黎 波
(酉阳县隆达公路建设投资有限公司，重庆 409800)
0 引言
据统计，汽车与桥梁护栏碰撞后造成人员伤亡的比例逐年攀升，造成了巨大的经济损失。2018年12月重庆万州二桥公交车撞破护栏坠入江中导致了巨大的人员伤亡与财产损失。鉴于上述交通事故给国家和人民造成了严重的生命财产损失，探讨护栏与汽车的碰撞、提高护栏在发生碰撞时对车辆内部乘员的生命保护对提高道路、桥梁的安全等级具有十分重要的意义。
目前国内外主要通过计算机有限元仿真模拟以及实车碰撞实验来评估护栏与车辆发生碰撞之后汽车的变形应力用以评估护栏的安全性能，实车碰撞实验虽然能够比较准确反映汽车碰撞后的状态但其费用较高并且可重复性低，计算机有限元仿真模拟具有造价低可重复性高的优点，因此被广泛采用。大连理工大学的于学兵[1]采用有限元模拟的方法来评定半刚性三波护栏的安全性能，发现目前三波形护栏安全性能较高。重庆交通大学的周延朝[2]采用计算机仿真模拟汽车与护栏碰撞的过程减少了实车碰撞试验的过程，为今后新型护栏的设计打下了基础。通过上述文献发现：计算机仿真分析相较于实车碰撞试验具有可重复性高、价格低等优点。但是这些文献对于护栏的研究更多的关注了护栏结构本身的强度、刚度、稳定性对汽车与护栏发生碰撞后乘员安全性，忽视了立柱所在基础对于护栏整体性能也有着较大的影响。因此本文研究了由于在实际施工过程中种植土和回填土压实度实际上达不到规范要求，在车辆撞击护栏的时候护栏横向位移偏大，导致护栏的整体刚度降低。本文以地基压实土和回填土为研究对象，压实土满足规范要求的90%的压实度，回填土无法满足90%的压实度，分析了两种土基在遭受车辆碰撞时受力特性，探讨了土基对于波形梁护栏在遭受车辆碰撞时安全性能是否满足规范要求的问题，给出了加固建议。
1 研究现状
湖南大学的胡高贤[3]研究了土基对护栏安全性能的影响。研究发现:在护栏与车辆发生激烈碰撞的时候，碰撞所产生的能量在很大程度上是由护栏的变形与横向位移吸收的。当土基压实度较小的情况下，护栏的横桥向位移取决于土基压实度，横桥向位移随着土基压实度增大而减小；当土基压实度超过96%时，护栏的横桥向位移主要受护栏各部件强度影响。立柱截面的内力分布特点与上述情况一致。因此，在道路桥梁两侧的护栏施工时，对于土基压实度的处理是重点，土基压实度既不能过高也不能过低，只有压实度保持在90%左右，护栏才能发挥。
中国科学院力学研究所的丁桦[4]对实测成雅路路基压实粘土中立柱的受力情况进行分析研究。研究发现：《公路交通安全设施设计细则》中护栏立柱的土基要求是压实黏土，压实黏土可以有效的阻止护栏在遭受碰撞后发生横向位移，但据统计，在施工中立柱护栏的土基很难满足规范中的要求，也就是地基土压实度不足90%。基于此种情况，可以采用在路面铺装下设置预制混凝土块体的加固方法，来加固隔离带护栏基础。
河南省周口市公路勘察设计院的刘伟[5]对目前我国在实际工程使用量最大的A 级波形梁进行了研究，以刚护栏立柱和立柱基础为主要研究对象。研究发现：在进行实车碰撞实验后，常用的A级波形梁钢护栏立柱将会在地表下0.15 m～0.25 m处发生失稳以及弯曲变形的现象。要确保A级波形梁护栏防护性能满足规范要求，必须确保立柱能够在护栏梁位移小于0.28 m范围内保持对护栏有12.5 kN左右的反作用力。在汽车与波形梁护栏发生碰撞时，立柱将会发生弯折，为保证波形梁护栏的安全性能，要求立柱的弯折点位置不低于路面以下0.2 m。经过研究发现压实黏土立柱地基承载力可以满足护栏的安全性能要求但是当地基土压实度不足90%时不满足规范要求。
2 波形护栏碰撞力学性能分析
2.1 土壤与立柱的相互作用分析
汽车在与护栏碰撞过程中立柱与地基土之间的作用力变化十分复杂，本文采用日本土木研究所等单位对护栏立柱强度的专门实验研究结果：碰撞加载之后立柱弯曲及弯矩最大位置大致发生在路面铺装以下400 mm处，故基础对波形梁护栏立柱的约束可以简化为在地表下400 mm处对立柱施加一个全约束。对于常见的A级波形梁护栏，梁板立柱与防阻块之间的连接采用点焊来模拟螺栓的连接关系，当汽车与护栏发生碰撞后碰撞力达到或者超过失效力的时候，连接失效，立柱和梁板将会脱离。失效的判别法则如式(1)所示[1]:
(1)
其中，fsn为轴向极限拉力;fss为极限剪切力；m为法向点焊力指数；n为剪切点焊力指数。
2.2 护栏受力分析
通过分析可知当护栏承受汽车撞击的时候，护栏抵抗汽车撞击的反力主要由两方面提供：一是波形梁、立柱等护栏结构吸收碰撞能量阻挡汽车翻越、骑跨护栏，二是土基对护栏的横桥方向的移动产生限制，限制作用产生了反作用力，这一部分的力可以看作被动土压力，当汽车与护栏发生碰撞的时候护栏立柱承受地基土的被动土压力以及汽车撞击力的受力图如图1所示。
护栏立柱的位移变形主要是路面铺装以下0.15 m～0.25 m处的弯曲与变形位移造成的，理论上可以将这种弯曲状态简化为一种理想的钢塑性失稳特征。
这种理想的钢塑性失稳状态认为，护栏在车辆碰撞的时候，其能够承受的最大弯矩介于立柱的最大弹性弯矩和最大屈服弯矩之间，立柱所能承受的最大弯矩计算方法见式(2)：
Mmax=α×Me+(1-α)×Mp
(2)
其中，Mmax为最大弯矩;Me为最大弹性弯矩;Mp为屈服弯矩;α为0和1之间的系数。
对于现有的φ114×4的立柱，Mmax约为10 kN·m。立柱的极限作用力计算见式(3)：
(3)
由式(2)、式(3)计算的结果可知，在目前常用的A级波形梁护栏中，护栏当满足在护栏梁0.28 m范围内保持大约1.25 t的反力的条件，在目前的波形梁护栏结构中，护栏在与汽车发生激烈碰撞时护栏的横桥向位移和内力将与原来未换算的结构保持一致。也就是说现有规范规定的波形梁护栏，为了使护栏在发生碰撞的时候安全性能得到保障，护栏的立柱弯折点位置不能过低。当上述情况得到满足的时候，不论采用何种类型的基础，护栏结构的安全性能能够满足规范要求。
综上所述，当立柱基础压实度足够的时候(压实土)，无论基础采取什么方式，当波形梁护栏立柱发生碰撞的时候，汽车的安全性能是满足规范要求的，当基础压实度降低到最小临界值90%后，护栏立柱弯折点的位置会随着土基压实度的降低而降低，这个时候立柱的横向刚度会降低，极限水平抗力也会降低，护栏的安全性能下降。
3 加固建议
3.1 加密立柱
依据JTG/T—D81—2017公路交通安全设施设计细则规定[4]因特殊原因无法满足护栏地基土压实度要求时，经对现场条件、防护车型和护栏结构的科学分析和合理论证，局部路段护栏结构可参照下列方式适当进行变更。由于现场条件的限制，需局部变更立柱间距时，打入式立柱间距可缩短到表中的距离，例如目前常用的Gr-A-4E型波形梁护栏(见图2)，按照表1可以将立柱间距降低到2.0 m。
加密立柱可以使汽车在撞击护栏的时候其冲击力和能力能够通过更多的立柱传递到地基土，这样减小单个立柱受到撞击的时候所承受的横向力，减少立柱在遭受撞击时产生的横向位移，降低发生车祸时人员伤亡的几率。
3.2 混凝土基础加固
基于当波形梁护栏立柱地基承载力不能达到规范90%的要求时，承载力得不到满足，建议提高立柱的刚度、增大立柱的密度，立柱增加可以分散撞击力到地基，以防立柱被撞倒，增强护栏的阻挡功能，当波形梁护栏立柱地基承载力不能达到规范90%的要求时，亦可采用增设局部预制混凝土块的方法加固。
对压实度不足的地基土基础利用混凝土加固的目的是为了增加车辆与护栏发生碰撞时地基土的被动土压力。传统的中央分隔带波形梁护栏的断面布置图见图3，其立柱直接插入土体中，由于在施工过程中，地基土多为回填土，多数回填土不便于进行压实处理，导致实际工程中地基土压实度多达不到规范要求的90%。而设置混凝土加固基础可以很好的解决这一问题，混凝土加固方法见图4。
4 结语
研究波形梁护栏的安全性能对城市、高速公路桥梁具有重要的意义。依据施工中立柱土基压实度往往不能达到规范要求的实际问题，通过对护栏立柱在发生碰撞时的力学分析得出以下结论：
1)当压实土的压实度在90%以上时，护栏吸收汽车与护栏碰撞产生的能量比例较大，在碰撞时护栏的安全性能主要由护栏的整体强度决定，护栏满足安全性能的要求。
2)种植土、回填土立柱基础的承载能力普遍不能满足规范要求的90%压实度要求，吸收碰撞能量的能力较弱，此时护栏的安全性能主要由地基土压力决定，不能满足护栏安全性能要求。
3)当地基土压实度不足90%的时候，采用加密立柱或者混凝土加固基础后，地基承载力基本满足要求。
