凝土结构仿真参数的准确性和可靠性进行验证。仿真结果表明，护栏仿真裂纹和试验裂纹结果一致，混凝土结构破坏情况仿真结果和试验结果一致，验证了仿真模型的准确性。
（二）计算机仿真分析
参考相关标准和规范，对SS级GFRP筋混凝土护栏进行碰撞仿真，安全评价标准满足《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05- 01—2013）中第 4.1 节的要求。采用经实车足尺碰撞试验校核的计算机仿真模型，用LS- DYNA显式有限元程序计算求解，对GFRP筋混凝土护栏进行评估。
1.护栏阻挡
车辆碰撞仿真中，可见车辆碰撞护栏过程中行驶姿态良好，车辆没有穿越、翻越或骑跨护栏，护栏的阻挡功能满足评价标准的指标要求。
2.护栏缓冲功能
小客车碰撞护栏时，乘员在碰撞时刻纵向速度和横向速度分别为3.7 m/s、7.6 m/s，满足评价标准小于12m/s 的指标要求。碰撞后乘员加速度纵向和横向分量分别为109.4 m/s2、133.7 m/s2，满足评价标准小于200 m/s2的指标要求。
3.护栏导向功能
可见小客车在 10 m内，大客车和大货车在 20 m 内，没有越过导向驶出框边界线，行驶轨迹满足评价标准对导向驶出框的指标要求。
由上面的分析可知，车辆碰撞 GFRP 筋混凝土护栏的各项指标均满足评价标准的指标要求。
综上所述，文章提出了一种新型的GFRP 筋混凝土护栏设计方案，并采用计算机仿真对 GFRP 筋混凝土护栏进行安全性能评估，结果表明，GFRP 筋混凝土护栏可对小客车、大客车、大货车进行有效的防护，防撞等级达到 SS 级。
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论文作者:成明轩
论文发表刊物:《防护工程》2019年第6期
论文发表时间:2019/6/21
标签：护栏论文; 混凝土论文; 钢筋论文; 车辆论文; 墙体论文; 防护论文; 结构论文; 《防护工程》2019年第6期论文;