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    高速公路中央隔離帶混凝土護欄案例

      高速公路中央隔離帶混凝土護欄模具是影響交通安全的主要設施之一,加強路側安全設施防撞能力,是降低事故危害的最有效措施。

      考慮事故救援、養護管理需要,我國高速公路一般2km 左右在中央分隔帶設置一處開口,并以活動護欄實現隔離,而活動護欄考慮“活動”需要,一般防撞能力較差,成為沿線護欄防撞能力最薄弱環節,大量中央分隔帶開口已對高速公路通行安全構成嚴重隱患。

    1.常用中央分隔帶開口活動護欄

      我國目前常用的中央分隔帶開口處活動護欄主要是插拔式活動護欄、伸縮式活動護欄、充填式活動護欄、整體推拉式活動護欄。我國現有高速公路上所用的活動護欄從使用性能上可以分為三大類: 第一類是易開啟和移動但不防撞的活動護欄; 第二類是有一定防撞能力但難以開啟移動的活動護欄; 第三類是具備一定定防撞能力、開啟移動較方便的護欄,但具有一定改進優化空間的活動護欄

    1.1易于開啟移動但不防撞的活動護欄

      拔式活動護欄(圖1)和推拉式活動護欄(圖2)是此類型活動護欄的典型代表。由于沒有任何防撞能力,這種護欄僅起到警示隔離作用。

    圖1掛撥式活動護欄

    圖2推拉式活動護欄

    1.2具有一定防撞能力但難以開啟移動的活動護欄

      擺放式混凝土活動護欄(圖3)和填充式活動護欄(圖4)是這類護欄的代表形式。這類護欄靠自重具有一定的防撞能力,但由于端部和分節連接處未做合理處理,開啟移動困難,亦沒有達到新規范所規定的防撞等級要求。

    圖3擺放式混凝土護欄

    圖4填充式活動護欄

      還有些路段為了提高活動護欄的防護能力,對原有不防撞的活動護欄采取了加強措施,如在推拉式或插拔式活動護欄兩側用波形梁加強,或者在兩排活動護欄之間增加一道預制混凝土護欄,或者將活動護欄拆除,直接用波形梁代替。這些做法就使活動護欄失去了易開啟的功能,已經不能稱為活動護欄。實際上,這些護欄的防護能力也不確定,有些加固辦法既損失了易開啟的功能,其防護能力并沒有改變(圖5)。

    圖5活動護欄加固措施

    1.3具有具有一定防撞能力可以開啟移動護欄

      北京中路安交通科技有限公司新研制出鋼管預應力索防撞活動護欄,該護欄具有Am級160kJ 防撞能力,且移動靈活。鋼管預應力索活動護欄由于防撞能力高,開啟移動方便,可以和波形梁中分帶護欄實現無縫連接,使得其在高速公路上得以推廣使用,如圖6所示。

    圖6鋼管預應力索活動護欄實際應用照片

      但仍具有以下幾點需要完善優化: 由于加工工藝復雜,因此成本造價高,需要進一步優化結構,降低成本; 目前與中分帶波形梁護欄連接較好,需要對端部結構做專項研究,使其能夠與不同形式的中分帶護欄無縫連接。

    2.常用活動護欄存在問題

      常規活動護欄都采用輕體鋼結構形式,以降低自身重量,實現快速開啟、移動的要求,但正因此導致護欄防撞能力顯著不足:

      (1)碰撞過程中護欄的導向能力不足。失控車輛碰撞護欄過程中,若護欄具有良好的導向能力,能夠有效吸收碰撞能量,引導車輛行駛軌跡,減小發生二次碰撞的可能性,降低事故損失。由于與常規護欄的截面形式不同,活動護欄的導向能力尚未得到實驗驗證。

      (2)碰撞接觸面小,對車輛不利。國內現有活動護欄大多為欄桿式,這樣車輛與護欄碰撞中將形成護欄的線或點與汽車接觸,相對常規護欄(波形梁護欄和混凝土護欄)碰撞接觸面積很小,造成局部受力集中,勢必增加對車輛損害。

      (3)欄桿式設計,防撞能力明顯不足。活動護欄多為欄桿式,中央分隔帶開口長度應大于50m,且隨著車輛尺寸的增長,很多時候還需要加長設計。長跨徑結構物被撞擊時,跨中彎矩很大,特別是未與地面有效連接時,難以將碰撞力傳遞給地面,最終導致防撞能力不足。

      (4)整體欄桿式護欄、充填式護欄與地面基礎間的連接方式不好處理。國內部分廠家,為提高欄桿式護欄的防撞性能,在護欄上增加波形橫梁,但因與地面基礎上未能有效連接,抗傾覆能力太差,汽車碰撞時,會在波形梁板未能彎曲、延展吸能的情況下整體傾倒,即使用螺旋連接,拆裝需要一定的時間,會大幅影響救援效率。

      (5)活動護欄采用的構件和材料與基本路段所采用的護欄形式不一致,導致護欄的養護和事故(或損壞)后維修困難。如預應力拉桿護欄需要專門的預應力拉桿,而且維修時需要專門的預應力張拉設備。

      (6)活動護欄與固定護欄形式不一致,二者端部結合處理比較困難,難以形成平順的、能有效進行碰撞力傳遞的結合體,尤其是在護欄與地面基礎不能有效連接的情況下,活動護欄與固定護欄間的連接處將成為應力集中點,目前的連接方式絕大情況下并不能滿足防撞性能要求。

    3.中央分隔帶開口混凝土活動護欄

      本文提出了混凝土活動護欄,如圖7所示,充分發揮混凝土護欄的高防撞能力特征,并通過設置升降移動裝置實現護欄的快速開啟和移動。

    圖7混凝土活動護欄示意圖

      平時混凝土塊落地,當需要移動時,升降裝置將混凝土塊升起,移動裝置落地,在外力推動( 人力即可)下實現混凝土塊體的移動(如圖8) ,一個人即可推動,速度可達 0.4m/s。移動時護欄的方向控制也比較靈活,可做小角度轉圈,也可繞一端輕松旋轉。但推動時注意主要施力端應在萬向輪所在的混凝土端。

    圖8混凝土護欄移動圖

      為增加護欄整體防撞能力,對混凝土塊之間的連接形式也進行了系列改進。如圖9所示。

    圖9混凝土活動護欄連接形式

      護欄端頭設置U形連接環,并通過錨桿連接在一起,同時錨桿插入地下預留孔內。從而即保證了混凝土塊間協同受力,也實現了混凝土塊體與地面間的有效連接,大幅增大了混凝土塊體抗傾覆和抗水平移動能力。

    4.混凝土活動護欄防撞能力

    4.1模擬碰撞實驗

      在LS-DYNA仿真試驗中,護欄有限元模型按1:1建立,單個護欄長度2m,總長 24m。大客車模型按照實體模型建立,車輛行駛系統參照真實車輛設定,保證行駛軌跡符合現實情況。

      車輛碰撞混凝土護欄后,車輛沒有發生穿越、騎跨護欄現象,駛出角度接近0°小于駛入角度 20°的 60;碰撞后車輛行駛姿態正常,沒有發生橫轉、絆阻; 車輛前保險杠與護欄接觸長度 6m,T=170ms 時,車輛在垂直與護欄方向發生最大位移,車輛損壞情況如圖10。混凝土護欄峰值加速度為8.2g,x、y、z 三個方向加速度均為超過規范要求。

    圖10碰撞模擬實驗圖

    4.2重錘沖擊碰撞實驗

      我們設計了重錘擺式沖擊實驗,重錘質量3t,撞擊時速度9m/s,碰撞后結果如圖11所示。

    圖11重錘擺式沖撞試驗結果

      通過i-SPEED Control Software對碰撞的視頻資料進行測距得到護欄最大變形為423.9mm,殘余變形224mm。說明護欄有效攔截了重錘沖擊,達到了Am級防撞能力要求。

    5.結論

      我們在分析常規中央分隔帶開口活動護欄不足基礎上,提出了水泥混凝土活動護欄設計方案。并進行了模擬碰撞仿真實驗和重錘沖擊實驗證明了其防撞能力達到了Am 級防撞能力要求。


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