基于多目标的组合式桥梁护栏优化研究

江海 亢寒晶 刘大昌 马晴 闫书明

(1. 湖北联投鄂咸投资有限公司 鄂州436044；2. 北京华路安交通科技有限公司 100070)

引言

护栏作为一种被动安全防护设施， 是事故车辆的最后一道防线， 对于公路的安全运营起到了至关重要的作用[1]。 随着我国公路的迅速发展，运营车辆逐渐向多样化、 大型化变化， 同时车辆数量也增加飞速， 这样就进一步提高了对公路护栏的安全需求。 为了进一步规范公路护栏的设计和应用， 相关部门颁布了相关规范[2-4]， 提高了对公路护栏安全水平的要求。 由于时间过渡， 会导致实际工程中已经完成设计甚至已经部分施工的公路护栏不满足新规范要求， 需要进行相应的升级改造优化使其安全性能满足新规范的要求，同时考虑到工程造价， 需要优化结构不增加工程成本。 安全性能和经济性能同时提升的多目标增加了桥梁护栏的优化难度。

以某高速公路组合式桥梁护栏为例， 以提高安全性至满足现行规范、 利用已施工的混凝土结构、 不增加材料量为目标， 采用有限元仿真方法对组合式桥梁护栏进行优化和系统的安全性能仿真分析[5]， 得到满足多项优化目标的优化护栏结构， 优化护栏经过实车碰撞试验验证安全可靠。

1 原组合式桥梁护栏

1.1 结构设计

原组合式桥梁护栏结构如图1 所示。 下部为高度0.4m 的混凝土， 迎撞面采用直径20mm、间距150mm 的HRB400 钢筋； 纵筋为直径10mm的HPB235 钢筋； 上部为梁柱式钢结构， 两排横梁均为130mm×90mm ×6mm 的C 型钢， 横梁间净距245mm， 上横梁顶面到路面975mm， 立柱150mm×945mm×10mm 方型钢管间距2m， 横梁和立柱通过角钢和螺栓连接， 立柱插入下部混凝土埋设的套筒内并灌注水泥砂浆锚固； 护栏所有型钢材料中横梁为Q390， 立柱等其他结构为Q345。 不计钢筋， 该护栏每延公里用钢量为75.34t。 工程中下部混凝土已完成施工， 上部钢结构尚未安装。

图1 原组合式桥梁护栏(单位： mm)Fig.1 Original combined bridge barrier(unit: mm)

1.2 与老规范的符合性

原组合式桥梁护栏设计防护等级为老规范《高速公路交通安全设施设计及施工技术规范》(JTJ 074 -94)规定的PL3级， 防护能量230kJ，碰撞条件如表1 所示[6]。 按照PL3级碰撞条件建立计算机仿真模型对该结构进行的安全性能分析如图2 所示， 车辆碰撞后顺利导出， 安全性能满足设计等级要求， 即原组合式桥梁护栏符合老规范的规定。

表1 PL3级碰撞条件Tab.1 Impact conditions of PL3 level

图2 原护栏PL3级仿真分析Fig.2 A simulation analysis of original barrier at PL3 level

1.3 与新规范的符合性

2017 年底交通运输部发布了《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)[2]和《公路交通安全设施设计细则》(JTG/T D81—2017)[3]， 规范中适应现阶段公路安全运营防护需求对公路护栏的安全性能提出了更加严格的要求， 规定设计速度在80km/h ～100km/h 的高速公路桥梁， 若车辆驶出桥外或进入对向车道的事故严重程度等级高应采用五(SA)级桥梁护栏， 并规定五(SA)级混凝土护栏路面以上高度不应小于1000mm，相同等级的组合式护栏可在混凝土护栏高度基础上增加100mm， 即组合式护栏高度需不小于1100mm。 原组合式桥梁护栏高度为975mm， 不满足新规范规定。

2 护栏结构优化

2.1 优化目标

结合工程条件和需求， 从以下三个角度确定优化目标:

(1)安全: 优化护栏防护等级提升至现行规范规定的五(SA)级， 防护能量400kJ。 五(SA)级碰撞条件如表2 所示[4]。

表2 五(SA)级碰撞条件Tab.2 Impact conditions of 5(SA) level

(2)现场条件: 优化护栏利用原护栏已施工的混凝土结构， 使现场已施工的混凝土结构可继续使用。

(3)经济性: 优化护栏不增加钢材用量。

2.2 结构优化分析

护栏高度不足是原护栏安全性不满足现行规范的重要方面， 而桥梁护栏高度对于防车辆翻越护栏、 减小车辆侧倾至关重要[7]。 三轴和四轴的大型货车车厢底板高度平均约为1250mm[4]，为提高护栏对大型车特别是大型货车的防护，将护栏高度优化为1300mm； 将方管立柱优化为H 型立柱， 提高横梁与立柱变形的协调性， 并为向预埋套管内灌注水泥砂浆留有更多的操作空间； 将原C 型钢管横梁优化为矩形钢管横梁，提高横梁抗弯能力； 在钢管横梁背部设置防阻块， 增加迎撞面到立柱的距离， 降低车辆在立柱处发生绊阻的风险[8]， 同时方便横梁和立柱的连接。 得到优化方案一: 直H 立柱， 三层横梁， 最上层横梁采用120mm ×100mm 矩形管，下两层横梁采用边长100mm 方管， 横梁背部焊接防阻块， 横梁与立柱通过防阻块和螺栓连接。护栏模型和大型车碰撞仿真计算如图3 所示，该结构安全性能满足初步要求， 且降低了材料量， 具有较高的可行性。

图3 优化方案一仿真分析Fig.3 Simulation analyses of structure one

采用小型车分析优化方案一的安全性能。 如图4a 所示， 虽然成功防护小客车， 但最下层横梁在车轮上表面位置， 有卡住轮胎的风险。 降低下横梁高度得到优化方案二， 计算结果如图4b所示， 下横梁可从侧面拦截轮胎， 使车轮更有效转向和导出。

图4 小客车仿真分析Fig.4 Simulation analyses of the car

通过结构优化分析， 优化护栏确定采用方案二， 详细参数如图5 和表3 所示。 如表4 所示，不计钢筋该优化方案每延公里用钢量为71.44t，较原护栏每延公里节省3.9t 钢材， 具有一定的经济性。

图5 优化护栏断面(单位： mm)Fig.5 The cross-section diagram of the improved barrier(unit: mm)

表3 优化护栏参数(单位： mm)Tab.3 Parameters of the improved barrier(unit: mm)

表4 原护栏和优化护栏的对比Tab.4 The comparison between original barrier and improved barrier

3 安全性能仿真分析

按表2 的碰撞条件， 建立计算机仿真模型，对确定的优化方案进行系统的安全性能分析。

3.1 小型客车碰撞

图6a 为小型客车碰撞优化护栏过程， 车辆顺利导出； 图6b 为小型客车碰撞过程轨迹， 驶出轨迹很平顺， 10m 范围内未驶出4.7m 宽的驶出框，护栏导向功能较好。 如图6c 所示小客车碰撞后仅下横梁发生轻微变形， 变形数据如表5 所示。

图6 小客车碰撞优化护栏仿真结果Fig.6 Simulation results for the car impacting the improved barrier

表5 小型客车碰撞优化护栏变形数据Tab.5 Data for barrier deformation after the carimpacting the improved barrier

按照评价标准的要求[4]， 小型客车碰撞护栏需考察缓冲指标。 表6 为小型客车碰撞优化护栏缓冲指标数据， 均满足合格标准， 护栏缓冲性能较好。

表6 缓冲指标数据Tab.6 Data for buffering indicators

3.2 大型客车碰撞

图7a 为大型客车碰撞优化护栏过程， 车辆顺利导出； 图7b 为大型客车碰撞过程轨迹， 20m范围内未驶出8.5m 宽的驶出框， 护栏导向功能较好， 可减小对相邻车道影响。 如图7c 所示为大客车碰撞后碰撞区域立柱和横梁发生明显变形， 护栏变形和车辆外倾数据如表7所示。

图7 大客车碰撞优化护栏仿真结果Fig.7 Simulation results for the bus impacting the improved barrier

表7 大型客车碰撞优化护栏变形及车辆外倾数据Tab.7 Data for barrier deformation and incline-out distance after the bus impacting the improved barrier

3.3 大型货车碰撞

图8a 为大型货车碰撞优化护栏过程， 车辆顺利导出； 图8b 为大型货车碰撞过程轨迹， 驶出轨迹很平顺， 20m 范围内未驶出8.7m 宽的驶出框，护栏导向功能较好， 可减小对相邻车道影响。 如图8c 所示大货车碰撞后碰撞区域立柱和横梁发生明显变形， 护栏变形和车辆外倾数据如表8 所示。

图8 大型货车碰撞优化护栏仿真结果Fig.8 Simulation results for the truck impactingthe improved barrier

表8 大型货车碰撞优化护栏变形数据及车辆外倾数据Tab.8 Data for barrier deformation and incline-out distance after the truck impacting the improved barrier

4 安全性能验证

如图9 所示， 根据评价标准的要求[4]， 组织实车碰撞试验验证优化护栏的防护等级和安全防护能力。 护栏成功防护五(SA)级碰撞条件下三种车型的碰撞， 表明优化护栏安全性能达到五(SA)级， 安全性能可靠。

图9 试验照片Fig.9 Photographs for tests

5 结论

基于原组合式桥梁护栏不满足现行《公路交通安全设施设计规范》(JTG D81—2017)规定的现状， 通过优化研究得到优化护栏结构， 实现了多目标要求:

1. 通过系统的安全性能仿真分析和实车试验验证， 优化护栏安全性能达到五(SA)级， 防护能量400J， 较原护栏PL3级230kJ 有了大幅度提升， 并满足现行规范要求。

2. 优化护栏完全利用原护栏已施工的混凝土结构， 节约建设成本， 不影响施工周期。

3. 优化护栏上部钢结构钢材用量较原护栏每延公里节省3.9t， 节省了钢材用量并具有一定的经济效益。