摘 要：为提升一些特殊危险路段公路护栏对于大型车辆的防护能力，依据相关标准及规范规定，结合经实车碰撞试验验证的某三横梁组合式桥梁护栏结构，通过优化施工方便性与经济性，提出一种三横梁组合式护栏优化结构，并采用有限元仿真的技术手段，对其安全防护性能进行分析，结果表明：优化结构具有与通过碰撞试验验证的桥梁护栏相当或略优的安全性能指标，防护等级可达到HA级。研究结果能够在特殊危险路段对大型车辆形成良好防护，可有效降低由于大型运输车辆穿越或翻越桥侧护栏坠落桥下的事故严重程度。
关键词：桥梁护栏；实车碰撞试验；防护等级；计算机仿真；安全性能
0 引言
在高速公路建设过程中，存在一些特殊危险路段，如跨越或途经饮用水源、高速铁路、加油站等路段，这些危险路段需要进行特殊防护。2013年底，《公路护栏安全性能评价标准》（JTG B05-01—2013）（以下简称《评价标准》）颁布，将公路护栏的最高等级从SS级提高到HA级，极大提高了对特殊危险路段大型车辆的防护能力。某三横梁组合式护栏通过实车碰撞试验验证防护能力达到了HA级，但是其加工和施工较为困难。以通过碰撞试验的HA级三横梁组合式护栏为基础，建立有限元计算机仿真模型，通过实车碰撞试验对仿真模型的准确性进行验证后，研究得到三横梁组合式护栏优化结构。
1 规范规定
1.1 防护等级
为提高公路护栏在特殊危险路段的安全防护水平，2013年12月交通运输部颁布了《评价标准》。《评价标准》的表3.0.1提出护栏标准段、护栏过渡段和中央分隔带开口护栏的防撞等级按设计防护能力划分为八级（见表1）[1]，相对于原来的设计标准在《评价标准》中增设了HB级与HA级高防护等级，这两种等级的护栏要求采用1.5 t小客车、25 t大客车、40 t整体货车和55 t拖头货车对护栏进行系统碰撞分析（见图1），大幅度提高了公路护栏对大型车辆的安全防护能力。
表1 护栏的防护等级[1]
图1 HB与HA级护栏规定碰撞车型
1.2 碰撞条件
《评价标准》对护栏不同防护等级对应的碰撞条件规定，HA级护栏碰撞条件见表2。
2 某三横梁组合式桥梁护栏及优化方案
2.1 某三横梁组合式桥梁护栏
图2为经碰撞试验验证防护等级达到HA级的某三横梁组合式桥梁护栏基本结构[2-4]：护栏总高1.5 m；混凝土基座高550 mm，底宽500 mm，迎撞面采用改进型F坡面形式；上部金属梁柱结构高950 mm，由横梁、立柱组成，横梁呈上、中、下三排分布，横梁净间距为220 mm，下横梁中心距混凝土基座顶面210 mm；立柱为人字形，由Q345B材质钢板焊接而成，立柱中心线间距为2 m；预埋螺栓型号为M30，锚固深度为430 mm。
表2 HA级护栏碰撞试验条件[1]
图2 某三横梁组合式桥梁护栏基本结构（单位：mm）
该三横梁组合式桥梁护栏防护等级达到HA级，对于特殊危险路段大型车辆具有良好的防护效果，但是在实际工程应用中发现该护栏存在一些问题（见图3）：立柱粗大，不符合“强梁弱柱”的设计理念；立柱不易加工，产生废料，经济不佳；立柱安装较为困难，施工费用高；不通透，景观效果不佳。可见三横梁组合式桥梁护栏还具有较大优化空间。
图3 立柱加工和安装困难
2.2 优化方案
为提升上述三横梁组合式桥梁护栏施工方便性和经济性，基于这种结构进行优化设计，提出三横梁组合式桥梁护栏优化方案，如图4所示，可见优化方案在原三横梁组合式桥梁护栏的基础上仅将立柱改为斜H形立柱，并保持其他结构参数不变，其设计理念符合“强梁弱柱”的原则，同时这种立柱形式更易加工和安装，且节省了材料量，又具有良好的抗弯性能和景观效果。
图4 三横梁组合式桥梁护栏优化结构（单位：mm）
3 优化方案规范符合性分析
根据相关规范规定，针对三横梁组合式桥梁护栏优化方案的护栏高度、混凝土墙体坡面形式、金属梁柱结构底部连接及横梁净距分别进行规范符合性分析。
3.1 护栏高度
《公路交通安全设施设计细则》（JTG/T D81—2006）（以下简称《设计细则》）对于HA级的桥梁组合式护栏高度尚未给出明确规定，根据理论分析和以往多次实车试验验证，优化方案护栏高度采用1.5 m具有合理性，能够保证护栏的安全防护性能，因此符合规范要求。
3.2 混凝土墙体坡面形式
根据《设计细则》第5.4.4条规定，组合式护栏的混凝土部分推荐采用改进型F坡面，如图5所示，未经试验验证，不得随意改变护栏迎撞面的截面形状[5]。优化方案护栏混凝土墙体采用改进型坡面，符合规范要求。
3.3 金属梁柱结构底部连接
金属梁柱结构与混凝土墙体通过地脚螺栓连接，两者连接强度不仅与地脚螺栓强度有关，还与混凝土对地脚螺栓的锚固深度有关。优化方案采用的10.9级M30高强螺栓及其预埋深度均符合《地脚螺栓（锚栓）通用图》（HG/T 21545—2006）行业规范要求，且该螺栓强度及预埋深度可靠性已经过碰撞试验验证。
图5 组合式护栏推荐坡面形式（单位：mm）
3.4 横梁净距
根据《设计细则》第5.4.1条引入的美国桥梁护栏几何尺寸的新标准规定，与立柱的退后距离对应的横梁之间的净距宜位于如图6a所示的阴影区以内或以下；与立柱的退后距离对应的横梁的总高度之和与立柱高度之比宜位于如图6b所示的阴影区以内或以上。优化方案护栏横梁之间的净距与立柱的退后距离均位于如图6a所示的阴影区内三角形位置，可见属于优选方案；同时优化方案与立柱的退后距离对应的横梁的总高度之和与立柱高度之比均位于如图6b所示的阴影区内三角形位置，属于可选方案。综上所述，优化方案横梁净距符合规范要求。
通过与相关规范对比分析，优化方案护栏总高度、混凝土墙体坡面形式、金属梁柱结构底部连接、横梁净距均符合规范要求。
图6 桥梁护栏构件规格和设置位置的选取标准[5]
4 优化方案安全性能评估
从安全角度出发，采用经实车碰撞试验验证的计算机仿真模型对优化方案护栏安全性能进行评估。
4.1 评估指标
根据《评价标准》规定，对护栏进行安全性能评估的指标包括阻挡功能、缓冲功能和导向功能，以下为具体说明：
（1）阻挡功能指护栏应阻挡车辆穿越、翻越和骑跨，护栏构件及其脱离碎片不得侵入车辆乘员舱[1]。
（2）缓冲功能指乘员碰撞速度的纵向与横向分量均不得大于12 m/s，乘员碰撞后加速度的纵向与横向分量均不得大于200 m/s2[1]。
（3）导向功能指车辆碰撞护栏后不得翻车，运行轨迹在如图7所示的导向驶出框内不得越过直线F，其中参数A和B的取值规定见表3[1]。
图7 车辆运行轨迹要求
4.2 评估方法
根据评估指标，按如图8所示的评估路线对三横梁组合式桥梁护栏优化方案的安全防护性能进行评估。
4.3 仿真模型可靠性验证
图9为四种车型碰撞过程的仿真与试验对比图，可以看出仿真与试验的四种车型行驶姿态基本相同，从车辆行驶姿态角度验证了仿真模型的准确性。
表3 参数A和B的取值
注：表中Vw代表车辆总宽，VL代表车辆总长。
图8 评估路线图
图9某三横梁组合式桥梁护栏碰撞过程仿真与试验对比
图10 为四种车型碰撞后某三横梁组合式桥梁护栏变形的仿真与试验结果对比图，可以看出护栏整体变形情况相似，从护栏变形角度验证了仿真模型的可靠性。
图10 某三横梁组合式桥梁护栏变形的仿真与试验结果对比
建立的计算机仿真模型通过与大量碰撞试验数据进行对比验证，表明仿真模型具有较高的准确性和可靠性，为三横梁组合式桥梁护栏优化方案的安全性能评估奠定了基础。
4.4 护栏安全性能评估
采用经实车碰撞试验验证的高精度计算机仿真模型对优化方案护栏进行仿真碰撞分析[6-9]，并将得到的仿真结果与某三横梁组合式桥梁护栏仿真结果进行定性对比，以评估优化方案的安全性能。
表4为四种车型碰撞优化方案模型及某三横梁组合式桥梁护栏模型过程，可见优化方案护栏具有良好的阻挡功能，通过对比，可见与某三横梁组合式桥梁护栏性能相当，车辆均平稳驶出，没有出现穿越、翻越和骑跨护栏现象，碰撞后车辆恢复到正常行驶姿态。
表5为小客车碰撞优化方案护栏及某三横梁组合式桥梁护栏的乘员碰撞速度与乘员碰撞后加速度的仿真结果对比，可见两种护栏形式均满足评价标准对乘员碰撞速度不得大于12 m/s及乘员碰撞后加速度不得大于200 m/s2的要求。通过对比可见优化方案护栏的缓冲功能优于某三横梁组合式桥梁护栏，说明优化方案相对某三横梁组合式桥梁护栏在保持横梁刚度不变的情况下，通过适当降低立柱刚度使护栏缓冲功能有所提升，同时也验证了“强梁弱柱”设计理念的合理性。
表4 车辆碰撞护栏过程对比
表5 小客车碰撞护栏加速度值对比
表6为四种车型碰撞优化方案护栏与某三横梁组合式桥梁护栏的行驶轨迹图，可见车辆碰撞护栏后行驶轨迹均满足评价标准对导向驶出框的要求，同时通过对车辆行驶轨迹进行对比分析，可以看出优化方案护栏与某三横梁组合式桥梁护栏的导向功能基本相当。
表7为大型车辆碰撞后优化方案护栏与某三横梁组合式桥梁护栏的上部钢结构变形情况对比，可以直观地看出优化方案护栏上部钢结构变形比某三横梁组合式桥梁护栏更加平顺，再次验证了“强梁弱柱”设计理念的合理性。
以上仿真结果分析表明，优化方案护栏均具有与通过碰撞试验验证的某三横梁组合式桥梁护栏相当或略优的安全性能指标，防护等级可达到HA级；优化方案符合“强梁弱柱”的设计理念是其安全性能指标优于通过HA级碰撞试验护栏结构
表6 车辆碰撞护栏过程行驶轨迹对比
表7 碰撞后护栏上部钢结构变形情况对比
的主要原因。
5 结语
根据相关标准及规范规定，结合经实车碰撞试验验证的某桥梁护栏结构，提出三横梁组合式桥梁护栏优化方案，建立高精度计算机仿真模型，对优化方案进行安全性能评估，结果表明三横梁组合式桥梁护栏的防护等级达到HA级，可对特殊危险路段大型车辆进行有效防护，能够有效降低由于大型运输车辆穿越或翻越桥侧护栏坠落桥下的概率，可在实际工程中推广应用。
