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單坡面混凝土橋梁中分帶護(hù)欄安全性能分析

文檔作者：閆書明李康全荊坤馬亮唐鍵陳翔云文檔來源： 1．北京中路安交通科技有限公司 2．湖南永藍(lán)高速公路有限公司，湖南永州425000； 3．中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2024年02月21日
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第35卷，第6期
2 0 1 0年1 2月
公 路 工 程
Highway Engineering
Vo1．35，No．6
Dec． ，20 1 0
單坡面混凝土橋梁中分帶護(hù)欄安全性能分析
閆書明 ，李康全 ，荊 坤 ，馬 亮 ，唐 鍵 ，陳翔云
(1．北京中路安交通科技有限公司，北京 100071； 2．湖南永藍(lán)高速公路有限公司，湖南永州425000； 3．中
交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100088)
[摘要]為將單坡面混凝土路基段中分帶護(hù)欄應(yīng)用于橋梁上，給出設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)車碰撞試
驗(yàn)相結(jié)合的方法對其安全防護(hù)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，橋梁段中分帶護(hù)欄防撞性能高于經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證的路基段護(hù)
欄，各項(xiàng)指標(biāo)滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)要求，防撞能力達(dá)到SAm級400 kJ以上，同時(shí)橋梁段護(hù)欄對基礎(chǔ)嵌固依賴性小，更加可
靠?？梢姌蛄憾螁纹旅孀o(hù)欄滿足安全防護(hù)需求，可以在實(shí)際工程中應(yīng)用。
[關(guān)鍵詞]護(hù)欄；碰撞實(shí)驗(yàn)；有限元；計(jì)算機(jī)仿真；安全評價(jià)
[中圖分類號】u 417．1 2 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A [文章編號]1674—0610(2010)06-0054—05
Safety Evaluation of Single Slope Concrete Bridge Barrier
YAN Shuming ，LI Kangquan ，JIN Kun ，M A Liang ，TANG Jian ，CHEN Xiangyun
(1．Beijing Zhongluan Trafic Technological Co．，Ltd Beijing 100071，China； 2．Hunan Yonglan Expre—
ssway Co．，Ltd Yongzhou，Hunan 425000，China； 3．CCCC Highway Consultants Co．，Ltd Beijing
100088，China)
[Abstract]In order to apply single slope concrete median subgrade barrier to bridge segement，de—
sign schemes were brought out and safety evaluation were done on bridge barrier based on computer simulation
and real vehicle impact test．The results indicate that the safety performance of bridge median barrier
is much better than that of subgrade barrier which has been porved by phsical test，the crashworth·
ness class of bridge barrier meet SAm which able to hold on 400kJ impact energy for every index meet the
evaluation requirements，and the bridge barrier is much reliable for less dependence to built—in base—
ment．Research results have concludes the bridge barrier can be applied in project for it meets safety re—
quirement．
[Key words]Barrier；Impact test；Finite Element Method；Computer Simulation；Safety Evalua—
tion
中分帶護(hù)欄作為一種重要交通安全設(shè)施，在防
止車輛穿越中分帶與對向車輛碰撞方面發(fā)揮了重要
作用? 。某路基段中分帶護(hù)欄采用單坡面素混凝
土結(jié)構(gòu)，具有施工方便、造價(jià)低廉、維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用低
等諸多優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)實(shí)車足尺碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證該護(hù)欄具備
SAm級400 kJ的防護(hù)能力。為了將該護(hù)欄形式應(yīng)
用于橋梁段，需對護(hù)欄基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，更需要
對改進(jìn)護(hù)欄的安全防護(hù)性能進(jìn)行分析論證，確保其
防護(hù)能力不低于SAm級400 kJ。
提出單坡面混凝土中分帶護(hù)欄橋梁段設(shè)置方
案，建立有限元仿真模型，結(jié)合碰撞試驗(yàn)，對其安全
防護(hù)性能進(jìn)行分析。
1 碰撞條件與防撞指標(biāo)
護(hù)欄的碰撞條件包括車型、車重、碰撞速度和碰
撞角度四大因素-z“ ，用來對護(hù)欄的安全防護(hù)性能
進(jìn)行評價(jià)。護(hù)欄的安全防護(hù)性能主要包括防撞性能
指標(biāo)和乘員風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)。小型車輛質(zhì)量小且運(yùn)行速度
高，所產(chǎn)生的沖擊加速度較大，易對乘員形成嚴(yán)重傷
害，因此采用小型車碰撞主要對護(hù)欄的乘員風(fēng)險(xiǎn)指
標(biāo)進(jìn)行評價(jià)；大型車質(zhì)量大，對護(hù)欄的損壞大，因此
采用大型車碰撞主要對護(hù)欄的防撞性能進(jìn)行評價(jià)。
混凝土護(hù)欄的乘員風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)主要和坡面形式有關(guān)，
由于該部分研究較為成熟 “ ，這里僅對單坡面混
[收稿日期]2010—06—21
[作者簡介】閏書明(1976一)，男，山東德州人，碩士，工程師，主要從事交通安全設(shè)施研發(fā)。
第6期 閆書明，等：單坡面混凝土橋梁中分帶護(hù)欄安全性能分析 55
凝土護(hù)欄的防撞性能進(jìn)行研究。
根據(jù)規(guī)范規(guī)定SAm級護(hù)欄的碰撞條件為：速度
為80 km／h的14 t大客車以20度角碰撞護(hù)欄 。
根據(jù)規(guī)范 ，確定防撞性能評價(jià)指標(biāo)為：試驗(yàn)
車輛不得穿越、翻越、下穿護(hù)欄，護(hù)欄碎片不得侵入
駕駛室及阻擋駕駛員視線；試驗(yàn)車輛駛出角度小于
碰撞角度的60％ ；碰撞后車輛恢復(fù)到正常行駛姿
態(tài)，不發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭、翻車等現(xiàn)象；混凝土剛性護(hù)欄
最大動(dòng)態(tài)變形小于0．1 m。
2 路基段護(hù)欄
2．1 護(hù)欄結(jié)構(gòu)
圖1為單坡面混凝土護(hù)欄示意圖。護(hù)欄頂部距
路面以上96 cm，底部兩側(cè)通過混凝土預(yù)制塊嵌固
深度為10 cm，坡面高度為81 cm；頂面寬度為
20 cnl，底面寬度50 cm；混凝土標(biāo)號為c 單坡面
混凝土護(hù)欄的設(shè)計(jì)防撞等級為SAm級。
圖1 單坡面混凝土護(hù)欄
Fig 1 Sketch of single slope concrete barrier
2．2 碰撞試驗(yàn)
試驗(yàn)護(hù)欄模型長48 m，試驗(yàn)車輛為大型客車，
其結(jié)構(gòu)尺寸為10．8 m長x 2．5 m寬X 2．7 m高，車
輛自重9．7 t，配重至14 t。圖2為碰撞試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀?
(a)試驗(yàn)車輛 (b)試驗(yàn)護(hù)欄
圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?
Fig 2 Test model
圖3為按試驗(yàn)條件組織的碰撞試驗(yàn)結(jié)果，可見
試驗(yàn)車輛沒有穿越、翻越、下穿護(hù)欄，護(hù)欄碎片沒有
侵入駕駛室及阻擋駕駛員視線；試驗(yàn)車輛駛出角度
接近0度，小于碰撞角度的60％ ；車輛駛出護(hù)欄后
恢復(fù)到正常行駛姿態(tài)，沒有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭、翻車現(xiàn)
象；護(hù)欄表面留有大面積的刮擦痕跡，出現(xiàn)通長的裂
紋，但最大動(dòng)態(tài)變形小于0．1 m?？梢姶罂蛙嚺鲎?
護(hù)欄各項(xiàng)指標(biāo)均滿足評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的要求，具備400 kJ
的防撞能力，防撞等級達(dá)到SAm級。
(a)碰撞試驗(yàn)過程
(b)護(hù)欄變形 (c)混凝土裂紋
圖3 碰撞試驗(yàn)
Fig 3 Impact test
3 橋梁段護(hù)欄設(shè)計(jì)
圖4為橋梁段單坡面混凝土護(hù)欄設(shè)計(jì)方案。根
據(jù)護(hù)欄基礎(chǔ)嵌固深度不同，設(shè)計(jì)了2種方案：方案1
適用于嵌固深度大于15 cm的護(hù)欄基礎(chǔ)，方案2適
用于嵌固深度為10 cm 的護(hù)欄基礎(chǔ)；2種方案的護(hù)
欄墻體以經(jīng)過試驗(yàn)的護(hù)欄結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，通過配筋加
強(qiáng)，以增強(qiáng)其整體受力性能；2種方案均通過搭板設(shè)
置在橋梁翼板上，方案1由于嵌固深度大于15 cm，
搭板采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，方案2由于搭板厚度僅
為10 cm，采用槽鋼混凝土結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)搭板的抗彎
強(qiáng)度。
由于墻體結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)形式、護(hù)欄墻體嵌固部分兩
側(cè)結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)寬度與試驗(yàn)護(hù)欄有所不同，需要對兩種
橋梁單坡面混凝土護(hù)欄安全防護(hù)性能進(jìn)行分析。
4 橋梁段護(hù)欄防撞性能分析
通過建立路基段和橋梁段護(hù)欄有限元仿真模
型，運(yùn)用定性對比的方法對嵌固基礎(chǔ)橋梁段護(hù)欄防
56 公路工程 35卷
磊
搭板 『f 1|
—
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(a)方案1
一
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" I 21
1 l ． )0 l {
圖4 橋梁段單坡面混凝土護(hù)欄
Fig 4 Single slope concrete barrier at bridge segement
撞性能進(jìn)行分析；另外建立平擺浮擱模型，對基礎(chǔ)最
不利條件下橋梁段護(hù)欄的安全防護(hù)性能進(jìn)行分析。
4．I 碰撞模型
利用HYPERMESH軟件，按1：1比例建立車輛
和護(hù)欄的LS-DYNA有限元仿真模型。
為獲得精確的車輛幾何尺寸，采用拆車方法建
立車輛有限元仿真模型。由于車身結(jié)構(gòu)主要是薄壁
金屬件，單元類型以擅長大變形的四邊形單點(diǎn)積分
殼單元為主。為獲得良好單元質(zhì)量，控制碰撞區(qū)域
的四邊形單元翹屈度小于l5。，長寬比小于4，最大
角小于135。，最小角大于45。，三角形單元的數(shù)量在
5％ 以內(nèi)，最小特征長度控制在5 mm左右。車身各
部分主要采用點(diǎn)焊連接，車門和車體通過鉸接點(diǎn)單
元連接。對于護(hù)欄結(jié)構(gòu)，混凝土和槽鋼采用六面體
單元模擬，鋼筋結(jié)構(gòu)采用梁單元模擬，碰撞區(qū)單元翹
屈度小于5。，長寬比小于2，最大角小于120。，最小
角大于60。，最小特征長度控制在10 mm左右。
圖5為建立的車輛模型。
圖5 車輛模型
Fig 5 Vehicle models
4．2 嵌固基礎(chǔ)護(hù)欄防撞性能
圖6為嵌固基礎(chǔ)護(hù)欄模型，用于對正常工況
圖6 嵌固基礎(chǔ)護(hù)欄模型
Fig 6 Barrier model with built—in basement
下護(hù)欄安全防護(hù)性能進(jìn)行分析。
圖7為嵌固基礎(chǔ)護(hù)欄仿真計(jì)算結(jié)果：路基段護(hù)
欄仿真結(jié)果與前述碰撞試驗(yàn)結(jié)果相一致，驗(yàn)證了仿
真模型的可靠性；車輛碰撞3種護(hù)欄行駛軌跡幾乎
相同，沒有穿越、翻越、下穿護(hù)欄，護(hù)欄碎片沒有侵入
駕駛室及阻擋駕駛員視線；車輛駛出角度接近0。，
小于碰撞角度的60％ ；車輛駛出護(hù)欄后恢復(fù)到正常
行駛姿態(tài)，沒有發(fā)生橫轉(zhuǎn)、掉頭、翻車現(xiàn)象；路基段護(hù)
欄表面仿真結(jié)果出現(xiàn)大面積的刮擦痕跡，護(hù)欄結(jié)構(gòu)
出現(xiàn)了通長裂紋，兩種橋梁護(hù)欄刮擦受損程度減少，
裂紋消失，搭板也未出現(xiàn)結(jié)構(gòu)破壞等現(xiàn)象，3種護(hù)欄
的最大動(dòng)態(tài)變形量均小于0．1 m?？梢姌蛄鹤o(hù)欄相
對于已通過碰撞試驗(yàn)驗(yàn)證的路基段護(hù)欄結(jié)構(gòu)強(qiáng)度明
顯增強(qiáng)，防撞能力在SAm級400 kJ能量以上。
4．3 基礎(chǔ)最不利護(hù)欄防撞性能分析
圖8為平擺覆擱護(hù)欄模型，用于對基礎(chǔ)最不利
條件下護(hù)欄安全防護(hù)性能進(jìn)行分析。
圖9為平擺浮擱模型碰撞結(jié)果：路基護(hù)欄由于
第6期 閏書明，等：單坡面混凝土橋梁中分帶護(hù)欄安全性能分析 57
霍 ‘：0．12 s l=0．34
(aj碰撞仿真過程
(b)護(hù)欄變彤
(c)護(hù)欄應(yīng)力
圖7 嵌固基礎(chǔ)護(hù)欄仿真結(jié)果
Fig 7 Simulation results of barrier model with built·in basement
圖8 平擺覆擱護(hù)欄模型
Fig 8 Barrier model without built·in basement
圖9 平擺覆擱護(hù)欄模型仿真結(jié)果
Fig 9 Simulation results of barrier model without built—in basement
基礎(chǔ)嵌固出現(xiàn)斷裂和傾覆現(xiàn)象，不滿足安全防護(hù)要
求；橋梁護(hù)欄由于配筋和剛性底板整體性能明顯加
強(qiáng)，防護(hù)性能沒有受到明顯影響，仍具有SAm級防
撞等級。
58 公路工程 35卷
(上接第28頁)
表1為某選址問題中，影響選址的可達(dá)性因素
及其權(quán)重。
表1 影響選址的可達(dá)性因素及其權(quán)重
Table 1 Factors of accessibility and their weights
affecting location selection
可達(dá)性主要影響因素 權(quán)重 可達(dá)性主要影響因素 權(quán)重
交通樞紐0．15 道路等級0．1
土地價(jià)格0．2 旅行時(shí)間0．1
土地規(guī)模0．1 舒適度0．05
土地開發(fā)強(qiáng)度0．1 擁堵情況0．05
區(qū)位吸引力0．15
5．4 算例應(yīng)用
某城市有6個(gè)小區(qū)(城區(qū)中心)的坐標(biāo)和客運(yùn)
需求量(見表2)。
表2 6個(gè)小區(qū)的數(shù)據(jù)
Table 2 The data of 6 zones
根據(jù)重心法，得到迭代計(jì)算結(jié)果見表3。
表3 迭代計(jì)算的結(jié)果
Table 3 The results of the iterative calculation
對于以上選址方案，考慮到影響城際軌道交通
樞紐選址的可達(dá)性因素及其權(quán)重，進(jìn)行綜合評定
(見表4)。
表4 評價(jià)情況
Table 4 Evaluations
根據(jù)表4，計(jì)算出各方案的評價(jià)值為：
CA=0．339，CB=0．465，Cc=0．305
因此，根據(jù)可達(dá)性因素的綜合分析，3個(gè)城際軌
道交通樞紐選址方案中址排位第l，址排位第2，址
排位第3。
6 結(jié)論
通過對可達(dá)性的分析，構(gòu)造了在交通情況、區(qū)位
條件等因素約束下，綜合考慮城際軌道交通樞紐在
區(qū)域交通網(wǎng)絡(luò)中的可達(dá)性指標(biāo)的城際樞紐選址模
型，以實(shí)現(xiàn)城際軌道交通樞紐的選址分析的定性和
定量相結(jié)合，是一種可行的、全面、合理的選址方法。
[參考文獻(xiàn)]
[1] 裴欣．基于步行可達(dá)性的公共服務(wù)設(shè)施布局優(yōu)化研究[D]．
清華大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007．
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學(xué)博士學(xué)位論文，2008，10．
[3] 孫焰．現(xiàn)代物流管理技術(shù)—— 建模理論及算法設(shè)計(jì)[M]．上
海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2004．
[4] 劉國龍，吳小萍，孟詳定．基于分層模糊法的城市軌道交通規(guī)
劃優(yōu)化決策研究[J]．公路工程，2008，33(1)：44—47．

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