波形梁护栏立柱承载能力研究

时间：2024-07-06

周翔海，陈卫霞，邓宝，闫书明，王新，刘思源，杨周妮

(1.湖北省交通投资集团有限公司，湖北武汉 430050；2.中交公路规划设计院有限公司； 3. 北京华路安交通科技有限公司)

波形梁护栏属于连续的梁柱式结构，立柱作为重要组成构件，沿公路纵向呈点状设置(图1)。在事故车辆碰撞护栏的过程中，最先接触的波形梁板通过波纹的展开变形吸收部分碰撞能量，并将剩余的碰撞能量分散作用到多根立柱上，最后通过立柱弯曲变形和土基压缩变形吸收剩余碰撞能量，从而迫使事故车辆改变方向，回到正常行驶状态。由此可见，立柱对波形梁护栏具有重要的支撑、吸能作用。

图1 波形梁护栏立柱

立柱承载能力大小直接影响波形梁护栏的安全防护性能，其主要与立柱自身的强度、刚度和基础埋置方式有关。该文将综合采用单元静载试验、单元仿真模拟及实车足尺碰撞试验技术，对立柱承载能力进行系统分析与可靠验证。

1 立柱结构形式与埋置方式

根据JTG/T D81-2017《公路交通安全设施设计细则》规定及实际工程应用情况，中国公路波形梁护栏立柱主要采用φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm3种结构类型，钢管立柱主要应用在一(C)级～三(A)级波形梁护栏结构中，方管立柱则主要应用在四(SB)级及以上波形梁护栏结构中。同时，波形梁护栏立柱埋置方式主要有打桩埋入式、混凝土加强式、钢套筒嵌入式和预埋法兰盘栓接共4种，如图2所示，其中，由于波形梁护栏主要应用在土路基上，打桩埋入式基础在中国波形梁护栏设置应用中最为广泛，属于土基础；针对在石方、挡土墙路段没有打桩条件时，可采用混凝土块加强式基础，钢套筒嵌入式和预埋法兰盘栓接式基础则主要应用在小桥、通道、明涵路段，亦属于混凝土基础。

图2 波形梁护栏立柱埋置方式

2 立柱承载能力单元试验初步分析

针对规范推荐的4种立柱埋置方式，开展单元静载试验，对立柱承载时的基础状态和变形状态进行分析，初步了解立柱充分发挥其承载力的特征。

(1) 打桩埋入式立柱单元试验

采用顶推法进行打桩埋入式立柱静力荷载单元试验，所用仪器设备为液压千斤顶推力系统和反力支撑结构。试验样品为φ140 mm×4.5 mm钢管立柱，按照规范规定的设置条件，土基压实度达到90%，边坡采用1∶1.5，立柱外侧土路肩保护层厚度为370 mm，打入土基深度为1 400 mm。在试验荷载下，立柱发生了倾斜变形，土基础为抵抗立柱变形发生了局部破坏，为更好地观测土基础里的立柱变形情况，将立柱挖出后发现立柱发生了折弯变形，如图3所示。

图3 打桩埋入式立柱单元试验样品与结果

(2) 混凝土加强式立柱单元试验

采用顶推法进行混凝土加强式立柱静力荷载单元试验，试验样品为φ140 mm×4.5 mm钢管立柱，土基压实度达到90%，埋入土基中的混凝土基础大小为60 cm(长)×60 cm(宽)×50 cm(高)，立柱处于混凝土基础中心位置，埋置深度为40 cm。在试验荷载下，立柱与基础作为一个整体倾斜变形，土基础为抵抗这种变形发生了局部破坏，立柱发生了折弯变形，如图4所示。

图4 混凝土加强式立柱单元试验样品与结果

(3) 钢套筒嵌入式立柱单元试验

采用钢丝绳牵引法进行钢套筒嵌入式立柱静力荷载单元试验，试验样品为φ114 mm×4.5 mm钢管立柱，置于模拟的条形混凝土基础中，混凝土基础内预埋套筒。在试验荷载下，混凝土基础没有损伤，立柱在路面位置发生了折弯，如图5(a)所示。同时，为了更直观考察立柱加强后混凝土基础的破坏情况，在φ114 mm×4.5 mm钢管立柱外套设φ127 mm×4.5 mm的钢管，大幅度提高钢管的刚度，且将混凝土基础设置于路面以上。在试验荷载下，加强后立柱没有发生明显变形，而混凝土基础发生了结构性破坏，如图5(b)所示。

图5 钢套筒嵌入式立柱单元试验样品与结果

(4) 预埋法兰盘栓接式立柱单元试验

预埋法兰盘栓接立柱是桥梁护栏最为常用的基础处理方式，由于桥梁结构刚度相对于护栏结构大得多，在单元试验中不再考察基础破坏形态，重点了解预埋法兰盘栓接式立柱变形状态。在专用试验场地中，将护栏立柱采用栓接方式进行固定后横置，采用吊车将重锤吊起一定高度后，脱钩坠落冲击护栏立柱，在重锤冲击荷载的作用下，立柱在螺栓连接上部发生了折弯，如图6所示。

图6 预埋法兰盘栓接式立柱单元试验样品与结果

根据以上试验结果可以看出：无论采用何种基础形式，护栏立柱的承载力若想得到充分发挥，在荷载作用下，立柱结构弯曲是一个主要体现形式。

3 立柱承载能力单元仿真模拟分析

采用基于有限元方法的计算机仿真模拟技术，对不同埋置方式的不同型号立柱承载能力做进一步分析。

(1) 打桩埋入式立柱单元仿真

建立打桩埋入式立柱静力荷载单元仿真模型，土基压实度设定为90%，立柱外侧土路肩保护层厚度均为370 mm，边坡为1∶1.5，土基中分别设置规格为φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm的3种立柱结构，埋置深度均为1 650 mm。图7为水平推力荷载作用后的仿真结果，由图7(a)可见：在相同推力荷载作用下，φ114 mm×4.5 mm钢管立柱折弯程度最大，折弯点距离路面最近，□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱折弯程度最小，折弯点距离路面最远，说明立柱抗弯刚度越大，折弯点距路面越靠下。由图7(b)可见：在极限荷载作用下，设置φ114 mm×4.5 mm钢管立柱的土壤损坏较小，设置□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱的土壤损坏最为严重，说明立柱抗弯刚度越大，对基础土壤的力学性能要求越高。

图7 打桩埋入式立柱静力荷载单元仿真结果(单位：mm)

图8为极限荷载作用下立柱的应力分布，深色为应力大的不可忽略区域，浅色为应力小的可忽略区域，由图8可以看出：3种型号立柱底部均存在小应力区域，说明该位置与土壤之间的作用力不大，其中φ114 mm×4.5 mm钢管立柱小应力区域长度约为600 mm(立柱埋入部分应力不可忽略部分长度约为1 050 mm)、φ140 mm×4.5 mm钢管立柱小应力区域长度约为500 mm(立柱埋入部分应力不可忽略部分长度约为1 150 mm)、□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱小应力区域长度约为250 mm(立柱埋入部分应力不可忽略部分长度约为1 400 mm)。通过应力分析，若在仿真立柱埋置深度的基础上，将这些立柱埋置深度缩短至小应力区域长度，理论上不会出现由于缩短立柱埋置长度而影响护栏防护能力。

图8 极限荷载下立柱应力分布图(单位：MPa)

(2) 混凝土加强式立柱单元仿真

建立混凝土加强式立柱静力荷载单元仿真模型，土基压实度设定为90%，边坡为1∶1.5，在距边坡顶部边缘线370 mm的位置分别设置规格为φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm的3种立柱结构，立柱埋置深度均为400 mm，立柱周边设置60 cm(长)×60 cm(宽)×50 cm(高)的混凝土结构以对基础进行加强，混凝土标号设定为C30。图9为水平推力极限荷载作用下的仿真结果。

图9 混凝土加强式立柱静力荷载单元仿真结果(单位：mm)

由图9可见：φ114 mm×4.5 mm钢管立柱发生了折弯，且混凝土加强式基础没有发生倾覆破坏，说明混凝土加强式基础对于φ114 mm×4.5 mm钢管立柱安全可靠；φ140 mm×4.5 mm钢管立柱发生了折弯，但混凝土加强式基础开始具有倾覆破坏趋势，说明混凝土加强式基础对于φ140 mm×4.5 mm钢管立柱的有效锚固作用处于临界状态；□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱没有发生折弯，但混凝土加强式基础发生了倾覆破坏，说明混凝土加强式基础对于□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱加强程度不足，使得该立柱应有的抗弯能力没有得以充分发挥。

(3) 钢套筒嵌入式立柱单元仿真

钢套筒嵌入式立柱基础多用于桥梁混凝土翼缘板上。建立桥梁翼缘板结构及规范规定的钢套筒嵌入式立柱仿真模型，即在翼缘板内设置φ245 mm×7 mm×305 mm的钢套筒，钢套筒中间分别设置规格为φ114 mm×4.5 mm、φ140 mm×4.5 mm、□130 mm×130 mm×6 mm 3种立柱结构，立柱埋置深度均为310 mm，钢套筒和立柱之间设置水泥砂浆填料。图10为水平推力极限荷载作用下的仿真结果，由图10可见：3种立柱均在基础表面位置发生了折弯，相对于土基础立柱折弯点发生了上移，混凝土基础未发生大面积损坏，说明钢套筒嵌入式立柱基础力学性能稳定可靠。

(4) 预埋法兰盘栓接式立柱单元仿真

预埋法兰盘栓接式立柱亦多用于桥梁翼缘板上。建立桥梁翼缘板结构及规范规定的预埋法兰盘栓接式立柱仿真模型，即在设置φ114 mm×4.5 mm钢管立柱的桥梁翼缘板中埋置4根M20地脚螺栓，立柱底部四周焊接4个均布的20 mm(顶宽)×50 mm(底宽)×150 mm(高)×10 mm(厚)规格的直角梯形加强肋板，立柱底部钢板规格为250 mm×250 mm×15 mm；在设置φ140 mm×4.5 mm钢管立柱的桥梁翼缘板中埋置4根M22地脚螺栓，在立柱底部四周焊接4个均布的30 mm(顶宽)×70 mm(底宽)×150 mm(高)×10 mm(厚)规格的直角梯形加强肋板，立柱底部钢板规格为300 mm×300 mm×16 mm；在设置□130 mm×130 mm×6 mm方管立柱的桥梁翼缘板中埋置4根M24地脚螺栓，在立柱底部四周焊接4个均布的30 mm(顶宽)×70 mm(底宽)×150 mm(高)×10 mm(厚)规格的直角梯形加强肋板，立柱底部钢板规格为300 mm×300 mm×16 mm。

图11为水平推力极限荷载作用下的仿真结果，由图11可见：3种立柱均在加强肋板的上部位置发生了折弯，相对于钢套筒嵌入式立柱基础，立柱折弯点又发生了上移，立柱底板发生不同程度的翘曲变形，混凝土基础未发生损坏，螺栓强度均满足要求，说明预埋法兰盘栓接式立柱基础力学性能亦较为稳定可靠。

图11 预埋法兰盘栓接式立柱静力荷载单元仿真结果(单位：mm)

根据以上单元仿真分析结果，可以看出设于土基础中的立柱抗弯刚度越大，折弯点越靠下；方管立柱(□130 mm×130 mm×6 mm)采用混凝土加强式基础时，将各个立柱混凝土加强基础连成一体是个有效的方式，可充分发挥立柱抗弯能力；不同埋置方式的立柱折弯点有所区别，即打桩埋入式立柱折弯点在土基中，混凝土加强式和钢套筒嵌入式折弯点在混凝土表面，预埋法兰盘栓接式折弯点在加强肋板上部，折弯点位置由低至高排序为打桩埋入式<混凝土加强式和钢套筒嵌入式<预埋法兰盘栓接式。

4 研究分析结论验证

为了验证前面针对立柱承载能力的研究结论，通过实车足尺碰撞试验和实际工程应用中的事故案例做进一步验证。

图12为相同碰撞条件下钢管立柱和方管立柱的变形及基础损坏情况。

图12 同等碰撞条件下的不同规格立柱变形及基础损坏情况

由图12可以看出：碰撞荷载作用后立柱均发生了折弯现象，且钢管立柱的土壤损坏较轻，方管立柱的土壤损坏较严重，验证了立柱抗弯刚度越大，对基础土壤的力学性能要求越高的结论。同时，结合实际工程应用中不同基础埋置方式的护栏立柱折弯位置(图13)，亦验证了打桩埋入式立柱折弯点在土基中，混凝土加强式和钢套筒嵌入式立柱折弯点在混凝土表面，预埋法兰盘栓接式立柱折弯点在加强肋板上部。

图13 同等碰撞条件下的不同埋置方式立柱变形及基础损坏情况